计算机辅助光学的设计-PPT.ppt

1、这和里谐开照始明从本课程由三部分组成：一、非成像光学二、产品设计与开发三、成像光学一、非成像光学 传统几何光学是以提高光学系统的成像质量为研究宗旨的学科，它所追求的是如何在焦平面上获得完美的图像。就传统光学系统会聚光的性能而言，任何利用成像原理聚光的系统，由于像差的存在，聚焦位置会产生一定的弥散斑，因此无法达到理论上的聚光能力。因此，在各类要求纯聚光的应用领域，比如太阳能集光领域和高能物理领域，最先出现了非成像光学的应用。即非成像光学应用于主要目的是对光能传递的控制而非成像的系统中，非成像光学需要解决的两个主要问题是使传递能量最大化并且得到需要的照度分布。这两个设计领域通常被简单的称为集光和照

2、明。1.CPC聚光（compound parabolic concentrator）即第一个非成像聚光器漏斗形的反射器，这个漏斗状反射镜的研制成功标志着非成像光学的诞生。根据CPC的聚光示意图知光线从较大的入口处进入聚光器，经过内壁的多次反射之后从一个较小的出口处出射，这一光线的传播过程破坏了光源的任何成像，仅考虑实现光线的最大会聚效率，实现了聚光。起初因为聚光器的应用非常狭窄，并没有商业化和潜在的市场，所以没有引起人们的注意。直到70年代中期，开发新能源运动的展开使太阳能的利用被人们所重视，开始意识到非成像聚光器在航空航天和太阳能上的巨大潜力，纷纷投入这方面的研究，推动了非成像光学的发展，此

3、后各种非成像光学太阳能聚能器的设计日趋成熟。2.非成像光学能量利用率 为评价非成像光学系统的能量利用率，首先引入光学扩展量（Etendue）的概念。光学扩展量用来描述光学系统传输能量的能力以及光束本身的走向，这样光学设计者可以在能量分配上进行评价和修正。如图所示：设光学系统在左右两侧入射介质与出射介质的折射率分别为n和n，入射点和出射点分别为p和p。光学系统入射端和出射端的直角坐标系分别为0 xyz和0 xyz。设入射点p在0 xyz下的坐标及入射角方向余弦分别为（x,y,z）及（L,M,N）,出射点p在0 xyz下的坐标及入射角方向余弦分别为（x,y,z）及（L,M,N）,可由程函方程得到

4、式（1.1）描写的是具有一定孔径截面大小及角度方向的光辐射经光学系统后的变化。其光学意义是在光学系统中，如果系统为无反射、折射、散射、吸收等能量损失的理想状态，那么在一个面积元大小为dx dy、立体角大小为dLdM的光辐射通量在传播过程中辐射能量保持不变。利用工程光学中的热力学第二定律也可分析光学扩展量：在光学系统中，像面的亮度或者能量密度不会大于光源的亮度或能量密度。热力学第二定律要求光束在通过任何光学系统后，光学扩展量保持不变或增大而不能减小。如果光束的光学扩展量减小了，能量就会被约束在更小的区域内，此时像面的亮度或能量密度就会大于光源表面的亮度或能量密度。我们可以利用光学扩展来那个对系统

5、能量利用率进行评价。如果前端的光学元件，如光源、照明系统的光学扩展量小于后续光学光学元件，光束被阻挡，那么部分光束不能被系统利用，即系统的光能利用率低。同理，当前端元件光学扩展量大于后续光学元件，光束能通过光学元件，即光能利用率高。所以通过分析计算不同光学 元件的光学扩展量，可以知道元件对整个光学系统能量利用率的影响，从而可以调整光学元件的结构，提高整个系统的能量利用率。现有非成像系统如下图所示，光线以角度照射到光学系统的输入面，橫截面面积为A，输入光线方向为L，光线输出处的橫截面积为A，输出角为，假设光学系统无反射、折射、吸收等能量损失，根据光学扩展量有：sin2 A=sin2A根据输入输出

