针对现有植物灯照度均匀性不高和效率低下的问题，本团队设计了一种LED鳞甲透镜植物灯。首先研究了红光和蓝光LED的配比和排列方法，采用9点法进行光谱测量，研究了光谱分布的均匀性；然后根据光学原理和非成像光学原理设计了一款鳞甲透镜，利用鳞甲透镜的鳞甲弧度将LED发出的光线均匀化，增加光线的耦合程度，进而提高出光面的光学效率和均匀性；最后将14颗1 W三星3535蓝光LED灯珠(型号为LH351H 450 nm L4A4B)和70颗1.6 W三星3535红光LED灯珠(型号为LH351H 660 nm V2 E7W410)作为植物灯光源，在尺寸为380 mm×220 mm的植物灯中均分为7行，每行12颗LED，通过TracePro软件进行仿真实验。仿真结果表明，当红光与蓝光光子数比8∶1时，红光LED和蓝光LED均匀排列方式的光谱均匀性优于蓝光LED均分两列排列方式的光谱均匀性。最后制作LED植物灯，整灯测试结果表明，当鳞甲透镜长为22 mm，宽度为16 mm，最大高度为6.68 mm，内表面的底面直径为6.26 mm，内表面高为2.98 mm，鳞甲凸起高度为0.1 mm，鳞甲宽度为0.35 mm，两个LED中心列间距为25 mm时，植物灯的光束角为90°，接收面距植物灯出光面0.5 m，在500 mm×500 mm的照明区域上可以得到光量子通量密度(PPFD)均匀性为93.12%、光学效率为90%的植物照明面光源。

研究了一种用于塑料光纤阵列等距V形槽散射点加工方法。提出一种重力微压刀刻技术,理论分析了散射点光散射率与提供重力的砝码质量的关系。结果表明:V形槽散射点的光散射率随砝码质量的增大呈3/2幂指数增加。通过建立等距散射点均匀发光模型,理论推导了加工时各散射点所需的砝码质量计算公式。实验验证了V形槽散射点的光散射率与砝码质量的关系并得到了它们的关系曲线。采用通过砝码质量计算公式得到的参数,制作了亮度均匀度高于85%的单根等距散射点侧面发光塑料光纤,以及尺寸为180 mm×101 mm的等距散射点塑料光纤阵列背光板,亮度均匀度为90.9%。实验结果证明了重力微压刀刻技术制备塑料光纤阵列等距V形槽散射点的可行性。

为了克服指向光源裸眼三维显示器光源结构复杂的问题,研究了一种侧面发光塑料光纤(POF)阵列背光源的设计和制作方法。通过分析侧面发光POF阵列和柱面微透镜阵列组成的定向成像光路,得到了侧面发光POF阵列的排布公式。实验制作了一种用于指向光源的侧面发光POF阵列,测量了指向光源的串扰度。结果表明,在设计的视区最佳距离530 mm处,横向-200~200 mm区域内的最低串扰度可达1%以下。最后分析了柱面透镜像差、POF阵列光纤错位和视区视角增大对POF阵列指向光源串扰度的影响。

研究了一种侧面均匀发光聚合物光纤(POF)的制备方法,采用激光打标技术在POF侧面制作变栅距(VLS)光栅型散射点,建立了激光打标VLS散射点模型,该模型由深度很浅的表面凹坑和纤芯内分布着散射颗粒的散射区组成。理论推导出散射点相对散射光功率和VLS栅距的计算公式,分析了散射点的散射光功率随凹坑深度和颗粒密度的变化规律,以及不同散射点凹坑深度和不同POF侧面发光相对出射度下VLS栅距的分布规律。结果表明散射点凹坑深度的微小变化(微米量级)对散射点的散射光功率和VLS栅距的影响很大。当散射颗粒密度N<10 ⁵ mm ^-3时,散射点散射光功率变化不大;但是当N>10 ⁵ mm ^-3时,散射光功率变化明显。理论计算了不同散射点凹坑深度和不同相对出射度的VLS栅距分布曲线,并且通过实验验证了理论结果的正确性。通过调节激光打标功率,实验得到了亮度均匀度高于90%的侧面发光POF。

