自由曲面在非成像光學以及成像光學中的應用研究.pdf

1、隨著全球經濟和人類社會的快速發(fā)展，人類在尋找可再生能源技術的同時也希望儀器設備朝著小型化、輕量化、微型化以及節(jié)能化發(fā)展。光學自由曲面靈活的空間布局和極高的設計自由度，能有效地簡化光學系統(tǒng)結構并提高光學性能，在照明領域、新能源領域和成像光學系統(tǒng)中均有良好的應用前景。
　　首先，本文在研究自由曲面在照明應用的基礎上，根據幾何體光學特性，首次提出了采用橢球體構建自由曲面的一種算法來實現(xiàn)均勻照明和特定形狀的照明。通過求解幾何體方程得到自由

2、曲面的離散數(shù)據點，并建立優(yōu)化算法模型，得到目標面得到離散點照度分布。為快速獲得連續(xù)的照度分布，提出一種輪廓法的設計思想，從能量守恒定律和反射定律出發(fā)，通過求解方程組得到橢球面邊緣輪廓，并借助二分法優(yōu)化橢球焦參數(shù)保證了橢球面的曲面連續(xù)性，該方法極大提高了自由曲面反射器的設計效率。在此基礎上提出了一種基于擴展光源的自由曲面橢球反射器設計方法，該方法包括兩個優(yōu)化步驟:第一個優(yōu)化步驟用于獲得較均勻的離散點光斑;第二個優(yōu)化步驟用于實現(xiàn)連續(xù)照度分布

3、的照明光斑。
　　其次，為實現(xiàn)太陽能輻射在光伏電池表面上均勻照射，論文根據幾何光學原理（邊緣光線原理、光線可逆原理、費馬原理），首次提出一種基于復眼原理設計的太陽能聚光器，無需優(yōu)化或者求解偏微分方程，這種結構可有效改善光伏電池均勻性，增加太陽光接收角，提高跟蹤器的容差。同傳統(tǒng)型菲涅爾聚光器相比較具有較好的光學性能。
　　第三，論文針對傳統(tǒng)菲涅爾聚光器在折射界面上散射損失、吸收損失以及菲涅爾損失等缺點，首次基于棱鏡偏移原理提出

4、了一種無需二次光學元件的復合型菲涅爾聚光器系統(tǒng)。這種結構更加緊湊的復合型菲涅爾聚光器克服了現(xiàn)有菲涅爾聚光器均勻性低等缺點，同時大大提高了太陽能聚光效率，降低了聚光系統(tǒng)的成本。
　　第四，論文突破傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)設計理論和方法，將反射式自由曲面引入到光學成像系統(tǒng)的設計中。首次根據出瞳主光線角度與屏幕的映射關系，利用微分原理得到自由曲面反射器初始結構，并采用奇次多項式擬合自由曲面反射器，最終將自由曲面反射器與折射透鏡相結合實現(xiàn)軸上和離