6、的面积和角度的关系，定义能量收集比率C为：对于一定的输入面积A及输入角，当等于90度时，有理论最大收集比率：以凸透镜作为简易光能收集系统，凸透镜口径为2a，焦距为f，光源在无穷远，光束入射孔径角为2，则光线最终汇聚点处相面尺寸为2f，由式sin2 A=sin2A得E1a2sin2=E2(f)a2sin2,其中E1为入射光能量密度，E2为出射光能量密度，得到系统能量收集比率为：由式可得，短焦距的凸透镜更加有效提高能量收集率。而在成像光学中，具有相同口径的透镜，短焦距透镜的曲率大于长焦距的透镜，由相差理论，前者的成像质量不如后者。光斑在焦平面上有一定的弥散，降低了系统的光能利用率。非成像光学系统不

7、再考虑成像光学中的像差理论和成像质量，而是把光能利用率作为系统的评价标准，更适用于以提高光能利用率为主要目标的照明系统。非成像光学的应用 由于非成像光学在设计时彻底打破了光源的成像过程，非成像光学应用于照明系统能改善其照明效果，同时由于非成像光学把光能利用率作为评价系统设计的标准，基于此思想设计的照明系统能得到有效提高。3、基于非成像理论的自由曲面光学器件 自由曲面光学器件的设计基于非成像理论，不仅可以自由分配光强，也可以控制光线角度、光程差等物理量，令光源的出射光重新分布，在照明面上形成特定的光斑，可满足一系列照明要求，同时极大地提高了能量利用率。自由曲面光学器件设计方法的发展 上世纪60年

8、代中期，即非成像光学理论提出的同时也几乎出现了基于非成像噶UNG学理论的自由曲面的设计思想。1965年Domina E.spence等人提出了“宏焦点”圆锥曲面的概念:单个椭球面或者抛物面能对点光源进行理想聚焦或者准直，但是当光源为扩晨光源，效果就不是十分理想Spenee在文中指出可通过采用由多个离散的曲线段拼接而成的圆锥曲线来解决这一问题，每一曲线段为椭圆或抛物线的一部分，通过控制曲线段的参数来控制八射光线的反射光方向，如图1.8所示。由于此曲面无法用解析式来表示，田此可看作自由曲面的雏形。图1.8为扩展光源在一个曲线段上的反射。图中R为扩展光源半径，P(x,y)为边界光线在曲面上的入射点，

9、(x,y)为光源上点的坐标，其切线即为相应于点P(x,y)的光源的一条边界光线。图中用实线表示，另一条边界光线用虚线表示，r为光源中心到此入射点的距离dr为入射点处曲线的切向量，通过控制曲线段的参数可令实线表示的边界光线入射到目标位置点Q处 目前自由曲面多应用于汽车车灯的反射镜中以提高照明效率，而且还应用于手机的背光模组的轮廓渐变V形槽结构中，如图所示，通过V形槽产生一定角度内的光输出，互相叠加之后产生照明光斑。小型高效的LED照明系统 由上述可知，基于非成像光学设计的光学零件能有效地提高系统能量利用率，利用自由曲面光学 器 件对LED的二次光学设计，实现高效的LED照明系统。1.LED小型投

10、影仪 下图为方棒照明系统。由图知：光线在方棒内壁进行了3次左右反射之后，在方棒出口处形成了一矩形的均匀光斑。若在方棒出口处与显示芯片之间设计一组光学透 镜，将方棒出口处的光斑成像到显示芯片上，实现均匀照明。方棒照明系统2.景观照明：包括商业街、步行街道路照明、商业建筑 物户外照明、广告招牌照明等。3.汽车前车灯：超高亮度LED可以做成刹车灯、方向灯、尾灯，也可用仪表照明和车内照明，它 在耐震动、省电、长寿命方面比白炽灯 具有明显优势。4.LED手电筒：传统的灯泡手电的优点是光谱连续、光 色舒适，但在低功率下效率较低，在电 量不足时灯会变黄变暗。而LED灯具有 远射性能，减少光散射，令聚焦更准确，使光束平行射出，使光线更柔和。