摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快以及能源消耗的加劇，人們希望儀器設(shè)備能夠更加便攜和節(jié)能，因此無(wú)論是軍用還是民用上，現(xiàn)代光電儀器都力求實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小型化和高效化。而LED光源因其小體積、長(zhǎng)壽命及其他優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于各類小型照明系統(tǒng)中。由于LED發(fā)光分布不同于傳統(tǒng)光源，為了提高系統(tǒng)性能，需針對(duì)LED來(lái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，從而在保證能量利用率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的小型化。由于照明系統(tǒng)一般情況下無(wú)需對(duì)光源進(jìn)行成像，因此采用基于非成像光學(xué)理論的自由曲面光學(xué)器件對(duì)其進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)小型高效的照明系統(tǒng)。

本文在研究總結(jié)前人采用的自由曲面光學(xué)器件設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)光源的空間光強(qiáng)分布以及所需實(shí)現(xiàn)的特定照明，通過Snell定律和能量守恒定律推導(dǎo)出一組代表所需自由曲面面型的一階偏微分方程組。光源出射光入射到自由曲面光學(xué)器件上后，經(jīng)過單次反射或折射，入射到目標(biāo)照明面形成所需照明。采用數(shù)值方法C語(yǔ)言編程求解。從而將以往主要依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^求解特定的方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)計(jì)過程無(wú)需借助專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)過程無(wú)需進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，提高了設(shè)計(jì)效率以及照明效果。

在計(jì)算得到離散的自由曲面面型數(shù)據(jù)之后，本文利用Rhinoceros和Pro/E對(duì)其進(jìn)行3D建模，Rhinoceros和Pro/E軟件都采用NURBS技術(shù)，可得到與理想面型接近的自由曲面光學(xué)器件。在對(duì)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱自由曲面建模時(shí)，采用多個(gè)自由曲面子面拼接的方法，用以減小建模誤差，得到設(shè)計(jì)需要的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱照明光斑，同時(shí)提高光斑的照度均勻性。隨后采用ASAP和TracePro光學(xué)軟件分別對(duì)建模得到的自由曲面曲面片和實(shí)體模型進(jìn)行照明模擬。模擬結(jié)果表明，當(dāng)與光學(xué)器件尺寸相比光源面積較小時(shí)，照明系統(tǒng)的均勻性和能量利用率都能維持在90%以上。

在以上理論的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)LED光源進(jìn)行了自由曲面照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改善了由LED與傳統(tǒng)光源不同的配光分布帶來(lái)的照明系統(tǒng)能量利用率低下等問題，得到傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)所難以實(shí)現(xiàn)的照度均勻性。為了從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性，本文最后設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)自由曲面透鏡用于LED閱讀燈照明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合模擬分析的照明結(jié)果。

由于本文建立的偏微分方程中包括了光源的空間光強(qiáng)分布，從理論上來(lái)講此設(shè)計(jì)方法適用于所有類型的光源，對(duì)LED來(lái)說(shuō)，可用于LED投影儀、路燈、以及車前燈反光碗的設(shè)計(jì)等，大大擴(kuò)大了LED的應(yīng)用范圍，為L(zhǎng)ED取代傳統(tǒng)照明光源打下了基礎(chǔ)。

1.1 非成像光學(xué)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)幾何光學(xué)是以提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量為研究宗旨的學(xué)科，它所追求的是如何在焦平面上獲得完美的圖像。就傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光的性能而言，任何利用成像原理聚光的系統(tǒng)，由于像差的存在，聚焦位置會(huì)產(chǎn)生一定的彌散斑，因此無(wú)法達(dá)到理論上的聚光能力。因此，在各類要求純聚光的應(yīng)用領(lǐng)域，比如太陽(yáng)能集光領(lǐng)域和高能物理領(lǐng)域，最先出現(xiàn) 了非成像光學(xué)的應(yīng)用。

1.1.1 非成像光學(xué)的起源與發(fā)展

系統(tǒng)的非成像光學(xué)理論起源于上世紀(jì)六十年代中期，但是當(dāng)時(shí)并非應(yīng)用于光學(xué)，而是為了滿足高能物理實(shí)驗(yàn)的要求。

圖1.1 CPC聚光示意圖

圖1.12 方棒照明系統(tǒng)

圖1.13 復(fù)眼照明系統(tǒng)

本文提出的基于非成像光學(xué)的自由曲面光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)方法盡管能得到小型高效的照明系統(tǒng)，但還有有待改進(jìn)的地方。比如在小型投影機(jī)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于LED發(fā)光面積與DMD芯片面積尺寸屬于同一量級(jí)，能量利用率與照度均勻性沒有采用點(diǎn)光源模擬時(shí)的效果好。可考慮與試錯(cuò)法相結(jié)合，在根據(jù)點(diǎn)光源設(shè)計(jì)得到應(yīng)用于LED小型投影機(jī)照明系統(tǒng)的自由曲面透鏡之后，再采用真實(shí)光源進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬得到的結(jié)果修改透鏡參數(shù)，從而對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行改善。

在設(shè)計(jì)針對(duì)LED的照明系統(tǒng)中，目前只設(shè)計(jì)了光斑為矩形，且照度均勻的自由曲面透鏡。相對(duì)于道路照明來(lái)說(shuō)，此透鏡結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且生產(chǎn)成本過高，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的照明要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了道路照明的需求。而對(duì)于車前燈來(lái)說(shuō)，照度均勻的光斑不符合配光性能標(biāo)準(zhǔn)，還需修改方程，使得求解方程設(shè)計(jì)得到的自由曲面光學(xué)器件能夠用于車前燈照明系統(tǒng)中。若能將此設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于LED路燈以及LED車前燈的設(shè)計(jì)中，并且在設(shè)計(jì)時(shí)考慮降低生產(chǎn)難度以及加工成本，自由曲面光學(xué)器件的應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。