1、集合，当波前遇见自由曲面或是变折射率介质时发生变形，并且沿着光学传播方向上的能量密度与波前高斯曲率成正比。设计为了使光波前进行匹配，可以使用多个反射或折射面，也可以在简化的情况下仅使用个面。设计过程令光波前与被照明面的波前发生映射关系，实现光线剪切。自由曲面计算可以通过向量形式的定律,由光线入射向量以及出射向量还有透镜材料折射率可以对应得出偏微分方程，通过数值法解出非成像光学自由曲面的法向量及自由曲面面型。其所选取的数值求解算法精度决定求解结果是否收敛。公司通过剪裁法设计非成像光学透镜曲面实现其公司的照明效果，如图所示。万方数据中国计量学院硕士。

2、十年代中期，太阳能利用被人们重视，与此同时研究人员及工程师开始发现非成像集光器在太阳能应用上的非凡潜力，积极地推动了非成像光学发展。当时与等正万方数据中国计量学院硕士学位论文式提出了关于非成像光学的概念。之后过了很长段时间，非成像光学理论的不断完善令非成像光学设计在更多的地方得到充分利用。近年，非成像光学设计已经普遍应用在了照明灯具的光学设计部分，新光源的出现对非成像光学设计的方法也提出更多的要求。就如的大功率封装形式已普遍有向方向发展，芯片发光面积的变大，使得传统的点光源非成像光学设计已满足不了扩展光源的非成像光学设计的要求。关于非成像光学设计的方法介绍通常针对照明用的非成像光学设计基本流。

3、设计方法对光型控制度高，但是加工不易，不适于扩展光源也是其存在的问题。下图为华中科技大学利用非连续面拼接法所设计的款使用材料为用于隧道照明的自由曲面透镜。图非连续面拼接法自由曲面示意图剪裁法最早是在年，之后十年间由等人连续发表多篇与剪切法相关论文介绍了有关剪切法设计非成像光学自由曲面，其设计核心思想是讲光源特性及光的空间分布建立，再联合目标照明面的目标照度分布同建立个关于非成像光学自由曲面的非线性偏微分方程组，通过对该偏微分方程组的求解获得自由曲面的面型。万方数据中国计量学院硕士学位论文图波前经过光学表面示意图该设计方法中提到关于波前的概念，如图所示，波前是系列垂直于光线的传播方向的等相位面。

4、,万方数据,部分内容简介；,万方数据只需光信号就可以工作，并不需要将试验用光源的像成在光电管上，所以教授联合数学工程师设计出首个非成像复合型抛物集光器，即为。的设计并不考虑光源的像，仅仅考虑最大能量汇聚的效率。图设计示意图实验使用之后，在获得四倍于原方法的收集效率的情况之下，仅使用了个光电管。其设计图如上图所示，其中表示集光器对光线的最大收集角度，凡是入射角在;的光线均能被集光器收集，该漏斗形的研制成功即代表了非成像光学理论的正式建立,。和二人于年在发表文献中首次提出“非成像光学”。由于最早的非成像光学设计应用范围狭窄，不符合当时市场需求以及其商业价值未被发现，所以并没有得到广泛应用。到了七。

5、出光角度，即可得到该自由曲面的斜率。并以第个交点为起点，经过该起点为的条斜线与第二条光源出射光线相交，在已知第二条光线经过自由曲面之后的出光角度，即可得到该自由曲面上第二点的斜率。以此类推，便可遍历全;得出整个自由曲面面型。非连续面拼接法也是基于点光源的非成像光学设计自由曲面的方法，设计过程类似微分连续迭代，但是如果以微分连续迭代法完成设计造成曲面突变或者整体光学系统体积过大，则需要将整个设计出的自由曲面进行划分，在发生突变的截点或者导致是导致体积过大的截点处进行分割，进行曲面再拼接。清华与浙江大学课题组都提出过关于非连续自由曲面透镜的非成像光学设计方万方数据中国计量学院硕士学位论文法，该两。

6、学位论文图公司照明示意图由图可看出，拼接发设计的非成像光学自由曲面表面连续光滑，并无突变即可实现照度的精确控制，充分表现其对光学的控制度高。下面在表中列举剪裁法的优缺点。表剪裁法优缺点示意图剪裁法优点剪裁法缺点将光学曲面求解的问题转化为求解系列非线性偏微分方程通过波前的高斯曲率变化来描述方向的光能量大小，对于任意配光曲线光源的描述与计算较为复杂在小角度范围内光束准确可控光源入射光线角度的增大，并不能确保光学曲面的合理存在采用曲面高斯曲率连续的方法保证曲面的局域光滑性该方法未能考虑大角度的光线，光源利用率较低此算法建立于点光源近似的基础上，不适用于扩展光源万方数据中国计量学院硕士学位论文非成像。

