【技术实现步骤摘要】
三维光学系统的实现方法
本专利技术涉及应用光学领域中的非成像光学
,特别涉及一种三维光学系统的实现方法。
技术介绍
由于节能、环保等优点,LED照明已经列入我国的战略性新兴产业,并且已经广泛地应用在室内照明、室外照明和景观照明等通用照明领域。由于LED通常可以看作是朗伯光源,其发光方向性强、照明均匀性差,必须根据实际照明应用需求设计特定的光学系统,对LED发出的光线进行调控,使其光能量恰好覆盖给定的照明区域,消除光污染和光浪费,实现真正意义上的节能。目前针对LED点光源的光线调控技术已经发展的很成熟,其中基于能量映射网格的自由曲面光学系统设计方法已经得到了广泛的应用(L.Wang,K.Qian,andY.Luo,“Discontinuousfree-formlensdesignforprescribedirradiance,”AppliedOptics46,3716-3723(2007);“一种三维光学透镜的设计方法及透镜,”专利号:CN100495113C;F.R.Fournier,W.J.Cassarly,andJ.P.Rolland,“Fastfreeformreflectorgenerationusingsource-targetmaps,”OpticsExpress18,5295-5304(2010))。目前大部分LED照明光源采取的也都是对多颗可以近似为点光源的单芯片LED分别进行配光的方式。然而,由于单颗LED的光通量比较小,通常需要上百颗LED做成实用的照明灯具,灯具的体积通常很大,这会造成资源和成本的浪费,同时也给灯具的拆装和维护带 ...
【技术保护点】
一种三维光学系统的实现方法,其特征在于,包括以下步骤: 建立光源和目标光分布之间的映射关系; 根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型; 对所述初始三维模型的照明效果进行仿真,并根据仿真结果依次按照照明区域边界控制和照明区域内光能分布控制对所述初始三维模型进行分步优化,从而获得光学系统的最终三维模型以实现光分布质量的优化。
【技术特征摘要】
1.一种三维光学系统的实现方法,其特征在于,包括以下步骤:建立光源和目标光分布之间的映射关系;根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型;对所述初始三维模型的照明效果进行仿真,并根据仿真结果依次按照照明区域边界控制和照明区域内光能分布控制对所述初始三维模型进行分步优化,从而获得光学系统的最终三维模型以实现光分布质量的优化,其中,所述分步优化包括第一步优化和第二步优化:所述第一步优化包括:使用含有一组初始参数的方程表示预设照明区域的边界形状,其中,每一组给定的初始参数取值对应一种具有该边界形状的预设光分布,根据所述方程构建对应的光学系统模型,并获得相应的仿真光分布,对所述方程的参数的取值进行优化以使面光源仿真得到的照明区域的边界形状与所述预设照明区域的边界形状的偏差小于给定阈值,得到所述光学系统的初始最优三维模型;所述第二步优化包括:使用在多个选定方向上的矢径作为初始参数表示所述光学系统的初始最优三维模型,其中,每一组给定的矢径参数对应一种光学系统的三维模型,对所述矢径参数的取值进行优化以使仿真得到的照明区域内的光分布与预设的光分布的偏差小于阈值,得到所述光学系统的最终三维模型。2.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法,其特征在于,所述建立光源和目标光分布之间的映射关系,包括:根据所述面光源的形状与尺寸,以面光源上的任意一点O为原点,为所述光源的发光方向建立球坐标系其中θ为天顶角、为方位角;根据所述面光源的光强分布将所述面光源等效为一个位于O点的光强分布是的点光源;根据照明区域与光源的距离H,以照明区域上的任意一点O′为原点,为照明区域建立极坐标系(ρ,γ),其中ρ为极径、γ为极角,确定照明区域的边界形状表达式f(ρ,γ)=0;如果所述照明区域内给定的光能分布不是照度分布,则将其转换为照度分布E0(ρ,γ);给定光学系统在任意初始方向上的尺寸h,给定光学系统材料的折射率n1和光学系统周围介质的折射率n2;按球坐标系划分光源的发光角度,沿纬线方向将方位角划分为且沿经线方向将天顶角θ划分为θj(j=1,2,…,N)且θj+1>θj(j=1,2,…,N-1),其中M≥2,N≥2为自然数,和分别为给定光源的最小和最大方位角,θ1和θN分别为给定光源的最小和最大天顶角;按极坐标系(ρ,γ)划分给定照明区域,将极角划分为γi(i=1,2,…,M)且根据给定照明区域的边界曲线形状f(ρ,γ)=0,得到在γi(i=1,2,…M)方向上的最大极径ρmaxi=f1(γi)(i=1,2,…M);对应于每个方位角根据光源和给定照明区域之间在二维情况下的能量守恒方程:建立γi(i=1,2,…M)方向上的极径与天顶角θj(j=1,2,…N)之间的映射关系:建立光源发光角度和照明区域坐标(ρ,γ)之间的三维映射关系:3.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法,其特征在于,所述根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型,包括:确定了每一条入射光线经光学系统表面折射或反射后所要达到的在给定照明区域上的位置(ρi,j,γi)(i=1,2,…M;j=1,2,…N),根据矢量折射/反射定律确定光学系...
【专利技术属性】
技术研发人员:罗毅,毛祥龙,李洪涛,韩彦军,
申请(专利权)人:清华大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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