双自由曲面透镜设计：提升扩展光源照明效率与均匀性

"适于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计.docx" 本文主要探讨了一种针对扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计方法，旨在解决传统照明系统中能量利用率低、透镜体积过大以及照度不均匀等常见问题。在非成像光学的边缘光线理论基础上，该设计方法利用扩展光源两侧边缘光线经过透镜折射后的角度差来精确调控目标面上的照度分布。 首先，设计思路基于非成像光学的边缘光线理论，这是一种用于优化光能分布的理论，它不再关注光线会聚成清晰图像，而是强调最大化光能的传递效率和均匀性。在本设计中，通过调整光源边缘光线的角度差，可以有效地控制目标面上的光照强度，从而实现均匀照明。 接着，设计过程包括了以下步骤：确定设计目标参数，如期望的照度分布、能量利用率等；计算内外两个自由曲面的离散点，这些点构成了透镜表面的基础；然后拟合这些离散点，形成连续的内、外自由曲面轮廓；最后，通过旋转对称化这些曲面，构建出双自由曲面透镜的完整结构。 实证研究显示，采用这种设计方法，在透镜高度与光源直径比例仅为2的情况下，仍能实现高效且均匀的照明效果。在近场条件下，设计的双自由曲面光学系统的能量利用率达到了99.52%，照度均匀度为95.81%，这意味着绝大部分光能被有效地利用，并且照明区域的亮度分布非常均匀。而在远场条件下，尽管部分性能有所下降，能量利用率仍有99.12%，照度均匀度为93.45%，依然保持了极高的照明质量。 此项研究提出的双自由曲面设计方法不仅提供了高能量利用率和高均匀性的照明解决方案，而且显著减小了透镜的体积，这对于需要紧凑型照明设备的场合（如汽车头灯、显示器背光、室内照明等）具有重要意义。此外，这种方法也为未来含有扩展光源的照明系统设计提供了新的理论依据和技术支持，有助于推动相关领域的发展。