设计并研究了一种采用激光打标机在塑料光纤(POF)表面雕刻散射点的侧面均匀发光光纤，可用作自由立体显示器的定向背光光源。通过建立激光打标凹形散射点的POF均匀发光模型，推导了POF均匀发光的散射点坐标计算公式。针对设计的凹形散射点参数，用SolidWorks软件构建侧面发光光纤模型，用TracePro软件进行光线追迹仿真。结果表明，散射点长度半圆心角(用于表征凹形散射点的深度和横向长度)的微小变化对发光亮度均匀度影响较大，而凹形散射点轴向宽度的微小变化对POF侧面发光均匀度影响很小。对各参数进行设计优化后，得到POF半径R=0.25 mm，凹形散射点宽度d=0.15 mm，散射点长度半圆心角θ=15°，POF长度L=600 mm，TracePro软件仿真得到POF侧面发光亮度均匀度为87.5%。根据设计优化后的参数采用激光打标机进行激光雕刻POF表面散射点，得到单根POF的侧面发光亮度均匀度为80.90%。将100根侧面发光POF紧密排布成面光源，得到面光源发光亮度均匀度为88.91%。实验结果表明所提出的设计方法和制作的POF面光源能满足自由立体显示器指向性背光源设计的要求。

为了解决现有照明光纤束的发光二极管(LED)透镜耦合器的厚度和均匀性问题,根据菲涅耳光学理论和全反射原理设计了一款新型菲涅耳透镜耦合器。利用菲涅耳旋转曲面和自由曲面全反射旋转面,将LED朗伯光源发出的光束整形得到平顶光束,再耦合到光纤束中实现均匀照明。采用1 W的3535白光LED作为光源,在TracePro软件中对所设计的菲涅耳透镜耦合器模型进行光线追迹仿真。结果表明,当菲涅耳透镜最大直径为14.9 mm、厚度为7.8 mm、输出光束发散角度为60°时,在耦合距离为2 mm的接收屏上得到直径10 mm、照度均匀性达92%的均匀光场。

研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法,基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。

头戴显示器光学系统由于焦距短、视场大而容易产生图像畸变。提出了一种头戴显示器的图像畸变测量方法，采用单位矩阵的傅里叶变换图像作为标准测试图形，应用傅里叶变换分析了头戴显示器光学传递函数与测量图像球面化畸变的关系，得到了形状不变的关系曲线。实验测量了5种头戴显示器的图像球面化畸变，得到的负球面化枕形畸变范围为-22%~-65%。结果表明：头戴显示器的球面化图像畸变量CVR与方格成像实验的畸变量D具有一定的线性关系，且球面化图像畸变量CVR的测量简单，能体现头戴显示器的整体图像畸变程度。该研究结果对头戴显示器的图像显示质量测量具有一定的参考价值。

设计了一种用于裸眼3D显示屏的低串扰新型双面柱透镜光栅板, 光栅板的入射面为等间距排列的与显示器子像素数量相同的凹形自由曲面光栅结构, 出射面为斜置的凸形自由曲面光栅结构.根据裸眼3D显示原理和几何光学原理推导了双面光栅板的光栅单元自由曲面设计公式和光栅参数计算公式.通过MATLAB编程计算和SolidWorks软件建模得到光栅板模型.用TracePro软件对所设计的光栅板模型进行光线追迹仿真, 结果表明: 参数优化后的6视点斜置柱透镜双面光栅3D显示在最佳视角的图像串扰度为0.068%, 与传统6视点斜置柱透镜光栅的最佳视角图像串扰度相比降低了2个数量级, 并且在观看距离2 000 mm~3 000 mm 范围内图像串扰度基本不变.

研究了一种采用蝶形液晶开关获得柱透镜式定向背光横向平顶光束的原理和方法，在广义惠更斯-菲涅耳衍射积分理论的基础上，推导出以蝶形液晶开关单元为光源的光束经柱透镜后的衍射光场分布表达式；将蝶形液晶开关单元置于柱透镜的物方焦平面上，利用MATLAB编程模拟不同焦距柱透镜下的横向光场能量分布曲线，并分析了蝶形参数对横向光场能量分布的影响。结果表明，随着蝶形参数减小，横向衍射光场能量均匀度先增大后减小，存在一个蝶形参数值可使能量均匀度达到最大值。