相對(duì)于傳統(tǒng)照明光學(xué)系統(tǒng),自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)擁有更高的設(shè)計(jì)自由度,能夠進(jìn)行光線的精細(xì)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜照明輸出;同時(shí)系統(tǒng)也擁有更為靈活的空間布局,這為實(shí)現(xiàn)健康照明、節(jié)能照明、綠色照明的理念提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,自由曲面照明將擁有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)其設(shè)計(jì)方法的研究也將具有更大的應(yīng)用價(jià)值。基于此,本課題擬對(duì)自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,為其提供一套可靠的光學(xué)解決方案,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、高效、靈活的設(shè)計(jì)目的,在研究過(guò)程中,主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段為基于一階微分方程的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),面向?qū)ΨQ性輻照輸出;第二階段設(shè)計(jì)從二維擴(kuò)展到三維,實(shí)現(xiàn)了出射光線整體精細(xì)控制的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;第三階段構(gòu)建了兩種簡(jiǎn)化Monge-Ampère方程形式的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,獲得了更佳的設(shè)計(jì)效果。本文的主要工作和創(chuàng)新之處如下:1)對(duì)具有對(duì)稱特性輻照輸出的光學(xué)系統(tǒng),研究獲得了顯式和隱式兩種數(shù)學(xué)模型,對(duì)兩種模型設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析,確立了隱式設(shè)計(jì)和B樣條母線構(gòu)建的設(shè)計(jì)方法,在少量采樣點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)了理想輻照輸出效果。并對(duì)該設(shè)計(jì)方法所得到的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探究了系統(tǒng)輸出特性,然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與太陽(yáng)模擬技術(shù)領(lǐng)域中具有類似輻照目標(biāo)的太陽(yáng)模擬器照明光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行比較,得到了這類系統(tǒng)的特性。2)采用譜方法處理系統(tǒng)Monge-Ampère方程,對(duì)于簡(jiǎn)單輻照輸出,采用切比雪夫譜方法進(jìn)行處理。以均勻方形輻照輸出目標(biāo)為例進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析,仿真分析所得輻照輸出的不均勻度為4.91%。鑒于切比雪夫譜方法采樣點(diǎn)中心區(qū)域稀疏,邊緣區(qū)域密集的特性,對(duì)高分辨率復(fù)雜照明輸出中心區(qū)域設(shè)計(jì)效果的不足,采用傅里葉譜方法對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行處理,并對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊處理,消除了其內(nèi)含周期性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,實(shí)現(xiàn)面向高分辨率復(fù)雜輻照輸出的系統(tǒng)方程解決方法。3)針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從二維擴(kuò)展到三維時(shí)存在的方程復(fù)雜,設(shè)計(jì)效率低;難以處理拓?fù)浞叫魏屯負(fù)鋱A形離散網(wǎng)格之間的映射,光源能量利用率不足的情況。論文從系統(tǒng)核心為能量搬運(yùn)與重新分配的本質(zhì)出發(fā),構(gòu)建了兩種簡(jiǎn)化Monge-Ampère方程形式的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,一種基于光源出射到目標(biāo)輻照的映射,另一種基于目標(biāo)輻照到光源出射的映射。這降低了設(shè)計(jì)難度,提升了設(shè)計(jì)效率,擺脫了自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)幾何關(guān)系的束縛,提升了設(shè)計(jì)靈活性,基于目標(biāo)輻照到光源出射映射的系統(tǒng)模型進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)能力。采用了兩種典型的預(yù)期輻照輸出為例對(duì)上述設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)所得光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)輸出結(jié)果均與預(yù)期相符,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期復(fù)雜輻照輸出,實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浞叫魏屯負(fù)鋱A形離散網(wǎng)格之間的映射,提升了光源能量利用效率。綜上所述,本論文所采用的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅能夠處理高分辨率復(fù)雜輻照輸出光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),還能夠?qū)崿F(xiàn)光源出射與目標(biāo)輻照間拓?fù)鋱A形和拓?fù)浞叫蔚南嗷ビ成?實(shí)現(xiàn)更高的光源能量利用率,是一種具有普適性,簡(jiǎn)單、高效、靈活、實(shí)用的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU113.66;O439
【部分圖文】：

基于數(shù)學(xué)法的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究 自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)自由曲面對(duì)輸出光線精細(xì)調(diào)控的特性，使照明輸出進(jìn)入了“定制”時(shí)代。系控制光線走向以到達(dá)預(yù)定區(qū)域，擁有極高的設(shè)計(jì)自由度，不僅使得光學(xué)系間布局更為靈活，而且能夠提升能量利用效率、簡(jiǎn)化照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下面幾種常見(jiàn)的應(yīng)用示例進(jìn)行說(shuō)明。1）自由曲面在能量利用方面的優(yōu)勢(shì)路燈照明是我們生活中常見(jiàn)的照明方式，傳統(tǒng)路燈為粗放式照明，缺乏對(duì)量的有效規(guī)劃。以圖 1.1 所示的隨拍夜景為例，路燈輸出橢圓型照明光斑中間區(qū)域亮，邊緣區(qū)域暗，路燈間呈現(xiàn)有規(guī)律的明暗相間分布，在相距較相鄰路燈均難以覆蓋的區(qū)域會(huì)形成明顯暗帶，不利于晚間安全出行。

圖 1.2 專用 LED 路燈照明示意圖[8]2）自由曲面在簡(jiǎn)化系統(tǒng)方面優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)模擬器是在室內(nèi)模擬太陽(yáng)在不同大氣質(zhì)量條件下光輻照特性的一種試驗(yàn)或定標(biāo)設(shè)備，多用于空間飛行器的環(huán)境模擬試驗(yàn)，是空間環(huán)境模擬設(shè)備的主要組成部分，能夠?yàn)楹教炱魈峁┡c太陽(yáng)光譜分布匹配的、均勻、準(zhǔn)直穩(wěn)定的太陽(yáng)光輻照，常規(guī)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)如圖 1.3 所示。

圖 1.2 專用 LED 路燈照明示意圖[8]2）自由曲面在簡(jiǎn)化系統(tǒng)方面優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)模擬器是在室內(nèi)模擬太陽(yáng)在不同大氣質(zhì)量條件下光輻照特性的一種試驗(yàn)或定標(biāo)設(shè)備，多用于空間飛行器的環(huán)境模擬試驗(yàn)，是空間環(huán)境模擬設(shè)備的主要組成部分，能夠?yàn)楹教炱魈峁┡c太陽(yáng)光譜分布匹配的、均勻、準(zhǔn)直穩(wěn)定的太陽(yáng)光輻照，常規(guī)太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)如圖 1.3 所示。

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本文編號(hào)：2827338