自由曲面照明設計方法的研究.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計自由度。采用自由曲面不僅可極大簡化照明系統(tǒng)的結構，還可以有效控制光束分布，輕松實現復雜的照明。自由曲面照明取代常規(guī)曲面照明將進一步促進新的照明應用領域的開拓，實現綠色照明及安全照明，并有望成為非成像光學的一次重大變革。
　　 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計方法的研究，旨在建立一套有效的連續(xù)自由曲面照明的設計理論，為自由曲面

2、照明提供了一套可靠的光學解決方案。針對現有自由曲面照明設計方法的不足，論文經歷了三個主要研究階段，最終提出了一種有效的連續(xù)自由曲面照明的設計方法，并建立了自由曲面照明的數學模型。
　　 論文第一階段針對平行光照明，從Snell定律和能量守恒定律出發(fā)，將自由曲面照明設計轉化成一階偏微分方程組，通過數值求解方程組得到自由曲面的離散數據點。并借助一個具體的激光整形應用，驗證了該設計方法的有效性。然而，由該方法得到的自由曲面的連續(xù)性取決

3、于映射關系的可積性。針對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，針對現有連續(xù)自由曲面構造方法的不足，論文提出了一種采用數據點單位切矢作為約束條件的連續(xù)自由曲面構造方法，提高了曲面構造的準確性，以較少的數據點獲得了更好的光學性能。
　　 為建立一種更為通用的連續(xù)自由曲面照明設計方法，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)化設計方法。該

4、方法包含兩個優(yōu)化步驟，優(yōu)化第一步驟基于序列光線追跡方法，采用光線在目標面上落點的實際位置與預定位置的坐標偏差構建評價函數，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)域的照度平均標準偏差和系統(tǒng)的效率構建評價函數，用于進一步改善照明光斑的性能。鑒于優(yōu)化第二步驟設計效率偏低，論文隨后針對第二步驟提出了一種改進思想，采用了一種新的照度評價方式，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。改進后的設計方

5、法優(yōu)化效率較高，并通過理論模擬、實際加工和實驗分析驗證了該優(yōu)化方法的有效性。然而，該方法的優(yōu)化結果過于依賴初始結構，且只能實現簡單的連續(xù)自由曲面照明。
　　 論文第三階段從自由曲面照明的本質入手，提出了一種基于Monge-Ampére方程的連續(xù)自由曲面照明設計方法，該方法將自由曲面照明問題轉化成一個帶非線性邊界條件的Monge-Ampére方程。分別針對平行光和點光源照明，建立了相應的自由曲面照明數學模型，并給出了該類數學模型詳