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Parallel ray tracing through freeform lenses with NURBS surfaces
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作者 汤海松 冯泽心 +1 位作者 程德文 王涌天 《Chinese Optics Letters》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期94-103,共10页
We implement Monte Carlo-based parallel ray tracing to achieve quick irradiance evaluation for freeform lenses with nonuniform rational B-splines(NURBS)surfaces.We employ the inverse transform sampling method to sampl... We implement Monte Carlo-based parallel ray tracing to achieve quick irradiance evaluation for freeform lenses with nonuniform 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. 展开更多
关键词 propagation methods computation methods nonimaging optics lenses
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Simple dynamic energy core equivalent rays method to design freeform surface for extended source
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作者 Kun WANG Yanjun HAN +6 位作者 Hongtao LI Yi LUO Zhibiao HAO Lai WANG Changzheng SUN Bing XIONG Jian WANG 《Frontiers of Optoelectronics》 EI CSCD 2016年第2期330-337,共8页
A simple method is proposed to design free- form surface for Lambertian extended source. In this method, it can take advantage of the designing method for point source via substituting each incident ray with a dynamic... A simple method is proposed to design free- form surface for Lambertian extended source. In this method, it can take advantage of the designing method for point source via substituting each incident ray with a dynamically calculated equivalent ray. For each facet on the freeform surface, the equivalent ray emits from the energy weighted average-emitting-position for the corre- sponding incident beam, and redirects into the direction which is determined by a source-to-target mapping. The results of the designing examples show that the light distributions' uniformities can be improved by this method, e.g., even the improvement of 59% can be achieved. 展开更多
关键词 nonimaging optics illumination design lightemitting diodes (LEDs)
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Reflector Design Method for Rotational Uniform Illuminance System with LED
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作者 ZHANG Qi-hui WANG Hong JI Ling-ling 《Semiconductor Photonics and Technology》 CAS 2009年第3期163-166,共4页
Based on nonimaging design method, uniform illuminance systems with LED source were developed to create a uniform illuminated circular region with a desired size in a screen at a prescribed place. By using ray-tracing... Based on nonimaging design method, uniform illuminance systems with LED source were developed to create a uniform illuminated circular region with a desired size in a screen at a prescribed place. By using ray-tracing software based on Monte-Carlo method, the simulation results show that in the illuminated region the luminous uniformity is higher than 90%. 展开更多
