光學自由曲面設計方法及應用研究.pdf

1、光學自光學自由曲面由曲面設計設計方法及應用方法及應用研究研究StudyonDesignApplicationofFreefmOptics一級學科：儀器科學與技術學科專業(yè)：儀器科學與技術作者姓名：程穎指導教師：房豐洲教授天津大學精密儀器及光電子工程學院二零一三年六月I摘要光學自由曲面面型復雜、可控制自由度多，能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學面型不能實現(xiàn)的光學映射關系，但是由于自由曲面面型的特殊性，目前光學領域并沒有提出一種普遍適用的自由曲面設計方法。因此，

2、其設計方法的研究已經(jīng)成為光學自由曲面發(fā)展的重要領域。隨著超精密加工技術的發(fā)展，光學自由曲面的加工已成為可能，且在航空、醫(yī)療、民用、軍事上都有越來越廣泛的應用。本文研究了光學自由曲面設計方法，并就其典型應用開展了深入研究。對不同應用需求使用相應的自由曲面設計方法，完成了光學自由曲面在成像和非成像中的典型應用實例，主要內(nèi)容如下：1.基于對現(xiàn)有光學自由曲面設計方法（SMS法和微分法）的研究，提出了一種三維自由曲面設計方法，即三維幾何構(gòu)造法，同

3、時保證了光學要求和曲面光滑性的要求。并利用幾何構(gòu)造法設計了LED二次光學元件，驗證了設計方法的正確性；2.研究了光學自由曲面在典型非成像光學系統(tǒng)聚光光伏中的應用，采用幾何構(gòu)造法設計完成了三種類型聚光鏡，完成了相應的超精密加工和光學實驗。設計的Fresnel聚光鏡可實現(xiàn)對任意大小光斑的會聚，二級聚光鏡可有效提高到達電池片太陽光的均勻性；3.基于聚光光伏系統(tǒng)的超薄輕型化設計需求，提出了一種超短聚焦聚光鏡的新型設計方法，采用微分法和幾何構(gòu)造法

4、相結(jié)合，并利用透鏡陣列和自由曲面反射鏡實現(xiàn)對光線的精確控制，將太陽能電池放置在聚光鏡側(cè)面，大幅度的降低聚光模組的整體厚度，可實現(xiàn)聚光鏡的輕薄化；4.為驗證設計的聚光鏡的性能，開展了太陽模擬器的研究，設計了由兩片自由曲面反射鏡組成的太陽模擬器，完成了反射型自由曲面陣列積分鏡的設計和加工，實現(xiàn)了對入射光能量的均勻化作用；5.研究了自由曲面在成像光學系統(tǒng)中的應用，利用三維幾何構(gòu)造法和光學仿真軟件相結(jié)合，解決了成像光學系統(tǒng)中復雜自由曲面面型的設