（光学工程专业论文）基于自由曲面的led照明系统研究.pdf

浙江大学硕上学位毕业答辩论文 摘要 使用固体照明光源特别是发光二极管( l e d ) 作为光源进行照明系统设计，不仅可 以节省能源、减少污染，而且可以减小体积、延长系统使用寿命。但是由于l e d 的外形 和发光特性等和现有光源不同，使得现有的基于成像光学的照明系统无法直接应用于 l e d 。自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，能够简化光学系统的结构，提高像质。 尤其在照明光学系统的设计中由于光学自由曲面可以在分配光强的同时控制散射角度， 非常适用于基于l e d 的照明系统设计，故此展开研究既具有理论价值又含有实际的意义。 本课题对微分方程数值解构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的设计 方法进行了探索性研究。基于微分几何知识和光学折反射定理构建微分方程( 组) ，并利 用数值解法直接得到自由曲面的面型数据。根据现实情况提出了适用于自由曲面照明系 统的光学模型，并通过将光源包埋入自由曲面的方法实现1 0 0 的理论能量利用率。本 课题随即对理论设计进行了实践探索，使用灌注法加工了自由曲面透镜，并将其导入d l p 投影系统中对其实际效果进行了测试。 本文第一章介绍了现有照明产业的现状、分类，分析比较了目前主要的几种传统照 明系统的光学结构；再介绍了发光二极管光源的发展现状，最后详细阐述了光学自由曲 面的应用及发展现状。 第二章介绍了非成像光学的发展历史和基本内容，并且着重论述了微分方程构造自 由曲面的设计方法，给出了光学自由曲面的矢量方程组和数值解法；随后给出了实现 10 0 的理论能量利用率的设计方法，并对系统的实际表现进行了仿真模拟；最后给出了 几种类轴对称均匀照明的实现方法。 第三章给出了应用第二章的方法实现自由曲面设计的具体过程。 第四章介绍了自由曲面的实际加工方法，并详细介绍了使用灌注法加工自由曲面的 流程和问题解决方法。 第五章介绍了在构建基于l e d 的照明系统中电学、热学、机械加工问题的解决方法， 并对相关系统的性能进行了测试。 本文最后一章，对本课题的研究工作进行总结，指出了新的工作方向。 关键词：自由曲面、照明、l e d 、光能利用率、微分方程 i v 浙江大学硕上学位毕业答辩论文 a b s tr a c t v 撕o u sa d v a n t a g e sc a nb ee x p e c t e dw h e nu s i n gl i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) a st h el i g h t s o u r c et ob u i l du pt h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m ：i n c l u d i n gr e d u c e de n e r g yc o s t ，l o w e rp o l l u t i o n ， m i n i a t u r e ，a n dl o n g e rl i f e t i m e b u tt h el a y o u ta n dt h el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no ft h el e da r es o d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls o u r c e st h a tt h ec o n v e n t i o n a li l l u m i n a t i o ns y s t e m sa r en o ts u i t a b l e f o rl e d s t h ef r e e f o r ms u r f a c ec a ns i m p l i f yt h es t r u c t l j r eo ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e ma n d i n c r e a s et h ed e g r e eo fd e s i g nf r e e d o m m e a n w h i l e ，t h ef r e e f o r mo p t i c a ls u r f a c ec a na l s og e t t h es p e c i f i cl i g h td i s t r i b u t i o nf r e e l ya n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i th a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h em i n i t y p el e di l l u m i n a t i o ns y s t e m s oi ti sm e a n i n g f u la n dn e c e s s a r yt o d e v e l o pt h er e s e a r c hi nt