关键词 semiconductor lighting nonimaging optics uniform illuminance system
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实现LED准直照明的优化设计 被引量:52
4
作者 罗晓霞 刘华 +3 位作者 卢振武 荆雷 姜洋 辛迪 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期1351-1355,共5页
为了有效地利用光源能量,满足LED远场照明系统要求,提出了一种实现LED大视场角准直照明的自由曲面透镜设计方法.运用ZEMAX软件序列模式下的多重组态建立透镜结构,在ZEMAX的二次开发环境下,采用宏语言编写自定义优化函数,实现对光学系统... 为了有效地利用光源能量,满足LED远场照明系统要求,提出了一种实现LED大视场角准直照明的自由曲面透镜设计方法.运用ZEMAX软件序列模式下的多重组态建立透镜结构,在ZEMAX的二次开发环境下,采用宏语言编写自定义优化函数,实现对光学系统的自动优化.通过得到的自由曲面面型数据,借助光学仿真软件进行模拟,模拟光源采用圆面发光的LED朗伯体,视角为180°,透镜材料为PMMA,点光源模拟得到的发散半角在±0.1°以内,能量利用率在87%以上,实现了较高的能量利用率. 展开更多
关键词 非成像光学 准直镜 LED
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一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统 被引量:45
5
作者 杨毅 钱可元 罗毅 《光学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第1期110-112,115,共4页
为解决发光二极管(LED)作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于LED的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光... 为解决发光二极管(LED)作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于LED的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行模拟仿真,结果显示屏幕上光斑的均匀度优于85%,系统效率高于82%。 展开更多
关键词 应用光学 半导体照明 非成像光学 均匀照明系统
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LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法 被引量:32
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作者 张航 梁雪 +3 位作者 严金华 许周速 徐军 陈钢 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第9期240-245,共6页
利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实... 利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光,并由光学扩展量给出准直器的理论光效,最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义,以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明,准直器的发散角小于±2.26°,整体光效达到0.79,理论与仿真光效的误差小于2.5%,在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9,平顶光效为0.56,效果良好。 展开更多
关键词 几何光学 非成像光学 同步多曲面法 流线法 复合抛物面集光器
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半导体照明关键技术研究 被引量:26
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作者 罗毅 张贤鹏 +1 位作者 韩彦军 钱可元 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2007年第3期17-28,共12页
以GaN基功率型发光二极管为核心的半导体照明光源,已经展示了广阔的应用前景,但其流明效率和公认的200lm/W的路线图目标相比还有较大的发展空间。从材料外延、管芯制作、器件封装和系统应用等方面介绍了半导体照明关键技术的最新进展,... 以GaN基功率型发光二极管为核心的半导体照明光源,已经展示了广阔的应用前景,但其流明效率和公认的200lm/W的路线图目标相比还有较大的发展空间。从材料外延、管芯制作、器件封装和系统应用等方面介绍了半导体照明关键技术的最新进展,其中包括清华大学集成光电子学国家重点实验室的研究成果,并展望了未来的研究方向。 展开更多
关键词 半导体照明 氮化镓 发光二极管 流明效率 热阻 非成像光学
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塔式太阳能热发电站镜场的优化设计 被引量:20
8
作者 魏秀东 卢振武 +1 位作者 林梓 王志峰 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第9期2652-2656,共5页
为了提高塔式太阳能电站镜场的集光效率,需要对镜场的布置进行优化设计。基于非成像光学设计理论,提出了利用腔式吸热器的几何特性与定日镜年均效率因子相结合的镜场边界限制方法,提高了定日镜的光学效率。镜场采用规则化布置,易于进行... 为了提高塔式太阳能电站镜场的集光效率,需要对镜场的布置进行优化设计。基于非成像光学设计理论,提出了利用腔式吸热器的几何特性与定日镜年均效率因子相结合的镜场边界限制方法,提高了定日镜的光学效率。镜场采用规则化布置,易于进行优化,从而提高了镜场优化设计的响应速度。采用蒙特卡罗光线追迹法建立了镜场聚光的数学模型,采用参数搜寻算法优化镜场结构,在Matlab环境下编写了镜场优化设计软件,并利用现有的西班牙PS10镜场对软件进行了验证。使用该软件设计了北京10MW塔式太阳能电站镜场,设计的年均光学效率为64.15%,与PS10镜场相近,达到国际先进水平。 展开更多
