Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 MOE Key Laboratory of Optoelectronic Imaging Technology and Systems, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
We implement Monte Carlo-based parallel ray tracing to achieve quick irradiance evaluation for freeform lenses with non-uniform rational B-splines (NURBS) surfaces. We employ the inverse transform sampling method to sample rays uniformly from the Lambertian light source and adopt the analytical form of the B-spline basis function to achieve fast surface interpolation. When performing parallel calculations for the intersections between the rays and the NURBS surfaces, we propose a parameter transformation method to avoid the parameters escaping from the defined range in the iteration process. Simulation results of two complex picture-generating freeform lenses show that our method is fast and effective.
propagation methods computation methods nonimaging optics lenses Chinese Optics Letters
2023, 21(5): 052201
1 天津科技大学 机械工程学院 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室, 天津 300222
2 沂普光电（天津）有限公司, 天津 300457
激光车灯对比于LED车灯, 具有能耗小、体积小、亮度高等优点, 是汽车车灯发展的新方向。基于此提出了一种低功耗、高亮度的激光车灯的光学系统结构。通过搭建光学测试平台研究激光二极管经过荧光片变为白光光源的特征参数, 如光源的尺寸、光通量等, 从而建立光源模型。由点光源和接收面能量的映射关系, 求解激光车灯透镜的初始面型。根据所建立的光源模型对透镜初始面型进行优化设计, 得到最终结果。所设计的非球面透镜利用超精密加工实现, 并对激光车灯进行了组装和测试, 12.16W电功率驱动下, 25m处的照度约为106lux。
非成像光学 非球面 激光驱动白光光源 激光车灯 nonimaging optics aspheric surface laser-driven white source laser lamps
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。
光学设计 发光二极管 非成像光学 照明设计 均匀照明 光学学报
2020, 40(24): 2422001
红外与激光工程
2020, 49(3): 0314003
1 西安石油大学 理学院, 陕西 西安 7100653
2 福州大学 物理与信息工程学院, 福建 福州 350108
依据LED点光源模型发光特性, 以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标, 采用Skew-Ray 追迹法描述光线和设计TIR透镜, 其中将透镜全反射区域进行简化处理, 主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与１ｍｍ×１ｍｍ 的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟, 模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%, 同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%, 若以±1°作为光线准直半角标准, 目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8％。
非成像光学 自由曲面 Skew-Ray追迹法 照明均匀度 准直光线百分比 nonimaging optics freeform surface skew-ray tracing method illumination uniformity the efficiencies of collimated ray
二次支撑曲面设计方法是一种将多个二次子面拼接形成一个鳞甲光学面来获得目标面上离散光分布的自由曲面光学设计方法, 而如何高精度求解子曲面上的光通量是一个难题。现有的解决方案是光线仿真统计, 存在效率低和精度低的缺陷。提出一套解析与数值方法相结合的求解思路, 先解析求出相邻二次曲面的交线, 再利用二分法确定交线作为子面边界的两个端点以确定边界区间, 重复以上过程确定出所有边界, 进而求得子面相对于光源的角空间, 最终通过数值积分确定子面光通量。与现有统计方法相比, 所提方法将子面光通量的计算精度由10-4提高到10-7, 时间节省了近7倍。光学仿真和实验均验证了这种方法的有效性, 对实现任意光分布的自由曲面配光设计具有实际的应用价值。
几何光学 自由曲面光学设计 非成像光学 二次支撑曲面方法 geometrical optics freeform optical design nonimaging optics supporting quadric method
北京理工大学光电学院, 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
为使LED光源实现特定范围内的均匀照明，提出了一种由复合抛物面集光器和自由曲面透镜结合的主次镜两级准直照明设计方法。该方法可将照明系统出射角控制在±5°～±15°范围内，并在目标区域内实现均匀照明。仿真结果显示：系统出射角在±5°～±15°范围内，理想情况下该系统的能量利用率和照明均匀度均可达85%以上；同时，系统的照明均匀度不会随照明距离的改变发生显著变化，在实际应用中可通过改变照明距离来改变光斑大小和光斑照度。
光学设计 非成像光学 复合抛物面集光器 同步多表面法 自由曲面透镜 激光与光电子学进展
2018, 55(8): 082201
1 China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048, China
2 Joint Research Center for Optomechatronics Engineering, School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 Shenzhen Research Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen 518057, China
Frontiers of Optoelectronics
2017, 10(4): 353
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海 200093
在灯具设计中, 特别是开发投光灯、轨道灯等类型灯具时, 经常会遇到系列化设计问题。在不修改基本外形结构的情况下, 要想获得不同发光角度、照度均匀, 提出了一种通过鳞甲片改变出光角度的反射罩设计方案, 包括鳞片参数的计算、基面合理分隔方法、实际仿真模拟。最终给出同样基面, 发散角(FWHM)为20°、40°、60°, 光能利用率均达到75%, 匀光效果85%左右的设计结果, 证明该设计方法可行性。
非成像光学 照明设计 鳞甲反射罩 nonimaging optics illumination design mail reflector
1 五邑大学应用物理与材料学院, 广东 江门 529020
2 五邑大学数学与计算科学学院, 广东 江门 529020
3 华南农业大学电子工程学院, 广东 广州 510642
提出了基于能量映射关系和易加工性约束的照度偏离量累加反馈优化算法, 并设计了一款可实现照度均匀分布的基于板上芯片(COB)型发光二极管(LED)光源的自由曲面透镜。本算法将每次迭代反馈优化后的仿真光分布与目标光分布的照度偏离量, 累加到预设目标光分布进行修正, 并利用修正后的目标光分布结合能量映射关系重构自由曲面透镜模型; 同时, 从易加工性的角度提出在反馈优化过程中将透镜外曲面下半部分约束为竖直面。以Cree CXA1816 COB LED为光源设计了相应的自由曲面透镜, 结果表明, 经过3次反馈优化后即可在距离光源1000 mm、半径为1480 mm的圆形区域实现均匀照度分布。根据设计结果加工了相应的透镜并进行照明效果的测试, 实测的照度分布与仿真结果比较吻合。
光学设计 非成像光学 板上芯片型发光二极管 自由曲面 反馈优化 均匀照明 易加工性 激光与光电子学进展
2017, 54(1): 012202
