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本書詳細地介紹了一些典型的非成像系統(tǒng)的光學設(shè)計方法及案例，全書共12章，包含LED照明光學設(shè)計、太陽能集光系統(tǒng)的光學設(shè)計、激光擴束與整形光學系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。LED照明光學設(shè)計包括了LED窄光束光學系統(tǒng)設(shè)計、LED均勻照明的光學系統(tǒng)設(shè)計、擴展LED光源的二次光學設(shè)計及平面LED陣列和球形LED陣列設(shè)計；太陽能集光系統(tǒng)的光學設(shè)計包括了用于太陽能聚光的菲涅耳透鏡及反射式光學系統(tǒng)設(shè)計；激光擴束與整形光學系統(tǒng)設(shè)計包括了透鏡擴束系統(tǒng)、棱鏡擴束系統(tǒng)、自由曲面激光整形系統(tǒng)及微透鏡陣列整形系統(tǒng)的設(shè)計。本書后介紹了光學仿真軟件FRED在非成像光學系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。全書緊緊圍繞工程應(yīng)用中的實際案例，探討設(shè)計思想，介紹設(shè)計方法及設(shè)計過程。讀者可以將本書中的案例，根據(jù)自己的設(shè)計要求稍微做改動就可以應(yīng)用，極大地簡化了設(shè)計過程。

　　前言

　　非成像光學系統(tǒng)設(shè)計具有很廣泛的應(yīng)用價值，如照明中的光學設(shè)計、太陽能集光器設(shè)計、激光加工中的光束整形系統(tǒng)設(shè)計等。與成像光學系統(tǒng)有所不同，非成像光學系統(tǒng)很難通過商用的光學設(shè)計軟件直接優(yōu)化出最后的結(jié)果。究其原因如下：①非成像光學系統(tǒng)很難找到現(xiàn)成的初始結(jié)構(gòu);②非成像光學系統(tǒng)如照明系統(tǒng)需要計算輻照度分布，這需要追跡幾十萬甚至上百萬條光線，因此優(yōu)化速度會很慢，很難得到最佳的結(jié)果。盡管這樣，大部分的從業(yè)人員都是使用商用的軟件，通過反復(fù)調(diào)試的方法來得到一個設(shè)計結(jié)果，這種試錯的方法非常耗時，而且很難取得滿意的結(jié)果。本書總結(jié)了一些典型的非成像光學系統(tǒng)，針對每種非成像光學系統(tǒng)的設(shè)計思想、設(shè)計方法及設(shè)計過程進行了詳細的介紹，并給出了設(shè)計案例。讀者在掌握每種系統(tǒng)設(shè)計方法之后，使用相應(yīng)的算法，只要修改一些參數(shù)，就能設(shè)計出自己想要的系統(tǒng)，這對讀者完成相關(guān)的設(shè)計將起到有益的幫助。本書適合光學工程、LED照明、太陽能集光技術(shù)、激光加工、激光整形的高年級本科生、研究生及相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員和科研人員閱讀。

　　本書共12章，包含LED照明光學設(shè)計、太陽能集光系統(tǒng)的光學設(shè)計、激光擴束與整形光學系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。LED照明、太陽能利用屬于新能源領(lǐng)域，激光擴束與整形在激光加工中有重要的應(yīng)用，屬于先進加工與制造領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都是“十三五”期間國家重點規(guī)劃的領(lǐng)域。全書緊緊圍繞工程應(yīng)用中的實際案例，總結(jié)了非成像領(lǐng)域近些年來的一些新的研究成果，歸納出了非成像領(lǐng)域里面的一些普遍性和通用性的設(shè)計方法。書中針對一些比較難的設(shè)計問題也進行了深入的探討，如擴展LED光源的光學設(shè)計、發(fā)散激光光束的整形光學系統(tǒng)設(shè)計這些問題都具有很高的實際應(yīng)用價值。

　　本書在編寫過程中得到了訊技光電科技(上海)有限公司的大力支持，提供了本書第12章“基于FRED非成像光學設(shè)計案例”。感謝機械工業(yè)出版社的劉星寧先生在本書出版過程中給予的幫助。感謝我的學生彭亞蒙、李瀟的幫助，也感謝參加我的光學設(shè)計課程的學生們，你們在課程中的反饋對本書內(nèi)容的完善起到了重要的作用。