关键词 非成像光学设计 定日镜场光学效率 光线追迹法 塔式太阳能电站
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双自由曲面LED均匀照明准直透镜设计 被引量:17
9
作者 孟祥翔 刘伟奇 +3 位作者 冯睿 魏忠伦 周敏 杨建明 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第8期10-15,共6页
为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光... 为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光程条件,同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明:对1mm×1mm的白光LED芯片,84.55%的能量集中在±2°内,近场照度均匀性达到94.59%,远场照度均匀性为89.01%;当LED芯片尺寸不超过2.0mm×2.0mm时,±4°内的能量利用率大于83.5%,近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明,公差符合装配要求,光能利用率高. 展开更多
关键词 非成像光学 发光二极管 照明设计 自由曲面 几何光学
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基于双自由曲面高距高比照度均匀的光学系统设计 被引量:14
10
作者 曾翌 赵会富 段文举 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第24期128-135,共8页
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... 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。 展开更多
关键词 光学设计 发光二极管 非成像光学 照明设计 均匀照明
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基于非成像原理设计的太阳能聚光镜 被引量:13
11
作者 朱瑞 卢振武 +1 位作者 刘华 张红鑫 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第9期2251-2255,共5页
针对传统聚光系统聚光倍数较低并且需要复杂跟踪装置及机电控制的弊端,对能否实现静态大角度接收太阳光的光学聚光元件进行了研究和设计.利用非成像原理及边缘光线原理进行编程建模,设计了折射式及折反射式的太阳能聚光镜,可满足大角度... 针对传统聚光系统聚光倍数较低并且需要复杂跟踪装置及机电控制的弊端,对能否实现静态大角度接收太阳光的光学聚光元件进行了研究和设计.利用非成像原理及边缘光线原理进行编程建模,设计了折射式及折反射式的太阳能聚光镜,可满足大角度的入射及出射范围.通过光学软件ZEMAX以不同入射角度进行模拟.模拟结果表明,大角度静态接收的聚光元件是可以实现的. 展开更多
关键词 非成像光学 边缘光线原理 SMS方法 太阳能 光学设计
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板上芯片型LED光源均匀照明自由曲面透镜设计 被引量:13
12
作者 梁文跃 李远兴 +4 位作者 龙拥兵 申冬玲 茹达兴 凡利娟 谢凯彬 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2017年第1期211-218,共8页
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... 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 CXA1816COB 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1000mm、半径为1480mm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。 展开更多
关键词 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
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CPC 接收面上光强分布及其影响因素的理论和实验研究 被引量:8
13
作者 孟华 葛新石 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1996年第2期151-156,共6页
将太阳源辐射的高斯模型与射线跟踪法相结合,提出一种计算CPC聚光接受面上光强分布的新方法,并对其影响因素进行计算研究和实验验证,表明该方法切实可行。
关键词 非成像聚光器 高斯分布模型 光强分布 跟踪
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组合式发光二极管路灯反射器的设计 被引量:11
14
作者 赵亚辉 范长江 《中国光学》 EI CAS 2012年第5期520-524,共5页
设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管(LED)路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器(CPC)。基于"边... 设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管(LED)路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器(CPC)。基于"边缘光线原理"和"裁剪法",此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96%以上。理论模拟证明:在高度为10 m,范围为10 m×30 m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0.5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。 展开更多
关键词 发光二极管(LED) 非成像光学 复合抛物面反射器(CPC) LED路灯 光学设计
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非成像光学应用于LED照明的研究 被引量:10
15
