Mini-LED背光能够通过精细化的分区实现局域动态调光, 是当前液晶背光技术的研究热点。为揭示Mini-LED背光不同的调光单元形式对背光模组的光学性能和系统架构产生的不同影响, 本文建立了Mini-LED背光模组区域调光单元的3种不同的光学模型, 即直下式调光单元、侧入式调光单元, 以及本文提出的角入式调光单元。通过对不同结构的Mini-LED发光源光学模型进行光学建模和仿真追迹, 对调光单元进行了出光均匀性和光线利用率的对比。结果表明, 角入式调光单元在未添加光学膜片的情况下, 出光均匀性为67.27%且光线利用率为86.67%; 在添加光学膜片的情况下, 出光均匀性为84.70%且光线利用率为92.10%。与传统侧入式调光单元和直下式调光单元相比有不同程度的提升。本文结果对Mini-LED背光单元设计具有重要的理论指导意义和应用价值。

采用IES TM-30-18色域指数表征LED光源的色域面积,并对4种色温下的20个样品光源光谱进行间隔为5nm的380~780nm波段的单色光光谱叠加仿真,计算色域面积的变化。结果表明:在各样品光源光谱上叠加380~465nm或605~780nm波段的单色光后,光源色域面积增大;叠加470~600nm波段的单色光后,光源色域面积减小。对叠加的光谱采用灯箱匹配并进行色彩鲜艳度与偏好的视觉实验,结果表明,色域面积增加的光谱的色彩鲜艳度与颜色偏好优于色域面积减小的。同时叠加两个不同峰值波长且不同幅值功率的单色光时,光源的色温基本不变,且色域面积增加2~10。对叠加单色光后的光源光谱进行仿真,得到了光谱分布与色域面积的关系,这对于优化LED光源的色域面积和视觉效果有重要意义。

依据几何光学和非成像光学理论，提出了一种基于大尺寸近焦点非球面透镜的大功率LED均匀光源设计方法。在该方法中，首先根据选定参数的LED通过几何光学理论初步设计非球面透镜参数，然后在ZEMAX软件中对非球面透镜参数进行基于评价函数的优化，得到焦距76.79 mm、直径为200 mm的非球面透镜。将非球面透镜导入TRACEPRO软件建模并进行光线追迹仿真，根据仿真结果获得最优透镜参数进行加工和下一步实验。实验结果表明：均匀照明系统可以在60 cm处实现发散角±8.53°的均匀照明，光斑均匀性达到95.82%。

设计了一种基于大功率高光密度发光二极管(LED)光源的投弹照明灯。基于非成像光学理论,利用ZEMAX软件建立了以大口径高透过率菲涅耳透镜为核心元件的准直光学系统。利用焦距为1500 mm的柱面菲涅耳透镜对准直光束进行一维方向的扩散,再将灯具以6.85°的倾斜角度照射靶面,实现了大面积光斑照明。利用TracePro软件进行仿真分析,得到光斑水平方向和垂直方向的发散角分别为18.1°和2.46°。样机在靶标上投射出一个清晰、对比度高的类椭圆形亮斑,中心最大照度可达110 lx,能够满足战斗机夜间投弹训练的要求。

首次使用了离散傅里叶方法数值分析局域空心光束。用离散傅里叶方法描述单色平面波产生局域空心光束(bottle beam)的光强分布, 引入色散公式使得一定频谱宽度的LED光源同样适用。讨论抽样要求并对变量进行离散化, 导出LED产生bottle beam的离散化傅里叶公式。最后代入相关参数并用MATLAB进行数值模拟, 得到了在不同距离处光束的强度分布。设计实验进行验证, 实验结果表明: 使用LED也能够产生高质量的bottle beam。数值模拟与实验结果基本吻合, 证明了采用傅里叶方法可以精确地分析非相干光源产生bottle beam, 并且相较于传统的标量衍射理论, 它更加简洁、快速, 是研究bottle beam的一种全新又可靠的方法。

利用非相干蓝光LED 和轴棱锥-透镜系统直接产生局域空心光束，证实了非相干光源通过轴棱锥-透镜系统可以得到局域空心光束。利用衍射理论和多波长叠加原理分析了具有一定频宽的部分相干光入射轴棱锥-透镜系统后的光场分布，并模拟了光束传输变换过程的三维光强分布及不同位置处的截面光强分布。实验采用蓝光LED结合轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束，利用体视显微镜对不同位置处的光束截面光强分布进行记录。实验结果与理论分析相吻合，研究结果扩展了LED 的应用，对粒子囚禁、原子冷却具有一定的指导和现实意义。

基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想, 结合复合抛物面聚光器和轴对称自由曲面透镜, 设计并研制了大功率发光二极管扩展光源的反射/折射准直器.运用Tracepro软件对系统进行光束追迹模拟仿真和实验, 研制出均匀光斑的光辐射模拟器.模拟器输出发散角为±12°光束, 测量距离出射面50 cm处光屏的光斑, 在尺寸为14 cm× 14 cm的光照范围内, 测得光斑水平方向中心线上的光度均匀度优于4.1%, 竖直方向中心线上的光度均匀度优于3.8%.

基于部分相干光理论研究了非相干单色LED光源的空间相干特性对无衍射Bessel光束形成的影响。部分相干光经过轴棱锥，光强分布函数中出现了高阶的Bessel函数项，其光强为各阶Bessel函数的线性叠加。数值模拟了部分相干光通过轴棱锥后的光场分布，发现空间相干长度越小，高阶项造成的影响越大，所形成的光束与理想Bessel光束的差异越明显，暗环处光强不再为零，截面光强分布图越模糊。通过一套可调控光束空间相干长度的实验室装置，产生了较为理想的Bessel光束，实验结果与理论模拟相符。