金属是组成超材料的重要成分, 因此确定金属的表面二阶非线性系数对超材料非线性的研究十分重要。使用高灵敏度的光谱仪测量倍频信号, 通过二阶非线性系数已知的石英晶体的Maker条纹对采集信号定标。实验上使用波长为800nm的飞秒激光为光源, 系统地测量了入射角10°到80°范围内, 不同偏振的飞秒激光入射到基于真空气相沉积镀制的35nm金薄膜上产生的倍频光强度, 从而确定金膜的三个二阶非线性系数。实验测量数据与理论拟合一致。

为了提高皮革缺陷检测效率, 提出了一种基于改进双边滤波的皮革缺陷检测算法。通过搭建机器视觉检测平台, 完成不同种类缺陷的皮革样本的图像采集, 采用改进的双边滤波算法处理样本图像, 模糊皮革背景纹理并保留缺陷边缘轮廓, 在此基础上, 计算各类缺陷的4种特征参量作为输入向量, 构建了最小二乘支持向量机自动识别模型。结果表明, 与聚类分析算法、阈值分割法和小波分析法相比, 本文中采用的算法能更高效地检测出皮革多种缺陷, 检测平均用时0.83s,缺陷检测准确率为93.3%。此研究结果为皮革的实时检测提供了有效途径。

为了研究CO2激光损伤后熔石英玻璃内部的三维应力场分布,采用脉冲CO2激光与熔石英玻璃相互作用的有限元数值模型,计算了脉冲激光停止时熔石英玻璃内部的温度分布,并研究了材料冷却后的内部三维应力分布和表面初始损伤形貌,计算结果与实验结果吻合。以该模型为基础,详细分析了径向和环向应力的三维分布,结果表明,在损伤凹坑附近,径向应力表现为压应力,且在凹坑底部附近取得最大值后,径向应力沿深度方向逐渐转化为拉应力;损伤凹坑附近的环向应力与径向应力相似,均表现为压应力,但压应力沿径向逐渐转化为拉应力,不同深度处的环向应力沿轴向增至最大后逐渐减小。另外,脉冲激光能量的增大导致径向应力与环向应力及其影响范围均有明显增加。研究结果有助于分析激光损伤熔石英玻璃内部的三维应力场,为CO2激光修复工艺的改进提供了理论依据。

理论上给出了一种计算任意厚度、不同切向石英晶体Maker条纹的方法。通过晶体坐标系和实验室坐标系的对应关系, 计算出X,Y,Z三种切向石英晶体的有效二阶非线性系数, 从而得到它们的Maker条纹。结果表明X切石英晶体为第一类Maker条纹, 而Y切和Z切石英晶体为第二类Maker条纹。实验上使用波长为800 nm的飞秒激光为光源, 分别测量了入射角-60°到60°范围内, 相同厚度三种切向石英晶体的Maker条纹。实验测量和理论计算的Maker条纹结果基本一致。根据实验测量X,Y,Z切石英晶体Maker条纹的最大值计算出的二阶非线性系数分别为0.3875pm/V、0.2969pm/V、0.2946 pm/V和0.3268pm/V。

导光板的网点结构会直接影响背光模组的均匀性和亮度, 不同的加工方法也会产生不同的网点结构。激光加工热压成型的导光板散射网点, 因结构极其复杂, 难以用光学设计软件直接进行仿真设计。提出基于仪器采集的网点表面信息, 采用多个软件联合建模的方法, 构建出一个可直接用于导光板仿真设计的网点模型。利用此网点模型优化设计背光模组, 加工成产品测试发光均匀度达到88.8%, 与仿真结果吻合。研究结果解决了企业以往只能依靠多次加工实验对导光板进行优化设计的问题, 极大地减少研发时间, 节省了生产成本。

导光板(LGP)网点的散射能力直接影响了背光模组的光能利用率和网点密度,快速选出最佳网点结构对企业生产非常重要。提出了用LGP网点散射效率评价网点有效导光能力的方法,基于企业已量产的LGP网点密度档,分别从理论和实验分析了网点倾角对散射效率的影响,并将获得的最佳网点结构应用于实际加工。结果表明,该方法能给出网点散射效率与光能利用率、有效发光面积和网点密度的关系,并得到光能利用率最大时对应的倾角范围为25°~60°,在该范围内网点散射效率与倾角呈正相关。以散射效率较高的网点对LGP重新进行均匀优化设计,发现网点数量可减少60%,光能利用率仅降低2%,且LGP实际加工效果与仿真结果相吻合。

提出了一种曲面LED阵列设计方法。根据光线叠加原理,将LED排列在自由曲面上,通过曲率控制LED的出光角度。基于LED曲面阵列离轴照度分布的解析式,引入了基于模拟退火的粒子群优化算法,设定约束条件,构建均匀度评价函数,优化了LED曲面阵列的数值模型。制作出实物光源进行照度测量与缺陷检测。理论模拟和实物检测结果均显示,倾斜角度为45°,目标面与发光面面积比值为1∶0.85和1∶4时,照度均匀度分别达到91.79%和98.4%。在皮革缺陷检测中的结果表明,采用LED曲面阵列光源可凸显特定缺陷,易于图像处理,能快速准确地识别缺陷。

为实现对导光板发光质量快速、精准的评判,找出亮度差异较大的区域进行优化设计,提出了一种新的基于图像处理技术的导光板优化设计方法,深入研究了导光板发光质量的评判标准。以灰度直方图表征光能分布,进而给出均匀度的评判公式,提出了均匀度评判精度P的概念,并且通过编程给出离散灰度级所对应的网点位置,从而实现精准优化。以184 mm×314 mm×0.55 mm的导光板为例进行仿真验证,针对优化过程中三个不同阶段的照度图,基于灰度直方图对其进行评价分析,给出了均匀度与精度的变化关系,并与现有评价方法作了比较。结果表明:以精度为前提的灰度直方图评判法能定量、客观、全面地评价导光板的发光质量,避免了现有评价法可能出现的偶然性偏差,同时提升了导光板的优化速度、精度;比较优化前后的导光板,其均匀度可提升64%,随着优化的递进,TracePro软件和九点法存在的偶然性误差逐渐减小,三者的评判结果趋于一致。

为了获得LED扩展光源大角度均匀照明, 采用双自由曲面, 设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散 , 根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型, 通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统, 均匀度和光效分别为88.12%和84.54%, 照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在［0, 0.3mm］内, 均匀度及光效分别在85%及84%以上, 纵向安装位移误差在［-0.04mm, 0.05mm］, 均匀度及光效均在82%以上。