非成像光学介绍(第1课)

1、主讲主讲:许孝芳许孝芳大纲Section 1 非成像光学介绍非成像光学介绍Section 2 LightTools 基本介绍基本介绍Section3 几何形状建立几何形状建立Section4 构建复杂对象构建复杂对象Section5 光学特性设定光学特性设定Section6 定义光源定义光源Section7 接受面与图表接受面与图表Section8 进行模拟进行模拟Section9 Utilities Library 简介简介这和里谐开照始明从一、成像光学系统与非成像光学系统区别 成像成像光学光学是以提高光学系统的成像质量为研究宗旨是以提高光学系统的成像质量为研究宗旨的学科，它所追求的是如何在

2、焦平面上的学科，它所追求的是如何在焦平面上获得完美的图获得完美的图像像。 一般的传统成像系统设计的途径是将问题看作一般的传统成像系统设计的途径是将问题看作设计一个数值孔径设计一个数值孔径NA非常大的成像光学系统。非常大的成像光学系统。 (数数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决：值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决：定和影响着其他各项技术参数：如它与定和影响着其他各项技术参数：如它与分辨率分辨率成正成正比，与比，与放大率放大率成正比，与成正比，与焦深焦深成反比，成反比，NA值增大值增大，视场宽度与工作距离视场宽度与工作距离都会相应地都会相应地变小变小。) 成像光学系统但是就成像

3、系统会聚光的性能而言，任何利用成像原但是就成像系统会聚光的性能而言，任何利用成像原理聚光的系统，由于像差的存在，聚焦位置会产生一理聚光的系统，由于像差的存在，聚焦位置会产生一定的弥散斑，因此定的弥散斑，因此无法达到理论上的聚光能力无法达到理论上的聚光能力。非成像光学然而一些在成像系统中会形成然而一些在成像系统中会形成很大相差的很大相差的集光器集光器却使得这个却使得这个问问 题得到有效解决。这些集题得到有效解决。这些集光器比成像系统更为有效且可光器比成像系统更为有效且可以通过设计实现或者接近理论以通过设计实现或者接近理论的最大值。我们将它们称作的最大值。我们将它们称作非非成像集光器成像集光器。这

4、些光学系统与。这些光学系统与往常使用的光学系统往常使用的光学系统 有很大有很大区别。区别。它们同时具备光管的一它们同时具备光管的一些性质以及成像光学系统的一些性质以及成像光学系统的一些性质，然而却存在很大的像些性质，然而却存在很大的像差。差。非成像光学 - 起源非成像光学理论起源于六十年代中期，非成像光学理论起源于六十年代中期，1966年，年，Hinterbgerer和和nostn在发表的一篇提高在发表的一篇提高太阳能收集太阳能收集效率的文献中首次提出效率的文献中首次提出“非成像光学非成像光学” （non imaging optics）一词。一词。1967年年Bov提出将其应用于提出将其应用于

5、太阳能收集系统中的太阳能收集系统中的复合抛物集能器复合抛物集能器 （CPC，Compound Parabolic Concenrtator）设计，同年，）设计，同年，ploke设计出一种应用于显微镜系统中替代传统聚光镜设计出一种应用于显微镜系统中替代传统聚光镜的三维的三维 CPC。七十年代中期，。七十年代中期，Winston和和lofdr等人提等人提出非成像光学概念，此后，一系列非成像光学理论的出非成像光学概念，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概念。提出和完善极大地丰富了非成像光学概念。非成像光学非成像光学应用于非成像光学应用于主要目的是对光能传递的控制主要目的是对

6、光能传递的控制而非成像而非成像的系统中，然而成像并不被排除在非成的系统中，然而成像并不被排除在非成像设计之外。像设计之外。所以在非成像光学设计中，是从能量的角度考虑所以在非成像光学设计中，是从能量的角度考虑问题，光学系统中的光线携带着辐射能，光线的问题，光学系统中的光线携带着辐射能，光线的方向方向 也就是辐射能的传播方向。光学系统是传递也就是辐射能的传播方向。光学系统是传递辐射能量的工具，也是能量传播的过程，辐射能量的工具，也是能量传播的过程，非非成像成像光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究的。研究的。非成像光学系统需解决的两个问题：非成像光

