提出一种基于双自由曲面的均匀照明设计方法，根据几何光学理论和能量映射关系，设计了距高比为1的双自由曲面透镜。通过将扩展光源和透镜表面离散化，对扩展光源进行反向追迹构建新的双自由曲面。借助光学仿真软件模拟了光学性能，结果表明：在距离光源1000 mm处的目标面实现了半径为1000 mm的均匀圆形照度分布，照度均匀度达92.3%，该方法有效提升了基于扩展光源的目标面的照度均匀性，设计过程无需对自由曲面反馈优化，大大缩短设计时间，过程简易方便。

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。

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。

分析并行物方差动轴向测量方法在样品表面反射率变化以及照明光不均匀情况下的两种乘法性误差,并提出一种误差修正模型。构建表征乘法性扰动干扰的图像灰度矩阵的数学表达式,通过对数差动消去乘法性扰动干扰误差,以达到误差修正的目的。最后通过两组对比实验,对误差修正模型进行实验验证。对高度为4.739 μm、周期为50 μm的台阶样品进行形貌测量,测量的相对误差由修正前的2.91%降低到修正后的0.78%。在低倍数物镜和光照不均匀测量条件下,对表面反射率不均匀的硬币进行快速三维形貌实验,该方法测量结果与光学表面轮廓仪测得的结果相比,相对偏差为1.62%。两组实验结果表明,本文方法能较好地修正乘法性误差的影响,可提升适应性。本文方法可为智能制造在线检测提供适用性强、高效率、高精度的微观形貌检测。

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。

提出了一种曲面LED阵列设计方法。根据光线叠加原理,将LED排列在自由曲面上,通过曲率控制LED的出光角度。基于LED曲面阵列离轴照度分布的解析式,引入了基于模拟退火的粒子群优化算法,设定约束条件,构建均匀度评价函数,优化了LED曲面阵列的数值模型。制作出实物光源进行照度测量与缺陷检测。理论模拟和实物检测结果均显示,倾斜角度为45°,目标面与发光面面积比值为1∶0.85和1∶4时,照度均匀度分别达到91.79%和98.4%。在皮革缺陷检测中的结果表明,采用LED曲面阵列光源可凸显特定缺陷,易于图像处理,能快速准确地识别缺陷。

为实现太阳模拟器的大辐照面积均匀照明, 研究了大面积发散太阳模拟器光学系统的设计与仿真。分析了复眼透镜阵列组与发散投影系统的工作原理及旁瓣效应的产生机理; 基于嵌套建模思想, 结合多项式拟合方法, 得出了氙灯轴上的强度分布曲线, 并根据氙灯发光能量对称的性质, 实现了氙灯空间光强分布的模拟; 结合提出的光学系统设计边界条件与参数, 设计了光束整形系统、复眼透镜阵列组和发散投影系统。实验结果表明: 大面积发散太阳模拟器的工作距离为20 000 mm, 辐照面直径为1 500 mm, 辐照均匀度为92.8%, 满足均匀照明的使用需求。

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题, 设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统, 实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标; 设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统, 在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%, 且能量利用率为45.8%; 设计了双远心结构的投影光学系统, 投影视场为66.5mm×37.5mm, 并在全视场范围内分辨率在8 lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型, 仿真结果表明, 被投影区域均匀性为90.8%, 投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀, 综合提高了3D 自动检测系统的投影质量。