1、主講主講:許孝芳許孝芳大綱Section 1 非成像光學介紹非成像光學介紹Section 2 LightTools 基本介紹基本介紹Section3 幾何形狀建立幾何形狀建立Section4 構(gòu)建復雜對象構(gòu)建復雜對象Section5 光學特性設定光學特性設定Section6 定義光源定義光源Section7 接受面與圖表接受面與圖表Section8 進行模擬進行模擬Section9 Utilities Library 簡介簡介這和里諧開照始明從一、成像光學系統(tǒng)與非成像光學系統(tǒng)區(qū)別 成像成像光學光學是以提高光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量為研究宗旨是以提高光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量為研究宗旨的學科，它所追求的是如何在

2、焦平面上的學科，它所追求的是如何在焦平面上獲得完美的圖獲得完美的圖像像。 一般的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)設計的途徑是將問題看作一般的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)設計的途徑是將問題看作設計一個數(shù)值孔徑設計一個數(shù)值孔徑NA非常大的成像光學系統(tǒng)。非常大的成像光學系統(tǒng)。 (數(shù)數(shù)值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決：值孔徑與其他技術(shù)參數(shù)有著密切的關(guān)系，它幾乎決：定和影響著其他各項技術(shù)參數(shù)：如它與定和影響著其他各項技術(shù)參數(shù)：如它與分辨率分辨率成正成正比，與比，與放大率放大率成正比，與成正比，與焦深焦深成反比，成反比，NA值增大值增大，視場寬度與工作距離視場寬度與工作距離都會相應地都會相應地變小變小。) 成像光學系統(tǒng)但是就成像

3、系統(tǒng)會聚光的性能而言，任何利用成像原但是就成像系統(tǒng)會聚光的性能而言，任何利用成像原理聚光的系統(tǒng)，由于像差的存在，聚焦位置會產(chǎn)生一理聚光的系統(tǒng)，由于像差的存在，聚焦位置會產(chǎn)生一定的彌散斑，因此定的彌散斑，因此無法達到理論上的聚光能力無法達到理論上的聚光能力。非成像光學然而一些在成像系統(tǒng)中會形成然而一些在成像系統(tǒng)中會形成很大相差的很大相差的集光器集光器卻使得這個卻使得這個問問 題得到有效解決。這些集題得到有效解決。這些集光器比成像系統(tǒng)更為有效且可光器比成像系統(tǒng)更為有效且可以通過設計實現(xiàn)或者接近理論以通過設計實現(xiàn)或者接近理論的最大值。我們將它們稱作的最大值。我們將它們稱作非非成像集光器成像集光器。這

4、些光學系統(tǒng)與。這些光學系統(tǒng)與往常使用的光學系統(tǒng)往常使用的光學系統(tǒng) 有很大有很大區(qū)別。區(qū)別。它們同時具備光管的一它們同時具備光管的一些性質(zhì)以及成像光學系統(tǒng)的一些性質(zhì)以及成像光學系統(tǒng)的一些性質(zhì)，然而卻存在很大的像些性質(zhì)，然而卻存在很大的像差。差。非成像光學 - 起源非成像光學理論起源于六十年代中期，非成像光學理論起源于六十年代中期，1966年，年，Hinterbgerer和和nostn在發(fā)表的一篇提高在發(fā)表的一篇提高太陽能收集太陽能收集效率的文獻中首次提出效率的文獻中首次提出“非成像光學非成像光學” （non imaging optics）一詞。一詞。1967年年Bov提出將其應用于提出將其應用于

5、太陽能收集系統(tǒng)中的太陽能收集系統(tǒng)中的復合拋物集能器復合拋物集能器 （CPC，Compound Parabolic Concenrtator）設計，同年，）設計，同年，ploke設計出一種應用于顯微鏡系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)聚光鏡設計出一種應用于顯微鏡系統(tǒng)中替代傳統(tǒng)聚光鏡的三維的三維 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學概念，此后，一系列非成像光學理論的出非成像光學概念，此后，一系列非成像光學理論的提出和完善極大地豐富了非成像光學概念。提出和完善極大地豐富了非成像光學概念。非成像光學非成像光學應用于非成像光學應用于主要目的是對光能傳遞的控制主要目的是對

6、光能傳遞的控制而非成像而非成像的系統(tǒng)中，然而成像并不被排除在非成的系統(tǒng)中，然而成像并不被排除在非成像設計之外。像設計之外。所以在非成像光學設計中，是從能量的角度考慮所以在非成像光學設計中，是從能量的角度考慮問題，光學系統(tǒng)中的光線攜帶著輻射能，光線的問題，光學系統(tǒng)中的光線攜帶著輻射能，光線的方向方向 也就是輻射能的傳播方向。光學系統(tǒng)是傳遞也就是輻射能的傳播方向。光學系統(tǒng)是傳遞輻射能量的工具，也是能量傳播的過程，輻射能量的工具，也是能量傳播的過程，非非成像成像光學就是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學系統(tǒng)進行光學就是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學系統(tǒng)進行研究的。研究的。非成像光學系統(tǒng)需解決的兩個問題：非成像光

