自由曲面照明設(shè)計(jì)方法的研究.pdf

1、自由曲面照明是一種顯著區(qū)別于常規(guī)曲面照明的新型照明方式，具有靈活的空間布局和極高的設(shè)計(jì)自由度。采用自由曲面不僅可極大簡化照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還可以有效控制光束分布，輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的照明。自由曲面照明取代常規(guī)曲面照明將進(jìn)一步促進(jìn)新的照明應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，實(shí)現(xiàn)綠色照明及安全照明，并有望成為非成像光學(xué)的一次重大變革。
　　 本論文致力于自由曲面照明的核心問題一自由曲面照明設(shè)計(jì)方法的研究，旨在建立一套有效的連續(xù)自由曲面照明的設(shè)計(jì)理論，為自由曲面

2、照明提供了一套可靠的光學(xué)解決方案。針對(duì)現(xiàn)有自由曲面照明設(shè)計(jì)方法的不足，論文經(jīng)歷了三個(gè)主要研究階段，最終提出了一種有效的連續(xù)自由曲面照明的設(shè)計(jì)方法，并建立了自由曲面照明的數(shù)學(xué)模型。
　　 論文第一階段針對(duì)平行光照明，從Snell定律和能量守恒定律出發(fā)，將自由曲面照明設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成一階偏微分方程組，通過數(shù)值求解方程組得到自由曲面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。并借助一個(gè)具體的激光整形應(yīng)用，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。然而，由該方法得到的自由曲面的連續(xù)性取決

3、于映射關(guān)系的可積性。針對(duì)自由曲面激光光束整形，為獲得連續(xù)的自由曲面，提出了一種透鏡陣列思想，保證了透鏡單元自由曲面的連續(xù)性。隨后，針對(duì)現(xiàn)有連續(xù)自由曲面構(gòu)造方法的不足，論文提出了一種采用數(shù)據(jù)點(diǎn)單位切矢作為約束條件的連續(xù)自由曲面構(gòu)造方法，提高了曲面構(gòu)造的準(zhǔn)確性，以較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得了更好的光學(xué)性能。
　　 為建立一種更為通用的連續(xù)自由曲面照明設(shè)計(jì)方法，論文第二階段基于最優(yōu)化思想，提出了一種基于光線定位的連續(xù)自由曲面照明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該

4、方法包含兩個(gè)優(yōu)化步驟，優(yōu)化第一步驟基于序列光線追跡方法，采用光線在目標(biāo)面上落點(diǎn)的實(shí)際位置與預(yù)定位置的坐標(biāo)偏差構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)，用于獲取大致的光斑形狀;優(yōu)化第二步驟基于非序列光線追跡方法，采用照明區(qū)域的照度平均標(biāo)準(zhǔn)偏差和系統(tǒng)的效率構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)，用于進(jìn)一步改善照明光斑的性能。鑒于優(yōu)化第二步驟設(shè)計(jì)效率偏低，論文隨后針對(duì)第二步驟提出了一種改進(jìn)思想，采用了一種新的照度評(píng)價(jià)方式，使該步驟僅采用序列光線追跡方法即可顯著改善光斑的照度均勻性。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方

5、法優(yōu)化效率較高，并通過理論模擬、實(shí)際加工和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性。然而，該方法的優(yōu)化結(jié)果過于依賴初始結(jié)構(gòu)，且只能實(shí)現(xiàn)簡單的連續(xù)自由曲面照明。
　　 論文第三階段從自由曲面照明的本質(zhì)入手，提出了一種基于Monge-Ampére方程的連續(xù)自由曲面照明設(shè)計(jì)方法，該方法將自由曲面照明問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶非線性邊界條件的Monge-Ampére方程。分別針對(duì)平行光和點(diǎn)光源照明，建立了相應(yīng)的自由曲面照明數(shù)學(xué)模型，并給出了該類數(shù)學(xué)模型詳