非成像光学系统设计思维导图
2022-07-02 11:52:15 1 举报AI智能生成
非成像光学系统设计思维导图
作者其他创作
大纲/内容
绪论
光学设计
简单来说就是对光学系统的设计；根据提出的使用要求，来满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构。
典型光学系统
显微镜系统
望远镜系统
摄影系统
投影系统
照明系统
成像光学和非成像学的区别
研究内容
成像光学：以成像为目标和研究内容，追求如何通过光学系统获得合格的图像。
非成像光学：不追求获得理想的成像，而是要求光源的光通过光学系统后得到重新分布。
目的
成像光学：有效传递信息
非成像光学：有效传递能量
光学特性
成像光学：系统的焦距、物距、像距、入瞳距离大小。
非成像光学：系统要达到的照度值、发光强度分布、色度要求、整体系统大小，满足眩光要求
系统质量要求
成像光学：所成的像应足够清晰，且物相相似、变形小
非成像光学：照明区域照度应足够均匀、垂直照明、照明显色性…
非成像光学的两类问题
光学耦合问题（集光）
给定光分布问题（照明）
非成像光学系统的分类
集光系统
太阳能聚光系统
配光系统
照明光学系统
背光源光学系统
面板灯光学系统
投影光学光学系统
非成像光学设计中的正问题和逆问题
正问题：在给定光源和光学器件的情况下，求解在目标面上的光强或照度分布
分支主题
逆问题：给定光源和目标面的光分布反过来求解光学器件的结构
辐射度学和光度学基础
视见函数：把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其他色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度，称为初见函数
分支主题
立体角的计算
定义：任意形状的封闭曲面所包含的空间
计算公式：封闭锥面在球面上截处的面积A除以半径平方
立体角单位：球面度（sr）
分支主题
例题
分支主题
辐射度学的基本量及其计算
分支主题
分支主题
分支主题
分支主题
光度学的基本量及其计算
光通量(luminous flux)
分支主题
发光强度（ luminous intensity）
分支主题
分支主题
光亮度（luminance）
分支主题
光照度（illuminance）
分支主题
分支主题
光度学基本定律
平方反比定律
分支主题
发光强度余弦定律（朗伯余弦定律）
分支主题
朗伯辐射体
分支主题
分支主题
分支主题
分支主题
分支主题
分支主题
非成像光学理论基础
曲线和曲面的坐标表示法
直角坐标
极坐标曲线
参数坐标曲线
参数曲线的优点
有更大的自由度来控制曲线的形状
曲线的形状跟坐标系的选取无关，且参数方程把自变量和因变量完全分开，使得参数变化对各变量的影响可以明显的表示出来
便于处理斜率为无限大的问题不会因此而中断计算
规格化的参数变量t属于【0，1】，其相应的几何分量是有界的，而不必另外的参数去定义其边界
易于用矢量和矩阵表示几何分量，简化计算
非成像光学的基本理论框架体系
两大概念
能量收集率
分支主题
分支主题
光学扩展量
光学扩展量的定义及物理意义
定义：光束的截面积与光束所围成的空间立体角的在截面法线上的投影的乘积
单位：m2•sr
物理意义
用于评价光学元件对整个系统的能量利用率的影响
描述光束本身，光学扩展量描述了一束光的几何性质
对于光学器件而言,光学扩展量则代表了光学元件的收集光束、能量的能力。 如果光束的光学扩展量小于或等于光学元件 的光学扩展量,那么光束可以无损耗的通过光学元件;相反,部分光束被光学元件拦截。
三大原理
边缘光线理论
边缘光线定义及原理
定义：由光源边缘发出的,或者与特定参考面边缘相交的光线
这里的边缘包含两层含义: 1是曲面的边缘,简称面边缘;2是角度的边缘,简称角边缘。
原理：如果系统光源的边缘光线 通过光学系统后都能入射到目标平面,那 么光源上所有光线都能入射到目标平面。 因此为了保证从光源发出的光线全部到达 目标区域, 只要保证从光源边缘发出的光 线也会到达目标区域的边缘即可。
费马原理
