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《北京理工大学》 2017年
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基于非成像原理的照明与探测光学系统研究

徐春云  
【摘要】:随着非成像光学理论的发展,非成像光学技术可以实现光能量的收集与再分配,已经广泛应用于照明与激光探测等领域。在能量紧缺的当今社会,采用发光二极管(LED)代替传统光源可以实现绿色环保的照明,给未来照明行业的发展指明了新的方向。基于非成像光学理论的自由曲面照明光学设计具有体积小、设计自由度高、出光光形准确可控等优点。本文进行了LED自由曲面光学设计的相关研究,提出一系列自由曲面透镜的计算方法并应用于不同的照明领域,得到了较为理想的配光效果。基于半主动激光探测原理,本文提出一种非成像分布式孔径激光探测系统结构,实现对目标的跟踪与定位。主要研究内容如下:(1)针对圆对称光斑自由曲面透镜设计,提出一种简单的几何分析方法求解全反射(TIR)自由曲面准直透镜,将该透镜与带有散射片的一体化棱镜结合应用于机场跑道中线灯系统中,测量得到的椭圆形光强分布可以满足国际民航公约(ICAO)规定的光强分布要求;根据能量守恒提出一种简单的能量映射关系,建立光源入射角度与相应的透镜出射角度之间的关系,实现任意配光角度的圆对称光斑均匀照明;提出扩展光源配光曲线模型,建立光源与目标平面的映射关系,采用反馈优化的方法重新进行能量划分,实现扩展光源圆对称光斑均匀照明。(2)针对非圆对称光斑的设计要求,分别设计满足矩形光斑与侧边发光两种照明方式的自由曲面透镜。建立透镜出光角度与矩形照明目标平面之间的对应关系得到自由曲面透镜实体模型,将透镜按照相同方向排布成椭圆形可以满足路灯的照明需求。讨论了两种类型的侧边发光透镜以及光学模拟结果,并将光学性能较好的透镜顶部周边设计两条锯齿应用于立式滑行道边灯,仅用一颗LED光源即可实现联邦航空局(FAA)对立式滑行道边灯的光强分布要求。(3)本文提出一种分布式孔径激光探测光学系统实现对目标的跟踪与定位。仅采用一个四象限探测器探测四个光学系统通过一根4×1传像束光纤传递的能量即可得到目标的位置。光学系统采用像方远心光路提高传像束光纤的效率。根据四象限探测器的原理,传像束光纤以菱形对准方式连接光学系统与四象限探测器。通过公差分析确定光学系统加工与安装的公差容限。建立分布式孔径半主动激光探测系统模型定性分析系统不同视场等效光斑在探测器光敏面上的位置变化情况。搭建系统原理样机,定量测量半主动激光探测系统的线性区范围以及测角误差。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249;TM923.34

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