1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心,上海 201800
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国-俄罗斯激光科学“一带一路”联合实验室,上海 201800
激光干涉仪中光学元件表面划痕和灰尘等会在干涉图中形成衍射环状相干噪声,极大影响测量精度。为了消除此类相干噪声,提出了一种基于多模光纤耦合角度变化的扩展光源方法,控制平行光束经过旋转毛玻璃耦合进入多模光纤的角度,达到抑制散斑和相干噪声的效果。通过理论推导和仿真模型构建,基于纤芯直径为1 mm的多模光纤扩展光源,在直径为25.4 mm的泰曼-格林干涉仪上进行了实验验证。结果表明:通过改变入射角度可以控制扩展光源的形态,在-3°~2°的入射角度范围内,干涉仪的信噪比最大值与正入射时相比提高了40.3%,此时入射角度处于纤端光斑形态发生变化的临界角度与正入射角度中间,且该临界值与理论推导和仿真结果一致。实验证明了所提方法可以抑制干涉仪的相干噪声。
光纤光学 干涉测量 扩展光源 相干噪声 信噪比
中国计量大学光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018
提出一种基于双自由曲面的均匀照明设计方法,根据几何光学理论和能量映射关系,设计了距高比为1的双自由曲面透镜。通过将扩展光源和透镜表面离散化,对扩展光源进行反向追迹构建新的双自由曲面。借助光学仿真软件模拟了光学性能,结果表明:在距离光源1000 mm处的目标面实现了半径为1000 mm的均匀圆形照度分布,照度均匀度达92.3%,该方法有效提升了基于扩展光源的目标面的照度均匀性,设计过程无需对自由曲面反馈优化,大大缩短设计时间,过程简易方便。
光学设计 扩展光源 自由曲面 均匀照明 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1922001
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
激光干涉仪中光学元件上的瑕疵、气泡和脏点等会在干涉图中引入类似“牛眼环”的相干噪声。为解决这一问题,提出一种基于多模光纤扩展光源的相干噪声抑制方法。该方法利用扩展光源抑制相干噪声,选择最优多模光纤纤芯保证良好的干涉条纹对比度,并使用复合散斑抑制技术,通过多模光纤和旋转毛玻璃减小散斑对比度,抑制多模光纤模式干涉产生的散斑噪声。在直径为300 mm的干涉仪中进行了仿真分析与实验验证,结果表明:在直径为300 mm的菲佐立式平面干涉仪,腔长为500 mm,相机曝光时间为5 ms的条件下,将该光源系统中多模光纤纤芯直径范围控制在0.52~1.70 mm范围内,可以保证干涉条纹对比度大于0.75;干涉仪最终成像的散斑对比度维持在0.04左右,最小可以达到0.044;多模光纤扩展光源进一步提高了光源的均匀性,干涉仪中成像背景更均匀。实验证明了所提方法可以有效抑制干涉图中的相干噪声。
光纤光学 干涉测量 菲佐干涉仪 扩展光源 相干噪声 散斑 信噪比 光学学报
2022, 42(19): 1906001
1 长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
2 中国科学院深海科学与工程研究所,海南 三亚 572000
为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题,根据非成像光学边缘光线理论,提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布,根据设计目标参数,计算内外自由曲面离散点,拟合内外自由曲面的轮廓曲线,得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下,利用此方法,经过数值计算以及光学仿真,设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%,照度均匀度为95.81%;远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%,照度均匀度为93.45%。研究结果表明,所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。
光学设计 扩展光源 非成像光学 双自由曲面透镜 均匀照明 光学学报
2022, 42(15): 1522001
1 江南大学理学院,江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122
提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法,该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面,对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子,对加权之后的自由曲面进行叠加,叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化,获得最优权重因子,使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控,模拟结果表明,使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%,比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。
光学设计与制造 发光二极管 扩展光源 自由曲面 面形加权叠加 粒子群算法 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1122003
1 南通大学 理学院 物理系, 江苏 南通 226019
2 南通大学 化学化工学院 化学系, 江苏 南通 226019
针对LED扩展光源, 采用双向反馈网格法设计了自由曲面透镜。划分光源和目标面的能量网格, 通过对每一条迭代曲线建立反馈系数, 对网格点进行修正并建立新的映射关系, 设计了两个目标面中心无光照度的自由曲面透镜。将设计的自由曲面透镜用蒙特卡罗方法对不同尺寸的LED扩展光源进行了模拟仿真。结果表明, 对于尺寸在4mm×4mm以下的LED扩展光源, 所设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度和光能利用率均能达到90.5%以上, 适用于道路照明等场合。
LED扩展光源 自由曲面透镜 迭代 反馈系数 均匀度 LED extended light source freeform lens iteration feedback coefficient uniformity
1 北方民族大学电气信息工程学院,宁夏 银川 750021
2 合肥工业大学机械工程学院,安徽 合肥 230009
3 中国科学技术大学物理学院,安徽 合肥 230026
在理论上,全内反射透镜可对所有光线进行收集,因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构。利用光学软件进行仿真和实验测试,分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性,包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率,并揭示了出射光束发散特性的决定机制。研究发现:与同口径平凸准直透镜的配光效果相比,全内反射透镜的光通量利用率提升显著,但出射光束发散角也明显增大,使得二者出射光束光强无明显差别;且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同,故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差。
几何光学 二次光学设计 扩展光源 准直照明 全内反射 照明特性 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2108001
1 北方民族大学电气信息工程学院, 宁夏 银川 750021
2 合肥工业大学机械工程学院, 安徽 合肥 230009
扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性决定了其极限照明距离的大小。基于费马原理,给出了平凸准直透镜面型的解析表达式,根据成像光学相关理论推导出扩展光源条件下准直照明系统中出射光束发散角的计算公式,并进行了模拟仿真和实验验证。研究发现扩展光源准直照明系统中出射光束的发散角与光源发光区域的尺寸成正比,与准直透镜的焦距成反比,与透镜口径无关。该结论可为扩展光源准直照明系统出射光束发散角的压缩和极限照明距离的拓展提供理论依据,对探照类灯具研制中光源的选择、准直配光透镜的设计有指导意义。
光学设计 扩展光源 准直照明 发散特性 激光与光电子学进展
2020, 57(15): 150801