h i sf i e l d t h i st h e s i si n t r o d u c e san e wm e t h o dt od e s i g nf r e e f o r mo p t i c a ls u r f a c ef o ru n i f o r m i l l u m i n a t i o nw i t hh i g hl i g h tu s a g ee f f i c i e n c y b ys n e l l sl a wa n dt h ek n o w l e d g eo fd i f f e r e n t i a l g e o m e t r y , t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa r eg i v e nt od o n a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i r e c t i o n s o fn o r m a lo ff r e e f o r ms u r f a c ea n di n p u t o u t p u tr a yv e c t o r s n u m e r i c a lm e t h o di st h e nu s e dt o g e tt h er e s u l t f u r t h e rm o r e ，t w oo p t i c a lm o d e l sf o ru n i f o r mi l l u m i n a t i o na r ed i s c u s s e d ，a n db y e m b e d d i n gt h es o u r c ei n t ot h er e f r a c t i v ef r e e f o r ms u r f a c e ，10 0 e f f i c i e n c yi sa c h i e v e di n t h e o r y s o m ep r a c t i c a le x p e r i m e n t sa r ed i s c u s s e dl a t e ri nt h et h e s i s ：t h ef r e e f o r ms u r f a c el e n s i sp r o c e s s e db yu s i n gp e r f u s i o nm e t h o d ，a n di t sp e r f o r m a n c e si nd l p s y s t e ma r ea l s ot e s t e d i nt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，t y p i c a lk i n d so ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e m sa r ei n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h eb a c k g r o u n d ，c a t e g o r ya n dt h eo p t i c a ls t r u c t u r e s t h e nt h ed e v e l o p m e n to fl e di s s h o r t l yp r e s e n t e d ，f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n t a g e so f f r e e f o r ms u r f a c e t h es e c o n dc h a p t e ri sa b o u tb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt ot h i st h e s i s f i r s t l yi st h eh i s t o r ya n d t h eb a s i ct h e o r yo f n o n - i m a g i n go p t i c s t h e nt h em e t h o do fd e s i g n i n gf r e e f o r ms u r f a c el e n s b yu s i n gd i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r yi sd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa r e d e d u c e da n dt h er e s u l t sa r eg i v e nb yn u m e r i c a lm e t h o d t h ec o n t e n ta l s oi n c l u d e st h e i n t r o d u c t i o no ft h em e t h o do fg e t t i n g10 0 r a d i a t i o nu s a g ee f f i c i e