7、學非成像光學需要解決的兩個主要輻射傳遞的設需要解決的兩個主要輻射傳遞的設計問題是使計問題是使傳遞能量最大化傳遞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。這兩個設計領(lǐng)域通常被簡單的稱為。這兩個設計領(lǐng)域通常被簡單的稱為集集光和照明光和照明。非成像光學應用于許多不同的領(lǐng)域，。非成像光學應用于許多不同的領(lǐng)域，例如太陽能采集，例如太陽能采集，光纖光纖照明，顯示系統(tǒng)，以及照明，顯示系統(tǒng)，以及LED照明照明（路燈、車燈照明等）。（路燈、車燈照明等）。非成像光學非成像光學u非成像光學注重的并非是光源能夠在目標平面上非成像光學注重的并非是光源能夠在目標平面上成像及成像后的質(zhì)量，其主要關(guān)注的是成像及

8、成像后的質(zhì)量，其主要關(guān)注的是光源的能量光源的能量利用率以及該能量在方位角及空間內(nèi)的具體分布情利用率以及該能量在方位角及空間內(nèi)的具體分布情況。況。u如圖如圖1 1 所示，在成像光學系統(tǒng)中，其主要傳遞的所示，在成像光學系統(tǒng)中，其主要傳遞的是物點的光強度及位置信息，而在非成像光學系統(tǒng)是物點的光強度及位置信息，而在非成像光學系統(tǒng)中，則主要是對物點能量進行傳輸及重新組合與分中，則主要是對物點能量進行傳輸及重新組合與分配。配。對非成像光學系統(tǒng)的評價主要是能量利用率。能量的分配如圖如圖2 2所示的非成像光學器件模型：所示的非成像光學器件模型：A A 所代表的平所代表的平面是入射孔徑面積，面是入射孔徑面積，A

9、A所在的平面則是出射孔徑所在的平面則是出射孔徑面積。面積。假設該器件的出射孔徑面積假設該器件的出射孔徑面積AA能夠讓全部光線都能夠讓全部光線都透過這部分面積出射，透過這部分面積出射，入射光束面積與出射光束面入射光束面積與出射光束面積這兩者之間的比值積這兩者之間的比值C C 就是能量收集率。就是能量收集率。能量利用率：C= A/ A 為評價非成像光學系統(tǒng)的能量利用率，首先引入光學擴展量（光學擴展量（Etendue）的概念。光學擴展量用來描述光學系統(tǒng)傳輸能量的能力以及光束本身的走向，這樣光學設計者可以在能量分配上進行評價和修正。如圖所示： 設光學系統(tǒng)在左右兩側(cè)入射介質(zhì)與出射介質(zhì)的折射率分別為n和n

10、，入射點和出射點分別為p和p。光學系統(tǒng)入射端和出射端的直角坐標系分別為0 xyz和0 xyz。設入射點p在0 xyz下的坐標及入射角方向余弦分別為（x,y,z）及（L,M,N）,出射點p在0 xyz下的坐標及出射角方向余弦分別為（x,y,z）及（L,M,N）,可由程函方程得到 上上 式描寫的是具有一定孔徑截面大小及角度式描寫的是具有一定孔徑截面大小及角度方向的光輻射經(jīng)光學系統(tǒng)后的變化。其光學意義方向的光輻射經(jīng)光學系統(tǒng)后的變化。其光學意義是在光學系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)為無反射、折射、散是在光學系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)為無反射、折射、散射、吸收等能量損失的理想狀態(tài)，那么在一個射、吸收等能量損失的理想狀態(tài)，那么在

11、一個面面積元大小為積元大小為dx dy、立體角大小為立體角大小為dLdM的光輻射的光輻射通量在傳播過程中輻射能量保持不變。通量在傳播過程中輻射能量保持不變。 現(xiàn)有非成像系統(tǒng)如下圖所示，光線以現(xiàn)有非成像系統(tǒng)如下圖所示，光線以角度照射角度照射到光學系統(tǒng)的輸入面，橫截面面積為到光學系統(tǒng)的輸入面，橫截面面積為A，輸入光線方，輸入光線方向為向為L，光線輸出處的橫截面積為，光線輸出處的橫截面積為A，輸出角為，輸出角為，假設光學系統(tǒng)無反射、折射、吸收等能量損失，假設光學系統(tǒng)無反射、折射、吸收等能量損失，根據(jù)根據(jù)光學擴展量有：光學擴展量有：sin2 A = sin2A根據(jù)輸入輸出的面積和角度的關(guān)系，定義能量收

12、集比率C為： 對于一定的輸入面積A及輸入角，當?shù)扔?0度時，有理論最大收集比率： 如何提高能量收集率基于非成像理論的自由曲面光學器件 自由曲面光學器件的設計自由曲面光學器件的設計基于非成像理論，基于非成像理論，不僅可以自由分配光強，也可以控制光線角度、不僅可以自由分配光強，也可以控制光線角度、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，可滿足一系列照在照明面上形成特定的光斑，可滿足一系列照明要求，同時極大地提高了能量利用率。明要求，同時極大地提高了能量利用率。自由曲面光學器件設計方法的發(fā)展 上世紀上世紀60年代中期，即非成像光學理論

