光學(xué)自由曲面設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究.pdf

1、光學(xué)自光學(xué)自由曲面由曲面設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用方法及應(yīng)用研究研究StudyonDesignApplicationofFreefmOptics一級(jí)學(xué)科：儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)作者姓名：程穎指導(dǎo)教師：房豐洲教授天津大學(xué)精密儀器及光電子工程學(xué)院二零一三年六月I摘要光學(xué)自由曲面面型復(fù)雜、可控制自由度多，能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)面型不能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)映射關(guān)系，但是由于自由曲面面型的特殊性，目前光學(xué)領(lǐng)域并沒(méi)有提出一種普遍適用的自由曲面設(shè)計(jì)方法。因此，

2、其設(shè)計(jì)方法的研究已經(jīng)成為光學(xué)自由曲面發(fā)展的重要領(lǐng)域。隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)自由曲面的加工已成為可能，且在航空、醫(yī)療、民用、軍事上都有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文研究了光學(xué)自由曲面設(shè)計(jì)方法，并就其典型應(yīng)用開(kāi)展了深入研究。對(duì)不同應(yīng)用需求使用相應(yīng)的自由曲面設(shè)計(jì)方法，完成了光學(xué)自由曲面在成像和非成像中的典型應(yīng)用實(shí)例，主要內(nèi)容如下：1.基于對(duì)現(xiàn)有光學(xué)自由曲面設(shè)計(jì)方法（SMS法和微分法）的研究，提出了一種三維自由曲面設(shè)計(jì)方法，即三維幾何構(gòu)造法，同

3、時(shí)保證了光學(xué)要求和曲面光滑性的要求。并利用幾何構(gòu)造法設(shè)計(jì)了LED二次光學(xué)元件，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性；2.研究了光學(xué)自由曲面在典型非成像光學(xué)系統(tǒng)聚光光伏中的應(yīng)用，采用幾何構(gòu)造法設(shè)計(jì)完成了三種類(lèi)型聚光鏡，完成了相應(yīng)的超精密加工和光學(xué)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的Fresnel聚光鏡可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大小光斑的會(huì)聚，二級(jí)聚光鏡可有效提高到達(dá)電池片太陽(yáng)光的均勻性；3.基于聚光光伏系統(tǒng)的超薄輕型化設(shè)計(jì)需求，提出了一種超短聚焦聚光鏡的新型設(shè)計(jì)方法，采用微分法和幾何構(gòu)造法

4、相結(jié)合，并利用透鏡陣列和自由曲面反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的精確控制，將太陽(yáng)能電池放置在聚光鏡側(cè)面，大幅度的降低聚光模組的整體厚度，可實(shí)現(xiàn)聚光鏡的輕薄化；4.為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的聚光鏡的性能，開(kāi)展了太陽(yáng)模擬器的研究，設(shè)計(jì)了由兩片自由曲面反射鏡組成的太陽(yáng)模擬器，完成了反射型自由曲面陣列積分鏡的設(shè)計(jì)和加工，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光能量的均勻化作用；5.研究了自由曲面在成像光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用三維幾何構(gòu)造法和光學(xué)仿真軟件相結(jié)合，解決了成像光學(xué)系統(tǒng)中復(fù)雜自由曲面面型的設(shè)