7、学非成像光学需要解决的两个主要辐射传递的设需要解决的两个主要辐射传递的设计问题是使计问题是使传递能量最大化传递能量最大化并且得到需要的并且得到需要的照照度分布度分布。这两个设计领域通常被简单的称为。这两个设计领域通常被简单的称为集集光和照明光和照明。非成像光学应用于许多不同的领域，。非成像光学应用于许多不同的领域，例如太阳能采集，例如太阳能采集，光纤光纤照明，显示系统，以及照明，显示系统，以及LED照明照明（路灯、车灯照明等）。（路灯、车灯照明等）。非成像光学非成像光学u非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上成像及成像后的质量，其主要关注的是成像及

8、成像后的质量，其主要关注的是光源的能量光源的能量利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情况。况。u如图如图1 1 所示，在成像光学系统中，其主要传递的所示，在成像光学系统中，其主要传递的是物点的光强度及位置信息，而在非成像光学系统是物点的光强度及位置信息，而在非成像光学系统中，则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分中，则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分配。配。对非成像光学系统的评价主要是能量利用率。能量的分配如图如图2 2所示的非成像光学器件模型：所示的非成像光学器件模型：A A 所代表的平所代表的平面是入射孔径面积，面是入射孔径面积，A

9、A所在的平面则是出射孔径所在的平面则是出射孔径面积。面积。假设该器件的出射孔径面积假设该器件的出射孔径面积AA能够让全部光线都能够让全部光线都透过这部分面积出射，透过这部分面积出射，入射光束面积与出射光束面入射光束面积与出射光束面积这两者之间的比值积这两者之间的比值C C 就是能量收集率。就是能量收集率。能量利用率：C= A/ A 为评价非成像光学系统的能量利用率，首先引入光学扩展量（光学扩展量（Etendue）的概念。光学扩展量用来描述光学系统传输能量的能力以及光束本身的走向，这样光学设计者可以在能量分配上进行评价和修正。如图所示： 设光学系统在左右两侧入射介质与出射介质的折射率分别为n和n

10、，入射点和出射点分别为p和p。光学系统入射端和出射端的直角坐标系分别为0 xyz和0 xyz。设入射点p在0 xyz下的坐标及入射角方向余弦分别为（x,y,z）及（L,M,N）,出射点p在0 xyz下的坐标及出射角方向余弦分别为（x,y,z）及（L,M,N）,可由程函方程得到 上上 式描写的是具有一定孔径截面大小及角度式描写的是具有一定孔径截面大小及角度方向的光辐射经光学系统后的变化。其光学意义方向的光辐射经光学系统后的变化。其光学意义是在光学系统中，如果系统为无反射、折射、散是在光学系统中，如果系统为无反射、折射、散射、吸收等能量损失的理想状态，那么在一个射、吸收等能量损失的理想状态，那么在

11、一个面面积元大小为积元大小为dx dy、立体角大小为立体角大小为dLdM的光辐射的光辐射通量在传播过程中辐射能量保持不变。通量在传播过程中辐射能量保持不变。 现有非成像系统如下图所示，光线以现有非成像系统如下图所示，光线以角度照射角度照射到光学系统的输入面，橫截面面积为到光学系统的输入面，橫截面面积为A，输入光线方，输入光线方向为向为L，光线输出处的橫截面积为，光线输出处的橫截面积为A，输出角为，输出角为，假设光学系统无反射、折射、吸收等能量损失，假设光学系统无反射、折射、吸收等能量损失，根据根据光学扩展量有：光学扩展量有：sin2 A = sin2A根据输入输出的面积和角度的关系，定义能量收

12、集比率C为： 对于一定的输入面积A及输入角，当等于90度时，有理论最大收集比率： 如何提高能量收集率基于非成像理论的自由曲面光学器件 自由曲面光学器件的设计自由曲面光学器件的设计基于非成像理论，基于非成像理论，不仅可以自由分配光强，也可以控制光线角度、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，令光源的出射光重新分布，光程差等物理量，令光源的出射光重新分布，在照明面上形成特定的光斑，可满足一系列照在照明面上形成特定的光斑，可满足一系列照明要求，同时极大地提高了能量利用率。明要求，同时极大地提高了能量利用率。自由曲面光学器件设计方法的发展 上世纪上世纪60年代中期，即非成像光学理论