n c ya n dt h ep e r f o r m a n c e s a r es t i m u l a t e db ya s a p f i n a l l yh o wt ou s et h i sm e t h o di no t h e ra x i s y m m e t r i c - l i k ec a s e si s v 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 d i s c u s s e d t h et h i r dc h a p t e rg i v e ss o m ef r e e f r o ms u r f a c ed e s i g ne x a m p l e sb a s e do nt h et h e o r i e s m e n t i o n e di nc h a p t e r2 t h ef o m lc h a p t e rl i s t sa l lp o s s i b l em e t h o d st op r o c e s sp r a c t i c a lf r e e f o r ms u r f a c ea n dt h e i r c h a r a c t e r sa l ec o m p a r e d e s p e c i a l l y , t h ew h o l e p r o c e s so fp e r f u s i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ef i f t hc h a p t e rd i s c u s s e dt h eo t h e r p r o b l e m sd u r i n gb u i l d i n gu pl e di l l u m i n a t i o ns y s t e m b e s i d e so p t i c a lo n e s ，i n c l u d i n ge l e c t r i c a l ，t h e r m a l ，a n dm e c h a n i c a lp r o b l e m s r e l a t e dt e s t i n g m e t h o d sa n dt h ef i n a lp e r f o r m a n c e sa l ea l s os h o w n a tt h ee n do f t h et h e s i s ，t h ec o n c l u s i o na n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o na l eg i v e n k e yw o r d s ：f r e e f o r ms u r f a c e ，i l l u m i n a t i o n ，l e d ，u s a g ee f f i c i e n c y , d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 第一章绪论 作为人类文明的里程碑之一，钻木取火具有特殊的意义。早期的人工取火方式的出 现，不仅使人类从此拥有了稳定的热能供应，从而极大地降低了死亡率；还意味着夜间 照明成为可能，从而极大地扩展了人类的视野。照明系统设计从此作为一个专门的研究 方向开始被建立起来。到了近代，照明系统已经有了明确的定义i l j ：所谓照明 ( i l l u m i n a t i o n ) ，是指将光能量有效地从光源( s o u r c e ) 传播至照明目标面( t a r g e t ) ， 并在照明目标面上呈现预期的光照度分布的系统。如今，随着人类文明的进步，科技的 发展，照明系统已经日趋呈现出复杂性和多样性。除一般的日常照明外，各种应用于专 门领域的照明系统纷纷出现，如车灯系统、显示照明系统、微光照明系统，等等。 照明系统设计作为光学系统设计的一个分支，已经有了很长的历史。与一般的光学 设计一样，传统的照明系统设计主要是基于成像光学理论，如复眼透镜、反光碗等照明 光学元件的设计都是在成像光学理论指导下设计完成的。随着技术的进步，新的基于非 成像光学理论的新型照明照明系统开始逐步引起人们的关注，相应的器件包括c p c 、自 由曲面透镜等。 1 1 基于成像理论的传统照明系统 早期的照明设计主要以提供均匀照明面作为主要目标，设计手段也主要以传统成像 光学作为主要的设计理论依据。比较经典的设计方法包括复眼照明系统2 1 和方棒照明系 统f 2 】等。 1 1 1 复眼( f l y e y e ) 照明系统 复眼照明的核心光学元件是复眼透镜。复眼透镜是由一系列小透镜( l e n s l e t ) 组合 而成的复合型透镜阵列，早在1 9 8 3 年就已经有了利用两组复眼透镜实现较高的沟通利用 率和大面积的均匀度照明的方法【3 】，其基本结构如图1 1 所示。 浙江大学硕上学位毕业答辩论文 入射光线门 n 一丌 ：“：j j1 卜 u 噩骰透缱l 复斟避 矗：10 壤透镜“善i 嘲 图1 1 复眼透镜均匀照明系统原理图 复眼透镜均匀照明的原理是：与光轴平行的光束通过第一块透镜后聚焦在第二块透 镜的中心处，复眼透镜1 将光源形成多个光源像进行照明，复眼透镜2 的每个小透镜将复 眼透镜1 上对应的小透镜重叠成像于照明面上。