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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。

目 录

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

苏宙平，男，江南大学副教授。苏宙平分别在中科院上海光机所和中科院长春光机所获得博士和硕士学位；曾经在罗切斯特大学 Hopkins光学设计中心、自由曲面光学中心作Visiting Scientist；在台湾“中央大学”光电系，作访问学者；主要研究方向为成像与非成像光学设计，特别是自由曲面在光学设计中的应用；主持国家自然基金，中央高校基本业务课题等8项，在Opt.Express, J.Photo. Enery, Chin.Opt.Lett.等发表论文25篇左右，申请专利近15项，担任Opt.Express,Appl.Opt.,Chin.Opt.Lett.的审稿人，光学学报Topical Editor(光学设计方向)。

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编辑推荐

本书总结了一些典型的非成像光学系统，针对每种非成像光学系统的设计思想、设计方法及设计过程进行了详细的介绍，并给出了设计案例。读者在掌握每种系统设计方法之后，使用相应的算法，只要修改一些参数，就能设计出自己想要的系统，这对读者完成相关的设计将起到有益的帮助。

前言

前言　　

非成像光学系统设计具有很广泛的应用价值，如照明中的光学设计、太阳能集光器设计、激光加工中的光束整形系统设计等。与成像光学系统有所不同，非成像光学系统很难通过商用的光学设计软件直接优化出后的结果。究其原因如下：①非成像光学系统很难找到现成的初始结构;②非成像光学系统如照明系统需要计算辐照度分布，这需要追迹几十万甚至上百万条光线，因此优化速度会很慢，很难得到的结果。尽管这样，大部分的从业人员都是使用商用的软件，通过反复调试的方法来得到一个设计结果，这种试错的方法非常耗时，而且很难取得满意的结果。本书总结了一些典型的非成像光学系统，针对每种非成像光学系统的设计思想、设计方法及设计过程进行了详细的介绍，并给出了设计案例。读者在掌握每种系统设计方法之后，使用相应的算法，只要修改一些参数，就能设计出自己想要的系统，这对读者完成相关的设计将起到有益的帮助。本书适合光学工程、LED照明、太阳能集光技术、激光加工、激光整形的高年级本科生、研究生及相关专业的工程技术人员和科研人员阅读。　

　本书共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、太阳能利用属于新能源领域，激光扩束与整形在激光加工中有重要的应用，属于先进加工与制造领域，这些领域都是“十三五”期间国家重点规划的领域。全书紧紧围绕工程应用中的实际案例，总结了非成像领域近些年来的一些新的研究成果，归纳出了非成像领域里面的一些普遍性和通用性的设计方法。书中针对一些比较难的设计问题也进行了深入的探讨，如扩展LED光源的光学设计、发散激光光束的整形光学系统设计这些问题都具有很高的实际应用价值。　　

本书在编写过程中得到了讯技光电科技(上海)有限公司的大力支持，提供了本书第12章“基于FRED非成像光学设计案例”。感谢机械工业出版社的刘星宁先生在本书出版过程中给予的帮助。感谢我的学生彭亚蒙、李潇的帮助，也感谢参加我的光学设计课程的学生们，你们在课程中的反馈对本书内容的完善起到了重要的作用。　　

由于作者水平有限，加之编写时间紧张，书中难免有不妥甚至是错误之处，敬请读者批评指正。

作者

书籍介绍

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。