13、提出的同时年代中期，即非成像光学理论提出的同时也几乎出现了基于非成像也几乎出现了基于非成像UNG学理论的学理论的自由曲面的设自由曲面的设计思想。计思想。1965年年Domina E.spence等人提出了等人提出了“宏宏焦点焦点”圆锥曲面的概念圆锥曲面的概念: 单个椭球面或者抛物面能对点单个椭球面或者抛物面能对点光源进行理想聚焦或者准直，但是当光源为光源进行理想聚焦或者准直，但是当光源为扩扩展展光源光源，效果就不是十分理想效果就不是十分理想Spence在文中指出可通过采用在文中指出可通过采用由多个离散的曲线段拼接而成的圆锥曲线来解决这一问由多个离散的曲线段拼接而成的圆锥曲线来解决这一问题，每一

14、曲线段为椭圆或抛物线的一部分，通过控制曲题，每一曲线段为椭圆或抛物线的一部分，通过控制曲线段的参数来控制线段的参数来控制入入射光线的反射光方向射光线的反射光方向。 目前自由曲面多应用于汽车车灯的反射镜中以提目前自由曲面多应用于汽车车灯的反射镜中以提高照明效率，而且还应用于手机的背光模组的轮廓渐高照明效率，而且还应用于手机的背光模组的轮廓渐变变V形槽结构中，如图所示，通过形槽结构中，如图所示，通过V形槽产生一定角度形槽产生一定角度内的光输出，互相叠加之后产生照明光斑。内的光输出，互相叠加之后产生照明光斑。非成像光学 - 其他引所以与相差理论不同的是非成像光学不考虑或很少考所以与相差理论不同的是非

15、成像光学不考虑或很少考虑相差对系统性能的影响，而是光能利用率作为系统虑相差对系统性能的影响，而是光能利用率作为系统的评价标准。的评价标准。 对于面光源，对于面光源，发光强度发光强度是有方向性的，因此是有方向性的，因此亮度也是有方向性的。亮度是亮度也是有方向性的。亮度是单位单位面积单位面积单位立体角立体角内发射的内发射的光通量光通量，也就是说，也就是说光通量光通量在在两个集合空间扩展的一种量度，即在面积上两个集合空间扩展的一种量度，即在面积上的扩展和的扩展和立体角立体角内的扩展。内的扩展。 相关光学术语亮度亮度光强光强Primary Illumination QuantitiesLm/sr=cd

16、Flux通通量量Illuminance(照度照度)Intensity(光强光强)Luminance(亮度亮度or辉度辉度)/Area/Solid AngleLm/Area/ Solid AngleCd/Scattering（散射）InOutSpecularSnellsLawInOutDiffuseLambertianInOutReal LifeMixture没有完美的光滑表面，散射设计在设计上往往占有重没有完美的光滑表面，散射设计在设计上往往占有重大的功用！大的功用！接收面接收面非成像光学的应用 由于非成像光学在设计时彻底打破了光源的成像过程，非成像光学应用于照明系统能改善其照明效果，同时由于

17、非成像光学把光能利用率作为评价系统设计的标准，基于此思想设计的照明系统能得到有效提高。小型高效的LED照明系统1.LED小型投影仪小型投影仪 下图为方棒照明系统。由图知：光线在方棒内壁进行下图为方棒照明系统。由图知：光线在方棒内壁进行了了3次左右反射之后，在方棒出口处形成了一矩形的均次左右反射之后，在方棒出口处形成了一矩形的均匀光斑。若在方棒出口处与显示芯片之间设计一组光学匀光斑。若在方棒出口处与显示芯片之间设计一组光学透透 镜，将方棒出口处的光斑成像到显示芯片上，实现均镜，将方棒出口处的光斑成像到显示芯片上，实现均匀照明。匀照明。2.景观照明：包括商业街、步行街道路照明、商业建筑景观照明：包括商业街、步行街道路照明、商业建筑 物户外照明、广告招牌照明等。物户外照明、广告招牌照明等。3.LED手电筒：传统的灯泡手电的优点是光谱连续、光手电筒：传统的灯泡手电的优点是光谱连续、光 色舒适，但在低功率下效率较低，在电色舒适，但在低功