　　由于作者水平有限，加之編寫時間緊張，書中難免有不妥甚至是錯誤之處，敬請讀者批評指正。

　　作者

目錄前言第1章LED窄光束光學系統(tǒng)設(shè)計1 1.1TIR透鏡（含雙透射自由曲面）設(shè)計的基本原理3 1.1.1折射部分自由曲面的設(shè)計3 1.1.2反射部分自由曲面的設(shè)計7 1.1.3案例設(shè)計與分析9 1.2TIR透鏡（含單透射自由曲面）設(shè)計的基本原理10 1.2.1透射部分的外表面設(shè)計10 1.2.2反射部分的反射面設(shè)計11 1.2.3案例設(shè)計與分析12 參考文獻14 第2章實現(xiàn)LED均勻圓形輻照度分布自由曲面光學設(shè)計15 2.1實現(xiàn)LED均勻圓形輻照度分布自由曲面透鏡設(shè)計15 2.1.1實現(xiàn)LED均勻圓形輻照度分布自由曲面透鏡設(shè)計過程16 2.1.2旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面透鏡設(shè)計實例20 2.2實現(xiàn)LED均勻圓形光斑的自由曲面反光杯設(shè)計21 2.2.1LED反光杯設(shè)計原理21 2.2.2LED反光杯設(shè)計過程21 2.2.3LED反光杯設(shè)計實例24 參考文獻25 第3章實現(xiàn)LED均勻矩形輻照度分布自由曲面光學設(shè)計26 3.1用于產(chǎn)生均勻輻照度分布矩形光斑的自由曲面透鏡設(shè)計26 3.1.1將光源按等光通量進行劃分26 3.1.2將目標面按等面積進行劃分29 3.1.3自由曲面透鏡的構(gòu)建算法30 3.2非旋轉(zhuǎn)對稱的非連續(xù)自由曲面透鏡設(shè)計案例33 參考文獻34 第4章基于LED擴展光源的二次光學設(shè)計35 4.1基于反饋優(yōu)化算法設(shè)計LED擴展光源的自由曲面透鏡35 4.1.1反饋優(yōu)化算法的原理35 4.1.2基于幾種不同參數(shù)調(diào)整的反饋優(yōu)化36 4.1.3設(shè)計案例38 4.2基于全局優(yōu)化算法設(shè)計LED擴展光源的自由曲面透鏡40 參考文獻43 第5章平面LED陣列輻照度均勻化技術(shù)44 5.1平面LED陣列的優(yōu)化設(shè)計與集成技術(shù)44 5.1.1LED陣列設(shè)計理論44 5.1.2模擬退火算法設(shè)計46 5.1.3平面LED陣列設(shè)計案例47 5.2大顆數(shù)LED陣列的設(shè)計59 5.2.1基本LED陣列模塊的形成60 5.2.2大顆數(shù)LED陣列的形成方法61 參考文獻62 第6章球形LED陣列輻照度均勻化技術(shù)64 6.1球形LED陣列設(shè)計理論64 6.2遺傳算法設(shè)計66 6.3對稱分布的球形LED陣列照明平面目標面67 6.4非對稱分布的球形LED陣列照明球形目標面70 參考文獻73 第7 章用于太陽能聚光的菲涅耳透鏡設(shè)計74 7.1用于太陽能集光的菲涅耳透鏡設(shè)計原理74 7.1.1等分入射到菲涅耳透鏡上的光能75 7.1.2菲涅耳面的設(shè)計原理與方法77 7.1.3菲涅耳透鏡設(shè)計案例79 7.2用于太陽能集光的菲涅耳透鏡設(shè)計中的其他問題81 參考文獻82 第8章基于反射式的太陽能集光系統(tǒng)的設(shè)計83 8.1復(fù)合拋物面反射器優(yōu)化設(shè)計方法83 8.2實現(xiàn)輻照度均勻分布的雙反射太陽能集光系統(tǒng)設(shè)計86 參考文獻89 第9章激光擴束系統(tǒng)的光學設(shè)計90 9.1棱鏡擴束系統(tǒng)的光學設(shè)計90 9.1.1影響單棱鏡擴束的因素90 9.1.2多棱鏡擴束系統(tǒng)中相鄰棱鏡的位置關(guān)系確定93 9.1.3棱鏡擴束系統(tǒng)設(shè)計案例94 9.2透鏡擴束系統(tǒng)的光學設(shè)計95 9.2.1折射式擴束系統(tǒng)設(shè)計案例96 9.2.2反射式擴束系統(tǒng)設(shè)計案例98 9.2.3柱透鏡擴束設(shè)計案例102 參考文獻102 第10章自由曲面激光光束整形系統(tǒng)設(shè)計103 10.1用于準直激光光束整形的自由曲面透鏡設(shè)計104 10.1.1旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面整形透鏡設(shè)計104 10.1.2非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面整形透鏡設(shè)計107 10.2用于發(fā)散激光光束整形的自由曲面透鏡設(shè)計110 10.3用于同時控制波前與輻照度均勻度的雙自由曲面透鏡115 10.3.1旋轉(zhuǎn)對稱的雙自由曲面透鏡設(shè)計115 10.3.2旋轉(zhuǎn)對稱的雙自由曲面透鏡設(shè)計案例118 參考文獻119 第11章基于微透鏡陣列的激光光束整形120 11.1基于微透鏡陣列的激光光束整形原理120 11.2基于微透鏡陣列的旋轉(zhuǎn)對稱激光光束整形光學系統(tǒng)設(shè)計120 11.3基于微透鏡陣列的非旋轉(zhuǎn)對稱激光光束整形光學系統(tǒng)設(shè)計124 11.3.1基于柱透鏡陣列的一維光束整形125 11.3.2基于柱透鏡陣列的二維光束整形127 參考文獻130 第12章基于FRED非成像光學設(shè)計案例131 12.1FRED功能與應(yīng)用領(lǐng)域介紹131 12.2基于FRED的單反相機的鬼像與雜散光分析133 12.2.1導(dǎo)入光機系統(tǒng)模型133 12.2.2雜散光計算與分析的主要過程133 12.2.3總結(jié)144 12.3基于FRED優(yōu)化導(dǎo)光管實現(xiàn)預(yù)定的輻照度分布144 12.4基于FRED最大激光能量密度位置計算及可視化147 12.4.1聚焦TEM00模式的能量密度可視化147 12.4.2聚焦的“非高斯”能量密度可視化148 參考文獻152

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