非成像光学系统设计方法与实例

本书详细地介绍了一些典型的非成像系统的光学设计方法及案例，全书共12章，包含LED照明光学设计、太阳能集光系统的光学设计、激光扩束与整形光学系统设计等内容。LED照明光学设计包括了LED窄光束光学系统设计、LED均匀照明的光学系统设计、扩展LED光源的二次光学设计及平面LED阵列和球形LED阵列设计；太阳能集光系统的光学设计包括了用于太阳能聚光的菲涅耳透镜及反射式光学系统设计；激光扩束与整形光学系统设计包括了透镜扩束系统、棱镜扩束系统、自由曲面激光整形系统及微透镜阵列整形系统的设计。本书后介绍了光学仿真软件FRED在非成像光学系统设计中的应用。全书紧紧围绕工程应用中的实际案例，探讨设计思想，介绍设计方法及设计过程。读者可以将本书中的案例，根据自己的设计要求稍微做改动就可以应用，极大地简化了设计过程。

前言
第1章LED窄光束光学系统设计1
1.1TIR透镜（含双透射自由曲面）设计的基本原理3
1.1.1折射部分自由曲面的设计3
1.1.2反射部分自由曲面的设计7
1.1.3案例设计与分析9
1.2TIR透镜（含单透射自由曲面）设计的基本原理10
1.2.1透射部分的外表面设计10
1.2.2反射部分的反射面设计11
1.2.3案例设计与分析12
参考文献14
第2章实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面光学设计15
2.1实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面透镜设计15
2.1.1实现LED均匀圆形辐照度分布自由曲面透镜设计过程16
2.1.2旋转对称自由曲面透镜设计实例20
2.2实现LED均匀圆形光斑的自由曲面反光杯设计21
2.2.1LED反光杯设计原理21
2.2.2LED反光杯设计过程21
2.2.3LED反光杯设计实例24
参考文献25
第3章实现LED均匀矩形辐照度分布自由曲面光学设计26
3.1用于产生均匀辐照度分布矩形光斑的自由曲面透镜设计26
3.1.1将光源按等光通量进行划分26
3.1.2将目标面按等面积进行划分29
3.1.3自由曲面透镜的构建算法30
3.2非旋转对称的非连续自由曲面透镜设计案例33
参考文献34
第4章基于LED扩展光源的二次光学设计35
4.1基于反馈优化算法设计LED扩展光源的自由曲面透镜35
4.1.1反馈优化算法的原理35
4.1.2基于几种不同参数调整的反馈优化36
4.1.3设计案例38
4.2基于全局优化算法设计LED扩展光源的自由曲面透镜40
参考文献43
第5章平面LED阵列辐照度均匀化技术44
5.1平面LED阵列的优化设计与集成技术44
5.1.1LED阵列设计理论44
5.1.2模拟退火算法设计46
5.1.3平面LED阵列设计案例47
5.2大颗数LED阵列的设计59
5.2.1基本LED阵列模块的形成60
5.2.2大颗数LED阵列的形成方法61
参考文献62
第6章球形LED阵列辐照度均匀化技术64
6.1球形LED阵列设计理论64
6.2遗传算法设计66
6.3对称分布的球形LED阵列照明平面目标面67
6.4非对称分布的球形LED阵列照明球形目标面70
参考文献73
第7章用于太阳能聚光的菲涅耳透镜设计74
7.1用于太阳能集光的菲涅耳透镜设计原理74
7.1.1等分入射到菲涅耳透镜上的光能75
7.1.2菲涅耳面的设计原理与方法77
7.1.3菲涅耳透镜设计案例79
7.2用于太阳能集光的菲涅耳透镜设计中的其他问题81
参考文献82
第8章基于反射式的太阳能集光系统的设计83
8.1复合抛物面反射器优化设计方法83
8.2实现辐照度均匀分布的双反射太阳能集光系统设计86
参考文献89
第9章激光扩束系统的光学设计90
9.1棱镜扩束系统的光学设计90
9.1.1影响单棱镜扩束的因素90
9.1.2多棱镜扩束系统中相邻棱镜的位置关系确定93
9.1.3棱镜扩束系统设计案例94
9.2透镜扩束系统的光学设计95
9.2.1折射式扩束系统设计案例96
9.2.2反射式扩束系统设计案例98
9.2.3柱透镜扩束设计案例102
参考文献102
第10章自由曲面激光光束整形系统设计103
10.1用于准直激光光束整形的自由曲面透镜设计104
10.1.1旋转对称自由曲面整形透镜设计104
10.1.2非旋转对称自由曲面整形透镜设计107
10.2用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设计110
10.3用于同时控制波前与辐照度均匀度的双自由曲面透镜115
10.3.1旋转对称的双自由曲面透镜设计115
10.3.2旋转对称的双自由曲面透镜设计案例118
参考文献119
第11章基于微透镜阵列的激光光束整形120
11.1基于微透镜阵列的激光光束整形原理120
11.2基于微透镜阵列的旋转对称激光光束整形光学系统设计120
11.3基于微透镜阵列的非旋转对称激光光束整形光学系统设计124
11.3.1基于柱透镜阵列的一维光束整形125
11.3.2基于柱透镜阵列的二维光束整形127
参考文献130
第12章基于FRED非成像光学设计案例131
12.1FRED功能与应用领域介绍131
12.2基于FRED的单反相机的鬼像与杂散光分析133
12.2.1导入光机系统模型133
12.2.2杂散光计算与分析的主要过程133
12.2.3总结144
12.3基于FRED优化导光管实现预定的辐照度分布144
12.4基于FRED最大激光能量密度位置计算及可视化147
12.4.1聚焦TEM00模式的能量密度可视化147
12.4.2聚焦的“非高斯”能量密度可视化148
参考文献152