由于复眼透镜1 将光源的整个宽光束分为 多个细光束照明，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置细光束的相互 叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的 利用。从复眼透镜2 出射的光斑通过会聚透镜聚焦在目标面上，这样，目标面上光斑的 每一点均受到光源上所有点发出的光线照射，同时，光源上每一点发出的光束又都交会 重叠到照明光斑上的同一视场范围内，所以得到一个均匀的方形光斑。 基于复眼透镜的复眼照明系统使用成像光学原理构建，理论基础较为简单，经过多 年的发展制造工艺较为成熟，因此被广泛应用于各种均匀照明设计领域，如液晶投影仪 的照明臂设计等。但是，传统的复眼照明系统对于光线入射角具有较为严格的限制，无 法收集入射角较大的入射光线；为了达到较大的光能利用率，往往要求该系统复眼透镜 具有较大的孔径，从而增大的整个系统的体积，影响了其在小型化系统中的应用，从而 限制了复眼系统的进一步发展。为了解决上述问题，近年来人们对原有复眼系统进行了 一系列的改进尝试，如新的反射型复眼结构【4 】：利用两块复眼反射镜，有效地解决了传 统复眼系统无法收集入射角较大光线的问题，提高了光能利用率。但是这类新设计的复 眼光学元件往往结构复杂，难以加工，因此，还有待进一步的发展和升级。 1 1 2 方棒( l i g h tp i p e ) 照明系统 方棒照明系统的工作原理类似于光纤：入射光束通过在方棒内多次反射，生成多个 次级光源像，从而使出射光斑变得均匀【5 1 ，其原理如图1 2 所示。在基本结构上，方棒分 为实心方棒( s o l i dg l a s sr o d ) 【6 】和空心方棒( h o l l o wm i r r o r e dt u n n e l ) 嘲两种。相对 2 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 而言，利用全反射原理的实心方棒的加工、镀膜更为容易，在实际使用时发热较小，因 此使用范围更加广泛；但是由于空心方棒可以做到更小的尺寸，因此在对空间利用限制 较苛刻的小型化系统中被广泛采用。 ，h 一 一 、f ， 。 i 一，7 ，“ f l l 图1 2 方棒照明系统原理图 虽然相对于复眼照明系统而言，方棒照明系统的尺寸更小，但通常情况下，往往要 求入射光线在方棒内多次反射，形成数个次级光源像，才能够达到满意的均匀度，因此 在光轴方向上，方棒的尺寸很可能反而大于复眼照明系统，不利于系统的小型化。解决 方法之一是使方棒弯曲，随之而来的问题是：大量光能量可能从方棒弯曲处溢出，降低 整个系统的能量利用率。虽然在理论上使用等角螺线可以有效地避免光能量的溢出【7 】， 但目前相关的研究成果仍面临加工困难等实际问题。 另外，经典的方棒系统只能形成方形的均匀照明斑，对于其它形状的照明光斑特别 是圆形照明斑容易出现“热点 ( h o ts p o t ) 形象【酊。 1 2 基于非成像光学理论的新型照明系统 与传统的成像光学不同，非成像光学( n o n i m a g i n go p t i c s ) 并不试图在目标面上构 建清晰的光源像，而是试图在光源与目标面间找到一种经过优化的光线传递路径【9 】。非 成像光学主要用于解决光线收集( c o n c e n t r a t i o n ) 和照明( i l l u m i n a t i o n ) 两类问题【9 j 。 特定地，在解决照明问题时，如果从光线追迹的角度看，可以发现光源与照明目标面上 的点并不存在一一对应的关系；相反，扩展光源上的每一个点可能都与整个照明目标面 相对应，形成类似“柯拉照明”的多重照明模式，最终实现目标面的特定照度分布( 最 简单的情况为均匀照明) 。基于非成像光学理论的照明系统，主要包括c p c 、自由曲面 _ _ “ 一 二 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 等照明系统。 1 2 1c p c ( c o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r ) 照明系统 c p c 照明系统实际上是在光学原理上与方棒类似，都是通过光线器件的内部的反射 将光线由入射端导至出射端，并且二者在入射端和出射端均保持光学扩展量守恒0 1 。所 不同的在于：方棒两端的面积是等大的，根据光学扩展量的近轴定义，通过方棒的光线 数值孔径不会发生变化；而由于c p c 的出射端面积大于入射端面积，从c p c 出射端射 出的光线的数值孔径将会变小，即出射光线的发散角将会减小。经典的c p c 两侧为两个 抛物线型反射面，如图1 3 所示。 c p c 的设计相对简单，但是c p c 的空间占用并没有显著缩小，而且c p c 的远场照 明特性并不十分完善，仍然需要与其它光学元件进行配合使用。 图1 3c p c 照明系统原理图 1 2 2 自由曲面( f r e e f o r ms u r f a c e ) 照明系统 所谓自由曲面，是指这样一类光学面：它们不像传统成像光学面那样具有精确的表 达式和对称轴，整个面型完全由面上的离散点定义并拟合而成【1 1 】。