作者 李澄 李农 《照明工程学报》 北大核心 2011年第5期90-94,102,共6页
本文主要研究和讨论了采用LED作为光源的照明系统的二次配光器件设计方法以及经过配光后的照度分布。在过去的五十年中,照明光学技术取得了重大的发展和进步,一些新的技术和应用逐渐出现并被应用到照明行业的各个领域,如背光照明领域、... 本文主要研究和讨论了采用LED作为光源的照明系统的二次配光器件设计方法以及经过配光后的照度分布。在过去的五十年中,照明光学技术取得了重大的发展和进步,一些新的技术和应用逐渐出现并被应用到照明行业的各个领域,如背光照明领域、户外照明领域,室内照明领域以及投影显示领域等等,而这些技术的核心问题就是如何获得预先设定形状的照度分布。与成像光学不同,照明光学系统属于非成像光学的范畴。因此,在本文中,对照明领域中基本问题的回答将从非成像光学的角度论述,这些观点包括了一些新的设计思想和设计理念,例如"边缘光线理论"、"光学扩展量守恒"、"最大收集率"等等,试图建立一个完整的应用于LED照明二次光学设计的框架。 展开更多
关键词 均匀照明 矩形光斑 LED二次光学设计 灯具设计 非成像光学
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基于球面-非球面柱透镜的圆光斑高斯光束整形 被引量:10
16
作者 常颖 王狮凌 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2018年第6期89-94,共6页
设计了一块球面-非球面柱透镜,用于将高斯圆斑整形为平顶线斑。通过编写Zemax编程语言批量添加操作数与设置默认优化函数优化结合的方法完成设计,并与性能参数相同的非球面透镜-柱透镜组进行比较,同时分析了球面-非球面柱透镜最后一面... 设计了一块球面-非球面柱透镜,用于将高斯圆斑整形为平顶线斑。通过编写Zemax编程语言批量添加操作数与设置默认优化函数优化结合的方法完成设计,并与性能参数相同的非球面透镜-柱透镜组进行比较,同时分析了球面-非球面柱透镜最后一面到像面距离的不同对线斑长宽比和平顶度的影响。与非球面透镜-柱透镜组相比,线斑尺寸相同但平顶度一般(边缘处约下降10%),在一定范围内调整最后一面到像面的距离可使平顶度变好(可达到90%),但会使长宽比变小(由88.33降至20.38)。所得结果表明,若要获得能量均匀分布的线斑,在长宽比可调整的范围内,球面-非球面柱透镜的设计可以简化光束整形系统结构,满足轻量化的要求,是一种可行的方法。 展开更多
关键词 几何光学 激光光束整形 非球面透镜设计 非成像光学系统
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一种主次镜组合LED准直照明系统设计与分析 被引量:8
17
作者 杨帆 何川 张旭升 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2018年第8期395-399,共5页
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... 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。 展开更多
关键词 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
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太阳光泵浦固体激光器的设计 被引量:7
18
作者 何建伟 赵长明 +1 位作者 杨苏辉 赵彬 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第12期1115-1117,1123,共4页
提出了一种太阳光端面泵浦固体激光器设计方案.采用成像光学与非成像光学相结合的方法,以菲涅尔透镜结合复合抛物面聚光器对太阳光进行聚焦.实验表明:设计方案可以实现对太阳光的跟踪,保证入射太阳光垂直于系统入射面,使太阳光有效会聚... 提出了一种太阳光端面泵浦固体激光器设计方案.采用成像光学与非成像光学相结合的方法,以菲涅尔透镜结合复合抛物面聚光器对太阳光进行聚焦.实验表明:设计方案可以实现对太阳光的跟踪,保证入射太阳光垂直于系统入射面,使太阳光有效会聚于激光工作物质.分析激光器各能量转换环节,讨论了影响太阳光到激光能量转换效率的影响因素. 展开更多
关键词 太阳光泵浦固体激光器 菲涅尔透镜 非成像光学 复合抛物面聚光器
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用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计 被引量:7
19
作者 李登高 殷松峰 +3 位作者 凌永顺 杨华 解震 吴晓迪 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第4期85-90,共6页
为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过... 为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义. 展开更多
关键词 自由曲面 均匀照明 优化设计 扩展光源 非成像光学 均匀度 偏微分方程 TracePro仿真
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基于半导体激光器的线性整形自由曲面反射镜设计 被引量:7
20
作者 唐舰 杨波 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期67-72,共6页
在许多测量系统以及激光焊接的系统中,拥有一字线图案的激光器发挥着重要的作用。为了提高传统一字线激光器光学系统的光能利用率和改善光学照明效果,研究设计了一种自由曲面反射镜,使得光线在细线的宽度方向准直出射,在长度方向以大角... 在许多测量系统以及激光焊接的系统中,拥有一字线图案的激光器发挥着重要的作用。为了提高传统一字线激光器光学系统的光能利用率和改善光学照明效果,研究设计了一种自由曲面反射镜,使得光线在细线的宽度方向准直出射,在长度方向以大角度扩散,同时也保证照度均匀性。通过建立自由曲面模型、构建偏微分方程,得到自由曲面点云的数值解,从而拟合得到自由曲面面型。仿真结果表明,发散角在高达150°时,照度均匀性高达90%,在不考虑反射率损失时能量利用率在99%以上。 展开更多
关键词 光学设计 自由曲面设计 一字线图案 非成像光学 点云 照度 半导体激光器
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