马吕斯杜宾定律
几何光学的四大基本定律
光的直线传播定律
光的独立传播定律
光的折射、反射定律
研究问题
光束耦合问题-关键在于如何将光线收集到目标接收器上并同时获得最大收集率
指定辐射度或指定光强分布问题-主要被应用在照明领域
第四章-太阳能聚光系统
聚光器基本原理
利用反射镜、透镜或其他光学器件将进入采光口 的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳集热器
聚光器形式
反射式聚光
折射式聚光
通量聚光比和几何聚光比，及两者关系
聚光比：表征聚光镜的重要参数
通量聚光比或能流密度聚光比
吸收器表面积上的平均能流密度和入射到集热器上的能流密度之比
分支主题
几何聚光比或面积聚光比
分支主题
分支主题
第五章-非成像光学设计方法
光学设计的基本步骤的流程图
分支主题
一次光学设计
在封装过程中的设计被称为一次光学 设计
二次光学设计
在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温 的分布状况也必须进行设计，把器件发出的光线集中到期望 的照明区域内，从而让整个LED照明系统能够满足设计的需 要，这被称为二次光学设计，也叫二次配光设计
常用LED芯片封装方式
引脚式封装
表贴封装
食人鱼封装
功率型封装
二次配光设计所使用基本光学元件
透镜
反射板
折光板
光学建模的基本要素
光源的实体模型(几何造型)
光源的发光特性
光强的空间分布
LED光源的简化模型和精确模型
简化模型
不考虑 LED 芯片的结构细节，将其看作是一个均匀的块状 材料，芯片的上表面和四个侧面发光，光强分布可以是均匀出射， 也可以是按一定角度的分布
精确模型
严格的按照 LED 芯片的基本组成结构 来建模，每一层材料的折射率和吸收率都要单独设置，光线从有源 层射出
单个LED的照明效果
分支主题
分支主题
LED阵列的照明效果
所有单个LED照明效果的叠加
LED阵列获得均匀照明效果的条件
分支主题
二次光学设计的基本作用
扩散——把光线发散开来
聚合——把光线集中起来
特殊光学要求——把光线变为特殊分布的光线
反射器的设计
1、反射器的形状决定光形，使用反射 表面去改变光形
2、非球面的轮廓能够在大范围内矫正 光线，抛物线形状的反射器从焦点收 集光线后转化成平行光线
3、反射器有一个大的开口，而且有一 些光线不能达到表面(溢出)，溢出 的光学围绕在中心光线的四周
4、反射器能够控制光线数量的大小跟 光源与反射器的相对尺寸成正比，反 射镜越大，光形控制越好，光源尺寸 越小，反射镜越能更好控制光线4、反射器能够控制光线数量的大小跟 光源与反射器的相对尺寸成正比，反 射镜越大，光形控制越好，光源尺寸 越小，反射镜越能更好控制光线
5、反射器容易制备且相对便宜
透镜的设计
1、常规方法:在抛物面、椭球面等二次 圆锥曲面上进行反射加透射结构的光学设 计，来达到希望的光强分布
2、自由曲面设计方法:自由曲面是指非 对称、不规则、不适合用统一的方程式来 描述，不仅能控制光线角度，光程差，还 能自由分配光能量
3、TIR 透镜(Total Internal Reflection Lens):管理直接和反射的光线，在光线 出系统前，光线通过至少2个表面
4、一般说来，透镜比反射镜更有效的改 变光形
5、在小的尺寸下依旧有效
6、相对反射镜价格昂贵
常用的自由曲面设计方法
参数优化法
微分方程法和划分
网格法
自由曲面设计思路
自由曲面设计的思路就是根据入射光矢量和出射光矢量的变化关 系式求得入射点的曲率，从而根据所有已知的曲率和边界条件来 求所需的曲面。入射点处的法向矢量就把光源的任一光线与受照 面上的点的坐标一一相关联
圆形光斑的自由曲面透镜设计思路和流程
步骤
建立能量分配的对应关系
分支主题
表面数据点的迭代求解
分支主题
第六章-计算机辅助光学设计
光线追迹
定义
将折射定律和反射定律等几何光学方法准 确地应用于每一个折射面，追迹一个光学系统中 具有代表性的光线通过光学系统的准确路径
分类
序列性光线追迹
非序列性光线追迹
0 条评论
下一页