通过一个或者多个自 由曲面的配合，基于光学扩展量守恒原理，则由光源发出的光学与照明目标面上希望的 光强分布进行匹配，如图1 4 所示。自由曲面的设计方法有很多，最为常用的自由曲面 设计方法包括两种：数值优化法( n u m e r i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d ) 和直接法( d i r e c t m e t h o d ) 11 】，其中直接法又包括s m s 法( s i m u l t a n e o u sm u l t i p l es u r f a c e ) 11 】、m - a 等式法( m o n g e - a m p e r et y p ee q u a t i o n ) 1l 】、剪切法( t a i l o r e dl e n s ) 11 - 1 2 】等。 浙江人学硕士学位毕业答辩论文 图1 4 利用单个自由曲面实现光源与照明目标面的匹配 1 2 3 蘑菇透镜( m u s h r o o ml e n s ) 照明系统 蘑菇透镜照明系统主要由蘑菇透镜和上端反射镜两部分组成【1 3 1 ，如图1 5 所示。其基 本原理是：由中心光源射出的光线首先通过蘑菇透镜进行分束，而后由一系列中心处于 同一位置的环状全反射结构反射到达照明目标面。通过精心设计光学设计蘑菇透镜的表 面结构，使得到达每一个反射环的光通量与其需要照明的面积成正比，从而达到均匀照 明的目的。该种结构的主要优点在于：通过改进反射环的表面结构，可以将出射光线发 散角控制在一个很小的范围内，因此出射光线准直度较高；整个光学系统结构也较为简 单。但其缺点在于：光学系统在轴向方向上必须与照明面等大；而且整体加工较为困难。 图1 _ 5 蘑菇透镜结构剖面图 目前，蘑菇透镜照明系统主要用于l c d 背光源的均匀照明设计当中。 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 1 3l e d 光源 近年来，发光二极管l e d ( l i g h te m i t t e dd i o d e ) 发展非常迅速。随着单个l e d 亮度 的不断攀升，其应用领域也越来越广泛。现在，众多的人认为2 1 世纪照明新光源是l e d 。 作为第四代光源、l e d 有极其光明的发展前景。l e d 是一种固体发光器件，其特点在于 高光效低能耗，体积小，寿命长，性能稳定，安全性好等【1 4 1 。这些优点都是目前通用光 源所不具备的，因此越来越多的研究人员开始试图用l e d 取代传统光源以缩小整个系统 的体积，降低成本。l e d 与常规高亮度光源的比较如表1 1 所示【1 5 】。 表1 - 1l e d 与各种高亮度光源的性能比较 灯效率增亮 光源种类 色温k 寿命h弧长锄主要用途 ( 1 m w )时间 2 0 3 3 0 0 0 2 5 卤灯 ( 1 5 0 近似点光源短小型投影仪 3 5 0 02 0 0 0 5 0 0 w ) 2 5 4 0大型高功率商务投 5 8 0 01 0 0 0 l 氙灯( 1 5 0 w 长 影仪( 尤其是d m d 自然光 2 0 0 0( 7 k w ) 7 k w )用) 1 2 ( 5 0 w ) 金属 6 0 8 06 5 0 0 2 0 0 0 2 0 0 w 以上的高亮度 3 5 长 卤化物灯 ( 8 0 4 0 0 w )8 0 0 05 0 0 0 投影仪 ( 2 5 0 w ) 6 0l 1 2 超高压 7 0 0 0 1 0 0 w 级低功耗投影 ( 1 0 0 t 2 0 0 0( 1 0 0 短 汞灯 8 5 0 0 仪 1 5 0 w )1 5 0 w ) 5 8 0 0 无电极h i d1 0 0 数万 长 正在开发 自然光 r e d3 0 4 0 g r e e n2 0 3 0 l e d 1 0 0 0 0 近似点光源极短微型投影仪 b l u e1 0 - 1 5 w h i r e1 5 2 5 常规l e d 功率在0 1 0 3 w 之间，光通量只有0 5 3l m ，主要用作信号灯，指示 灯。而用在照明设计中使用的l e d 光源一般都要是高亮度l e d ，如l u m i l e d sl u x e o n 一6 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 e m i t t e r 。这种l e d 功率在1 - 5 w ，最高光通量可达1 2 0i m 1 6 1 。一般说来，l e d 的高亮 度都是通过改进半导体发光材料和结构，改进封装如透镜和反射镜而得到的，因此两种 l e d 的结构有所区别。图1 击和图1 7 显示了常规l e d 和l u m i l e d s 公司的高亮度l e d 的结构【1 7 1 。 r e f l e c t o rc u p l e a d 图1 - 6 典型的5 m ml e d 结构 h l e a t l l e k s l u g 图1 - 7l u m i l e d s 公司的高亮度l e d 一“l u x e o n ” 1 3 1 基于l e d 的照明系统 基于l e d 的照明系统设计一般从光学、电学、热学等几个角度加以考虑。