人乳头瘤病毒 (HPV)基因芯片检测装置可读取与分析 HPV芯片的杂交点信号值, 进而区分不同的 HPV病毒类型, 而检测装置照明的均匀性关系到 HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明, 优化了矩形 LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先, 分析单个 LED灯珠的辐射强度分布, 建立矩形 LED阵列的理论模型; 然后, 在仿真软件中建立 4行 8列的矩形 LED阵列模型; 最后, 搭建 HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明, 该照明系统能使 70 mm×20 mm的目标被照面的灰度均匀度达到 95.6%, 满足了 HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。

为了弱化或消除LED失效对均匀性的影响, 提出了一种基于复眼透镜的匀化光斑整体累加方案.该方案先对单颗LED进行匀化设计, 再通过LED位置误差研究推广至LED阵列, 实现每颗LED在曝光面上均能产生相同大小的匀化光斑.然后利用软件进行仿真, 设计了一款曝光光源, 并搭建了相应实验平台.该光源最大辐照度值为18.2 mW/cm2, 均匀性为86.9%, 完全满足实际曝光指标.在此基础采用遮挡光源的方式模拟不同位置的LED失效, 进行了辐照度均匀性实验.结果表明, 少量LED失效对辐照度均匀性的影响在1%以内, 甚至LED阵列接近一半失效时均匀性仅下降5%.该设计方案可长期维持辐照度均匀性, 更适用于实际生产.

为构造大功率LED激发Cy3/Cy5荧光染料的均匀面照明系统,选择单芯大功率LED芯片PT54TE设计了红绿双通道匀光照明阵列。首先通过分析单芯大功率LED芯片PT54TE辐射强度的分布,建立大功率LED环形照明阵列的模型;然后为提高光线利用率,在LED外侧建立柱面镜反射结构,并通过斯派罗法则求解该结构的参数;最后由Tracepro仿真验证。研究表明,分别由4颗红/绿PT54TE构成的环形阵列在目标平面(30 mm×30 mm)内的光照均匀度大于95.4%,光通量大于700 lm,比未配置柱面镜反射结构的环形阵列的光通量至少提高了52.5%。

为实现曝光系统均匀照明的目标，基于非成像光学，提出了一种阵列型模组的匀光照明系统优化设计方法。该方法首先通过对单模组的光学设计，实现半发散角度和阵列间距的初步计算，然后通过TracePro软件的Scheme宏语言和优化引擎相结合，实现对模组阵列间距的进一步优化，从而实现对整个光学系统的均匀照明设计。光源采用日亚紫外LEDSTS-DA1-2394E，阵列模组个数为5，阵列纵向间距为28 mm，横向间距为24 mm。该光学系统通过TracePro软件模拟仿真和实验结果表明：在距光源300 mm的距离处，可实现目标面积上的均匀照明，其非均匀性均小于5%，准直角度约为4°。

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题，基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式，对单颗LED 设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明；推导阵列均匀照度分布条件并利用TracePro 软件进行优化，确定阵列最优间距；最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布，每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明，光源的发光角度小于±10°，在距光源170 mm 的照明面上，平均照度大于45000 lx，非均匀性3.8%，均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。

从非成像光学理论出发，提出了一种新的实现自由曲面透镜的局部优化设计方法。初始模型采用规则的二次曲线代替自由曲线，通过对TracePro软件中的Scheme编程语言和优化引擎的结合使用，对匀光透镜进行局部优化设计，最终实现了LED均匀照明。结果表明：当光源为1 mm×1 mm朗伯体发光的LED时，可以在1 m处实现发散角为±15°内的均匀照明，光能利用率达到80.89%，均匀性达到95%以上。与目前通用的全局优化方法相比较，在视场角和均匀性方面有明显的改善。此方法还有过程简单、对初始模型要求较低和通用性好等特点。