为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题，根据非成像光学边缘光线理论，提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布，根据设计目标参数，计算内外自由曲面离散点，拟合内外自由曲面的轮廓曲线，得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下，利用此方法，经过数值计算以及光学仿真，设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%，照度均匀度为95.81%；远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%，照度均匀度为93.45%。研究结果表明，所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。

在理论上，全内反射透镜可对所有光线进行收集，因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构。利用光学软件进行仿真和实验测试，分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性，包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率，并揭示了出射光束发散特性的决定机制。研究发现：与同口径平凸准直透镜的配光效果相比，全内反射透镜的光通量利用率提升显著，但出射光束发散角也明显增大，使得二者出射光束光强无明显差别；且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同，故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差。

扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性决定了其极限照明距离的大小。基于费马原理,给出了平凸准直透镜面型的解析表达式,根据成像光学相关理论推导出扩展光源条件下准直照明系统中出射光束发散角的计算公式,并进行了模拟仿真和实验验证。研究发现扩展光源准直照明系统中出射光束的发散角与光源发光区域的尺寸成正比,与准直透镜的焦距成反比,与透镜口径无关。该结论可为扩展光源准直照明系统出射光束发散角的压缩和极限照明距离的拓展提供理论依据,对探照类灯具研制中光源的选择、准直配光透镜的设计有指导意义。

传统的两层棱镜膜对于MiniLED背光的增亮效果不明显, 因此设计了一种微结构薄膜来代替两层棱镜膜。首先, 根据MiniLED背光的配光曲线及尺寸, 对微结构进行分段设计。将与MiniLED芯片等宽区域设定为顶角90°的棱柱结构, 对2个MiniLED芯片之间的区域, 将MiniLED芯片作为扩展光源, 芯片2个端点发出的光束到达微结构底面会形成一个夹角, 将夹角的角平分线处光线准直到轴向方向, 结合Snell定律进行计算, 得到棱柱微结构倾角。然后, 通过LightTools仿真软件对单个微结构及微结构阵列分别进行了建模和仿真, 仿真结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相比于加两层棱镜膜提升了31.3%。最后, 通过无掩模光刻设备对设计的微结构薄膜进行加工制备, 并对样片进行测试。实测结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相较于加两层棱镜膜提升了25.7%。实现了针对MiniLED背光模组的亮度增强设计。

扩展光源的二次光学设计对于开拓大功率发光二极管(LED)在照明领域的应用具有重要意义。分析扩展光源条件下匀光配光系统照明效果的退化原因,提出一种折射率预补偿方法,并基于该方法针对8 mm口径的扩展光源设计匀光配光透镜。仿真结果表明:经该透镜配光后,目标面上的光斑塌边长度大幅减小,陡边性变好;有效照明区域增大,有效照明区域平均照度提升,归一化均方根进一步减小,照度均匀性明显改善;光线能量更集中于有效照明区域,照明效率显著提高。该方法原理简单,效果显著,为扩展光源实现匀光照明提供了一种新思路。

利用大量外场实验数据,研究了红外测量系统输出灰度及定标背景偏置随环境温度的变化规律,分析了背景偏置变化对面目标辐射测量精度的影响。在此基础上,提出了一种基于背景偏置对消的面目标辐亮度计算新方法。该方法消除了对环境温度依赖较大的背景偏置项的影响,可有效提高动态目标红外辐射特性的测量精度。采用传统方法和新方法对某型飞机的动态特性测试数据进行了处理和比较,结果验证了新方法的有效性。

为了获得LED扩展光源大角度均匀照明, 采用双自由曲面, 设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散 , 根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型, 通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统, 均匀度和光效分别为88.12%和84.54%, 照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在［0, 0.3mm］内, 均匀度及光效分别在85%及84%以上, 纵向安装位移误差在［-0.04mm, 0.05mm］, 均匀度及光效均在82%以上。

以LED为扩展光源, 提出一种基于照度分布分割与反馈的方法为LED设计非常紧凑的光学自由曲面透镜, 进而设计实现了大距高比(DHR)的直下式背光源。与子光学面联接构成光学面的过程相对应, 总照度分布被分割为子照度分布。通过修正子光学面来调整子照度分布, 使得总照度分布足够接近于目标照度分布, 所需光学面就被构建出来了。该设计过程不依赖于仿真, 简便易行, 适用广泛。作为实例, 一个非常紧凑(透镜的中心高度与LED尺寸相等)的自由曲面透镜被设计出来, 作为直下式背光源的配光透镜。仿真结果表明, 背光源照度分布的均匀度达到了0.91, 相对标准差(RSD)低至0.0202, 总的光能利用率达到了85.5%。

为解决LED扩展光源照明系统设计时, 优化时间较长且多软件数据传输繁琐等问题, 提出了一种仅用Matlab软件进行快速优化设计的方法。该方法将成像设计中的序列光线追迹原理应用于照明设计中, 并利用菲涅尔公式与照度补偿理论, 提高了照度拟合速度。同时, 通过该方法可将光线追迹与反馈优化紧密相连, 实现对照明系统的一站式优化设计。以一紧凑型(h/d=2.5:1)匀光透镜设计为例进行试验, 结果表明: 给定光源和目标面的参数后, 获得匀光透镜数值解的优化时间仅为8 min, 优化时间缩短近一个数量级; 经SolidWorks成型和TracePro仿真测试, 目标面上的均匀度和光效分别达到86.75%和88.42%, 照明效果提高明显。

针对目前光学口径不断增大的空间光学遥感器实验室辐射定标的需求, 基于近距离扩展源照明方法设计了400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为200 W/(m2·sr)的4 m直径均匀扩展定标光源。该定标光源内径为4 000 mm, 出光面直径为1 600 mm。对该定标光源光机结构进行了详细设计, 利用光纤光谱仪监视输出的相对光谱分布, CPLD结合单片机实现输出光谱辐亮度值无人值守智能化远程自动控制。使用PR 735光谱辐射计测量该光源400~900 nm谱段内最大积分辐射亮度为22262 W/(m2·sr), 通过对定标光源的稳定性、面均匀性及角度均匀性测试, 分析了定标光源的测量不确定度为357%。实验结果表明: 该定标光源可以满足口径1 600 mm以下可见/近红外空间光学载荷的实验室辐射定标需要, 并可实现智能程控化控制, 提高了定标测试精度。