与传统光 源相比，l e d 的发光面积即晶元( d i e ) 面积较小( 即使是照明用大功率l e d ，单个晶元 面积一般也不大于1m m 2 ) ，在许多应用场合往往可以被看作点光源，从而减小了照明系 统的设计难度。但与此同时，单个l e d 的发光能力( 即总光通量) 较低，因此在设计基 于l e d 的照明系统时，要特别考虑光能利用率的问题，设计方法之一是使用光学扩展量 ( e t e n d u e ) 匹配原则。l e d 的出射配光曲线一般为类朗伯型，少数为蝠翼型【1 7 。1 8 1 ，在一 7 浙江人学硕士学位毕业答辩论文 些对于照明光线倾角有要求的场合( 如一些显示照明系统设计) ，需要尤其注意平衡能量 利用率与照明光线倾角之间的关系。 在电学方面，l e d 的驱动设计是另一个需要关注的问题。由于l e d 属于低电压、电 流驱动型半导体元件，且l e d 的输出光通量与流经电流呈线性关系，因此如何保持l e d 工作电路的电特性稳定特别是电流稳定显得尤为重要。最简单的方法是使用功率元件构 成整个电路，但是这种开放式回路无法进行反馈，因此随着工作时间的延长可能会造成 电流漂移；另外，使用功率元件不可避免地将造成严重的电路发热现象，影响l e d 的工 作状态和使用寿命。因此，实际使用的l e d 驱动电路往往采用具有自稳定反馈功能的开 关电源作为设计方案【1 9 1 。 由于l e d 的峰值出射波长与工作环境温度有关，同时过高的温度也可能造成l e d 器 件自身被烧坏，因此l e d 的散热设计是另一个需要关注的问题。一般来说，常见高亮度 l e d 的结温不应该超过13 0 。c 2 0 1 。 1 3 2l e d 阵列( l e da r r a y ) 照明系统 由于目前单个l e d 的发光亮度仍然未满完全满足高亮度照明的要求，因此可以使用 l e d 阵列制作类扩展光源，对照明目标面进行直接照明，完全省略中间结构，从而使整 个照明结构极大简化。但由于目前的大部分l e d 配光曲线呈现类朗伯发光性质【1 6 】，因此 如果随意排列l e d 阵列，会造成光能量的极大浪费，照明光斑也将显得不均匀。相对而 言，l e d 更适用于近场照明，并且相同面积的三角形排列l e d 阵列相比于传统的矩形排 列l e d 阵列可以获得更大的照明区域、更高的亮度和更高的能量利用率【2 1 2 2 1 。 但是，由于l e d 的类朗伯发光特性，使用l e d 阵列照明系统目前仍然很难获得高 的光能利用率，即使在对光能利用率要求不高的应用场合，仍需要解决多个高功率l e d 同时使用时的散热问题。这些都有待l e d 相关技术的进一步发展。 1 4 论文的研究内容及意义 1 4 1 研究内容 本课题对微分方程数值解构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的设计 方法进行了探索性研究：在已知光源的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布的前提 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 下，基于微分几何知识和光学折反射定理构建微分方程( 组) ，并利用数值解法直接得到 自由曲面的面型数据。根据现实情况提出了适用于自由曲面照明系统的光学模型，并通 过将光源包埋入自由曲面的方法实现1 0 0 的理论能量利用率。本课题随即对理论设计 进行了实践探索，使用灌注法加工了自由曲面透镜，并将其导入d l p 投影系统中对其实 际效果进行了测试。 本答辩论文包括绪论、课题理论分析、折射式自由曲面的加工、基于l e d 的照明系 统构建、系统性能测试与分析和总结与展望共六个部分，其具体内容包括： 第一章介绍了现有照明产业的现状、分类，分析比较了目前主要的几种传统照明系 统的光学结构；再介绍了发光二极管光源的发展现状，最后详细阐述了光学自由曲面的 应用及发展现状。 第二章介绍了非成像光学的发展历史和基本内容，并且着重论述了微分方程构造自 由曲面的设计方法，给出了光学自由曲面的矢量方程组和数值解法；随后给出了实现 1 0 0 的理论能量利用率的设计方法，并对系统的实际表现进行了仿真模拟；最后给出了 几种类轴对称均匀照明的实现方法。 第三章给出了应用第二章的方法实现自由曲面设计的具体过程。 第四章介绍了自由曲面的实际加工方法，并详细介绍了使用灌注法加工自由曲面的 流程和问题解决方法。 第五章介绍了在构建基于l e d 的照明系统中电学、热学、机械n i 问题的解决方法， 并对相关系统的性能进行了测试。 本文最后一章，对本课题的研究工作进行总结，指出了新的工作方向。 1 4 2 课题意义 l e d 具有发光效率高、无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等特点，在照明系统 的设计和应用中有着传统光源无法替代的优点。但是由于l e d 的外形和发光特性等和现 有的投影灯源不同，使得现有的照明系统无法应用于l e d ，且无法满足系统小型化的要 求。自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，使得光学系统的结构得到了简化，像质得 到提高。