13、提出的同時年代中期，即非成像光學理論提出的同時也幾乎出現(xiàn)了基于非成像也幾乎出現(xiàn)了基于非成像UNG學理論的學理論的自由曲面的設自由曲面的設計思想。計思想。1965年年Domina E.spence等人提出了等人提出了“宏宏焦點焦點”圓錐曲面的概念圓錐曲面的概念: 單個橢球面或者拋物面能對點單個橢球面或者拋物面能對點光源進行理想聚焦或者準直，但是當光源為光源進行理想聚焦或者準直，但是當光源為擴擴展展光源光源，效果就不是十分理想效果就不是十分理想Spence在文中指出可通過采用在文中指出可通過采用由多個離散的曲線段拼接而成的圓錐曲線來解決這一問由多個離散的曲線段拼接而成的圓錐曲線來解決這一問題，每一

14、曲線段為橢圓或拋物線的一部分，通過控制曲題，每一曲線段為橢圓或拋物線的一部分，通過控制曲線段的參數(shù)來控制線段的參數(shù)來控制入入射光線的反射光方向射光線的反射光方向。 目前自由曲面多應用于汽車車燈的反射鏡中以提目前自由曲面多應用于汽車車燈的反射鏡中以提高照明效率，而且還應用于手機的背光模組的輪廓漸高照明效率，而且還應用于手機的背光模組的輪廓漸變變V形槽結(jié)構(gòu)中，如圖所示，通過形槽結(jié)構(gòu)中，如圖所示，通過V形槽產(chǎn)生一定角度形槽產(chǎn)生一定角度內(nèi)的光輸出，互相疊加之后產(chǎn)生照明光斑。內(nèi)的光輸出，互相疊加之后產(chǎn)生照明光斑。非成像光學 - 其他引所以與相差理論不同的是非成像光學不考慮或很少考所以與相差理論不同的是非

15、成像光學不考慮或很少考慮相差對系統(tǒng)性能的影響，而是光能利用率作為系統(tǒng)慮相差對系統(tǒng)性能的影響，而是光能利用率作為系統(tǒng)的評價標準。的評價標準。 對于面光源，對于面光源，發(fā)光強度發(fā)光強度是有方向性的，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。亮度是單位單位面積單位面積單位立體角立體角內(nèi)發(fā)射的內(nèi)發(fā)射的光通量光通量，也就是說，也就是說光通量光通量在在兩個集合空間擴展的一種量度，即在面積上兩個集合空間擴展的一種量度，即在面積上的擴展和的擴展和立體角立體角內(nèi)的擴展。內(nèi)的擴展。 相關(guān)光學術(shù)語亮度亮度光強光強Primary Illumination QuantitiesLm/sr=cd

16、Flux通通量量Illuminance(照度照度)Intensity(光強光強)Luminance(亮度亮度or輝度輝度)/Area/Solid AngleLm/Area/ Solid AngleCd/Scattering（散射）InOutSpecularSnellsLawInOutDiffuseLambertianInOutReal LifeMixture沒有完美的光滑表面，散射設計在設計上往往占有重沒有完美的光滑表面，散射設計在設計上往往占有重大的功用！大的功用！接收面接收面非成像光學的應用 由于非成像光學在設計時徹底打破了光源的成像過程，非成像光學應用于照明系統(tǒng)能改善其照明效果，同時由于

17、非成像光學把光能利用率作為評價系統(tǒng)設計的標準，基于此思想設計的照明系統(tǒng)能得到有效提高。小型高效的LED照明系統(tǒng)1.LED小型投影儀小型投影儀 下圖為方棒照明系統(tǒng)。由圖知：光線在方棒內(nèi)壁進行下圖為方棒照明系統(tǒng)。由圖知：光線在方棒內(nèi)壁進行了了3次左右反射之后，在方棒出口處形成了一矩形的均次左右反射之后，在方棒出口處形成了一矩形的均勻光斑。若在方棒出口處與顯示芯片之間設計一組光學勻光斑。若在方棒出口處與顯示芯片之間設計一組光學透透 鏡，將方棒出口處的光斑成像到顯示芯片上，實現(xiàn)均鏡，將方棒出口處的光斑成像到顯示芯片上，實現(xiàn)均勻照明。勻照明。2.景觀照明：包括商業(yè)街、步行街道路照明、商業(yè)建筑景觀照明：包括商業(yè)街、步行街道路照明、商業(yè)建筑 物戶外照明、廣告招牌照明等。物戶外照明、廣告招牌照明等。3.LED手電筒：傳統(tǒng)的燈泡手電的優(yōu)點是光譜連續(xù)、光手電筒：傳統(tǒng)的燈泡手電的優(yōu)點是光譜連續(xù)、光 色舒適，但在低功率下效率較低，在電色舒適，但在低功