7、程是如下图所示。图中确定设计要求中的对照明光强的要求通常可以分为,光学系统小角度出光；光学系统准直出光；照明最终实现目标范围内均匀照度分布；照明最终实现目标范围内渐变梯度照度分布；万方数据中国计量学院硕士学位论文图非成像光学设计流程示意图其中设计流程中最重要的步骤就是关于非成像光学自由曲面设计。自由曲面，即为不像传统成像光学中的球面光学面有准确的函数表达式及对称轴，自由曲面无法用统方程描述无法使用解析式表达的曲面，在非成像光学设计中经常会用到自由曲面来实现设计目标。由于自由曲面在非成像光学设计中有众多优点，如下光能利用效率高；曲面设计自由度高；万方数据中国计量学院硕士学位论文曲面模型体积小并。

8、光源使用镜面反射法来实现目标面均匀照度的反光杯设计；针对扩展光源使用最大能量法来实现小角度出光的反光杯设计。具体内容如下所示第章介绍了非成像光学的起源与发展，并且介绍了具体的三种非成像光学设计的算法微分迭代法；非连续曲面拼接法；剪裁法。对上述三种算法进行介绍及优劣评价。提出三种算法均基于点光源非成像光学设计，实际需要开展扩展光源非成像光学设计的算法研究，最终提出本文的研究内容及目的意义。万方数据硕士学位论文针对扩展光源非成像光学设计的研究作者陈瑞导师金尚忠教授岑松原教授学科光学工程中国计量学院二〇四年三月万方数据,万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文针对扩展光源非成像光学设计的研究。

9、可控；出光光型准确可控；所以在照明灯具中应用甚广，如早期应用于汽车车灯设计中的自由曲面反射罩，还有近年在兴起之后所使用的自由曲面透镜光学系统，广泛在汽车照明微型投影照明系统道路照明等众多领域。基于非成像光学设计的自由曲面光学系统，以其诸多优越性能使我们看见其在照明行业中巨大的发展前景。针对自由曲面设计的非成像光学设计算法目前有如下几种图非成像光学设计算法分类其中微分连续迭代是为最基础最简单的非成像光学设计自由曲面的方法，将光源视为点光源，光源的配光视为朗伯型配光，将光源光线划分分为等角度的出射光，并设定自由曲面起始点，令经过起始点为的条斜线与第条光源出射光线相交，在已知光线经过自由曲面之后的。

10、点光源出射条光线，通过多个曲面对光线控制实现照明要求，但是由于如此会令照明系统复杂话，需要多个透镜才能实现最终照明需求，虽然克服了扩展光源的光斑弥散问题，但也增加了系统的菲列尔损耗，从而降低系统的光能利用效率。也有提出针对扩展光源的非成像设计的反馈优化算法，总之关于扩展光源的非成像光学设计今后将会有更多方法提出,。本论文的主要研究内容本课题结合非成像光学设计的发展与研究现状，以非成像光学的核心理论为基础，研究针对扩展光源进行非成像光学设计算法。旨在研究解决针对照明应用中扩展光源的非成像光学设计中光斑弥散光线控制度低等问题，通过针对扩展光源使用同步多曲面法来实现目标面均匀照度的透镜设计；针对扩。

11、作者陈瑞导师金尚忠岑松原申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业光学工程研究方向二次光学设计二〇四年三月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数。

12、学的发展趋势我们注意到上面介绍的非成像光学设计方法均基于光源为点光源进行非成像光学设计，实际中在光源尺寸大于其出光面到光学系统的距离的时，必须视为扩展光源，近年照明行业的发展对灯具体积要求及光学的高标准严要求使得灯具光学系统越小越好，这样致使透镜或反光杯之类光学器件体积必须做小，光源尺寸对照明效果的影响程度越来越大，如此发光面的尺寸相对光学器件已不能视为点光源进行非成像光学设计。为了克服扩展光源对设计的影响这个问题，也有众多科研人员对扩展光源的非成像光学设计方法提出新的算法，在年时与就提出通过控制光源发光表面边缘光线来进行非成像光学设计，在年的时候与提出将光源发光表面离散为多个点光源，令每个。

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