尤其在照明光学系统的设计中由于自由曲面不仅可以自由分配光强，也可以控 制光线角度，光程差等物理量，使其以l e d 为光源的照明系统中具有潜在的应用前景。 因此，基于自由曲面的l e d 照明系统非常适用于一些对于照明面照度均匀性有着严格要 求、同时又要求整个系统小型化的应用场合，如微型投影仪的设计等。故此展开研究既 9 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 具有理论价值又含有实际的意义。 参考文献 1 1 lj k o s h e l , a ni n t r o d u c t i o nt op r a c t i c a l i l l u m i n a t i o ne n g i n e e r i n g ：l i g h t p i p ed e s i g n ”，l a m b d a r e s e a r c hc o r p ( 2 0 0 6 ) 2 西田信夫，尢劳菸星元科学出版社，( 2 0 0 3 ) 3 lg l a s e r , a p p l i c a t i o n so f t h el e n s l e ta r r a y p r o c e s s o r ，p r o c o f s p i e6 3 9 ，1 8 0 - 1 8 5 ( 1 9 8 3 ) 4 沈默，李海峰，a n d 陆巍，e ta 1 ，f f f - t l e d 贸织移反彩型复嬲资矿方菇”3 5 ，9 3 - 9 5 ( 2 0 0 6 ) 5 金新华a n d 闻春敖，用劈秃笏勃航缡饭光功及赢韩黼纺杉狰坑”光学仪器2 8 ( 1 ) ，4 4 - 4 7 ( 2 0 0 6 ) 6 ”s i n g l e - p a n e ld l pp r o j e c t i o ns y s t e mo p t i c s ”，t e x a si n s t r u m e n t s ( 2 0 0 5 ) 7 s h c h ua n dj lc h e r n ，”n o 1 0 s sb e n tl i g h tp i p ew i t ha ne q u i a n g u l a rs p i r a l , ”o p t i c sl e n e r s3 0 ， 3 0 0 6 - 3 0 0 8 ( 2 0 0 5 ) 8 y kc h e n ga n dj lc h e r n ，”i r r a d i a n c ef o r m a t i o n si nh o l l o ws t r a i g h tl i g h t p i p e sw i t hs q u a r ea n d c i r c u l a rs h a p e s ，”j o p t s o c a m a2 3 ，4 2 7 4 3 4 ( 2 0 0 6 ) 9 rw i n s t o n ，j c 1 v i n a i l o ，a n dp b e n i t e z ，n o n i m a g i n go p t i c s ，e l s e v i e ra c a d e m i c ，n e wy o r k , ( 2 0 0 1 ) 1o n s h a t z j b o r t z , a n dl 乙w i n s t o n ，n o n r o t a t i o n a l l ys y m m e t r i cr e f l e c t o r s f o re f f i c i e n ta n du n i f o r m i l l u m i n a t i o no f r e c t a n g u l a r a p e r t u r e s ”，p r o e o f s p i e3 4 2 9 ，1 7 6 1 8 3 ( 1 9 9 8 ) 1 1 w j s m i t h ，e b e t e n s k y ，a n dd w i l l i a m s o n ，e ta 1 ，”t h ep a s t , p r e s e n t , a n d f u t u r eo f o p t i c a l d e s i g n ”，s p i e - o s a6 3 4 2 ，1 - 3 2 ( 2 0 0 6 ) 12 e lr i e a , ”t a i l o r e df r e e f o r mo p t i c a ls u r f a c e s ，”j o p t s o c a m a1 9 ，5 9 0 - 5 9 5 ( 2 0 0 2 ) 1 3 w l a r k y aa n dd g p e l k a ， 4 u x i l i a r yl e n st om o d i f yt h eo u t p u t f l u xd i s t r i b u t i o no f at i rl e n s ”， u s5 , 5 7 7 ，4 9 3 ，( 1 9 9 6 ) 1 4 史光国，导绣发老= 叛爹及厨筋4 胃魂科学出版社，北京，( 2 0 0 7 ) 1 5 夏常荣，”发够荡邑希与投影老缘分褫”真空电子技术5 1 ( 1 ) ，2 3 - 2 6 ( 2 0 0 3 ) 16 j