关于自由照明光学系统的简单了解

照明是有意识地利用一个光源或多个光源发出的光来达到实用或美学效果，比如室内外照明、汽车照明等。今天我们一起简单了解一下自由照明光学系统！

在实际应用中，可能需要不同的光分布来实现不同的光效应。但是，直接使用光源通常不能满足要求。高效调节光源的空间能量分布是非成像光学领域的经典，也是富有挑战性的照明设计领域。

照明设计的目的是通过一些精心设计的光学表面来产生规定的照度/强度分布。由于曲率半径是传统球面所能提供的唯一设计自由度，照明光学通常使用非球面来重定向光束。非球面光学可以非常有效地处理旋转或线性对称照明设计，然而，由于曲面几何上的旋转或线性限制，它通常不能令人满意地解决非对称光照问题，也不能满足许多实际应用中对先进照明系统日益增长的需求。超越曲面几何上的旋转或线性限制就产生所谓的自由曲面。

自由曲面是不具有线性或旋转对称的光学曲面。他们自由形式的性质提供了高度的自由度，这可以用来避免表面几何的限制，创造紧凑而高效的设计与更好的性能。更重要的是，自由曲面的使用可以产生新的设计，这是使用球面或非球面无法实现的。

尽管自由曲面的制造比球面或非球面的加工更困难，但与成像光学相比，照明光学通常更能容忍表面误差，这使自由曲面的制造受益匪浅。这使得照明光学能够紧跟自由光学制造技术的发展，与成像系统的自由曲面相比，照明系统中自由曲面的大规模生产更加容易。

以自由曲面光学构成的新技术使得设计师和工程师能够从光学表面几何的限制中脱离出来，实现紧凑、轻便和高效的照明系统，并具有优异的光学性能。随着自由光学在光学设计中的优势得到越来越广泛的认识以及自由光学在光学系统中的应用，自由光学系统的设计策略就变得尤为重要。

在传统照明光学系统中存在一系列问题，比如系统不易于小型化、系统的能量利用率低、对光线入射角限制较严格等，为了解决这些问题，一种更加优秀的光能调控的照明方式应运而生，那便是以自由曲面为基础的照明光学。自由曲面简而言之就是非旋转非对称，面型自由，一般使用非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Splines， NURBS）的形式来描述。自由曲面对于后期的改进优化有着很大的作用，因为其高度的设计自由度。将自由曲面应用于照明光学系统中，不光能够解决传统照明光学中的问题，大大简化照明系统的结构，还能满足更加复杂多样的照明需求以探索未来研究的可能性。

在道路照明领域有一个重要的设计方向，即设计出照度均匀分布、亮度合格、符合国家道路照明标准的LED（Light-Emitting Diode）道路照明光学系统。清华大学的研究学者通过改变LED 的数量以及分布位置，设计出的自由曲面二次光学系统完全符合国家道路照明标准，其仿真结果也达到了满意的效果。

在汽车照明领域，前照灯是最难设计且结构最复杂的，在照明性能上影响夜间或恶劣天气下的行车安全，在结构上影响车辆外形的个性化和流线性。利用自由曲面去设计车辆的前照灯不仅具有更低的能量损耗，能产生满意的照明效果，同时，高度的设计自由度也可以使车辆的形状更加美观。

编辑：黄飞