d b u l l o u g h ， l i g h t i n ga n s w e r s ：l e dl i g h t i n gs y s t e m s ”，r e n s s e l a e rp l o y t e c h n i ci n s t i t u t e ，n e wy o r k ( 2 0 0 3 ) 17 h t t p ：w w w 1 u m i l e d s g o m 18 h t t p ：l l w w w o s r a m t o m 1 0 浙江大学硕士学位毕业答辩论文 19 rl e u kp r a c t i c a l d e s i g no f p o w e r s u p p l i e s ，w i l e yp u b l i s h i n g ，( 2 0 0 5 ) 2 0 ”t h e r m a lm a n a g e m e n to f o s t a rp r o j e c t i o nl i g h ts o u r c e ”，o s r a mo p t os e m i c o n d u c t o r s ( 2 0 0 6 ) 21 lm o r e n o ，舰a v e n d a n o - a l e j o ，a n drlt z o n e h e v ，”d e s i g n i n gl i g h t - e m i t t i n gd i o d e a r r a y s f o r u n i f o r mn e a r - f i e l di r r a d i a n c e ，”4 5 ，2 2 6 5 2 2 7 2 ( 2 0 0 6 ) 2 2 lm o r e u o ，”d e s i g no f l e d s p h e r i c a ll a m p s f o ，踟咖册f a r - f i e l di l l u m i n a t i o n ”，p r o c o fs p i e 6 0 4 6 ，( 2 0 0 6 ) 1 1 浙江大学硕上学位毕业答辩论文 第二章自由曲面光学理论基础 自由曲面光学系统是基于非成像光学理论建立起来的，以实现在目标面上形成特定 的光线分布、并追求可能的最大能量利用率为设计目标的光学系统。目前，相关的光学 元件被广泛应用于新型太阳能收集系统和照明系统中。与传统光学元件不同，自由曲面 光学元件的面型非常复杂，一般不具有解析表达式，因此，为了完成自由曲面的设计， 需要将经典光学理论与微分几何和空间造型理论相结合。 2 1 非成像光学 2 1 1 非成像光学发展历史 传统几何光学是以提高光学系统的成像质量为目标而发展起来的学科，它追求的是 如何在像面上获得足够好的物像。而与传统的成像光学不同，非成像光学( n o n i m a g i n g o p t i c s ) 并不试图在目标面上构建清晰的光源像，而是试图在光源与目标面间找到一种 经过优化的光线传递路径【1 1 。 非成像光学理论起源于六十年代中期，1 9 6 6 年，h i n t e r b e r g e r 和w i n s t o n 在发表的 一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出了“非成像光学”( n o n i m a g i n go p t i c s ) 一词 【2 】。19 6 7 年b a r a n o v 提出将其应用于太阳能收集系统中的复合抛物集能器( c p c c o m p o u n dp a r a b o l i cc o n c e n t r a t o r ) 【2 】设计中。七十年代中期以后，在总结前人工作的 基础之上，w i n s t o n 和w e l f o r d 等人开始非成像光学体系】。此后，一系列非成像光学 理论的提出和完善极大地丰富了非成像光学的概念。在成像光学设计中，光学系统作为 成像工具，基本上都用几何光线的概念来研究其规律，对能量传递的研究较少。从物理 角度来看，光线携带着辐射能，光线的方向也就是辐射能的传播方向。因此从能量的角 度考虑，光学系统也是传递辐射能的渠道，是能量传播的过程，非成像光学就是从能量 传递规律的角度对光学系统进行研究的。 近来，随着平板显示技术、光纤技术及新型照明光源等的出现和发展，在照明应用 场合，对于系统空间利用率、照明均匀性、光线发散角和能量传输的要求越来越趋严格， 而基于成像理论的各种照明系统开始体现出其不足，甚至成为一个瓶颈。因此，越来越 多的科研人员采用非成像光学来解决光学领域中所碰到的问题。从而进一步推动非成像 光学的发展，也在一定程度上丰富了成像光学理论。 1 2 浙江大学硕十学位毕业答辩论立 2 1 2 光学扩展量 由于非成像光学不再以成像作为光学设计的理论基础，因此传统的成像质量评价标 准：如像差等已不再适用于基于非成像光学设计的质量评价。与之相对应，基于非成像 光学理论建立的光学系统是已能量传统效率作为评价标准的。这其中最为关键的因素评 价指标即为光学扩展量( t e n d u e ) 【1 1 。 如果一束光束在z = 常量的平面上的面积元为出方并具有一定角度范围岬，则当 该光束通过一个无损耗系统时，下面的等式成立： n 2 d d c d y d