自由曲面照明系统的设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；建立自由曲面照明系统的初始模型，该初始模型包括至少两个准直光源、一初始透镜及一照明目标面，所述初始透镜包括第一平面和第二平面；用第一球面和第二球面分别替代所述第一平面和第二平面，求出所述第一球面和第二球面的曲率半径；确定所述准直光源在所述照明目标面上的目标点；构建自由曲面替换所述第一球面和第二球面，重复构建并不断迭代，直到形成的光斑达到预设的效果。

Design method of free surface lighting system

The invention relates to a design method of a free surface lighting system, which includes the following steps: presupposition the shape, size and illumination distribution of a subsequent light spot, and establish an initial model of a free-form surface lighting system, which includes at least two collimating light sources, an initial lens and an illuminating target surface, and the initial lens. Including the first plane and the second plane, the first and the second spheres are replaced by the first and the second planes, and the curvature radius of the first and second spheres is calculated; the target point of the collimation light source on the illuminated target surface is determined, and the first sphere and the second sphere are replaced by the free surface. Repeat construction and iterate until the formed spot reaches the preset effect.

【技术实现步骤摘要】
自由曲面照明系统的设计方法
本专利技术涉及一种自由曲面照明系统的设计方法，尤其涉及一种同时具有多个光源的自由曲面照明系统的设计方法。
技术介绍
自由曲面是一种非选择对称的新型光学面型，它具有较高的设计自由度，能够较精准地控制光线传播。近年来，自由曲面已广泛应用于各类先进的照明系统设计，得到了较好的照明效果和较为紧凑的系统结构。迄今为止，现有的自由曲面照明系统均可统一为同一个基本模型，如图1所示，在此模型中，光源发出的照明光束经自由曲面透镜或反射镜的偏折，其能量分布得到重新分配，从而在照明目标面上形成预设的照明光斑，在此基本模型的框架下，自由曲面照明系统的设计取得了很大的发展。然而，现有自由曲面照明系统的设计是针对某一确定的单一光源，最终在目标面上形成的光斑的形状、大小及照度都是理想的，如果移动该光源到另一位置或改变该光源的方向，在目标面上形成的光斑形状、大小、照度分布都会改变，从而影响照明效果。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种在移动光源或改变光源方向时能够不破坏照明效果的自由曲面照明系统的设计方法。一种自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；建立自由曲面照明系统的初始模型，该初始模型包括至少两个准直光源、一初始透镜及一照明目标面，所述准直光源具有相同的形状、大小和光度特性，所述初始透镜包括第一平面和第二平面；利用第一球面和第二球面分别替代所述第一平面和第二平面，求解所述第一球面和第二球面的曲率半径，形成一球面透镜；选取所述准直光源的一系列特征光线，确定该准直光源到所述照明目标面的光线映射关系，得到所述特征光线在所述照明目标面的目标点；分别保持所述第一球面和第二球面不变，依次构建自由曲面替换所述第一球面和第二球面，形成一自由曲面透镜；将所述自由曲面透镜作为新的初始结构，重新构建所述自由曲面透镜的两个自由曲面并不断迭代，直到形成的光斑达到预设的效果。本专利技术提供的自由曲面照明系统的设计方法，针对两个以上准直光源设计，预设需要实现的光斑的形状、大小及照明效果，建立平面初始模型，依次构建球面透镜和自由曲面透镜，重复构建自由曲面透镜的两个自由曲面并不断迭代，直到自由曲面照明系统能够实现预期的光斑形状、大小及照明效果，该自由曲面照明系统中的任意准直光源连续改变其光源方向时，其形成光斑的形状、大小及照明效果并不改变，从而在自由曲面照明系统设计领域有广阔的应用前景和开发潜力。附图说明图1为现有的自由曲面照明系统的结构示意图。图2为本专利技术提供的自由曲面照明系统的结构示意图。图3为本专利技术实施例提供的自由曲面照明系统中15个准直光源在4°×8°视场角范围内的分布示意图。图4为本专利技术提供的实施例中准直光源在其横截面内的归一化光强分布示意图。图5为本专利技术提供的自由曲面照明系统形成的三种光斑阵列分布示意图。图6为本专利技术提供的自由曲面照明系统中中心准直光源的方向矢量投影的示意图。图7为本专利技术提供的自由曲面照明系统设计方法的流程图。图8为本专利技术提供的自由曲面照明系统设计方法中预设形成光斑的分布示意图。图9为本专利技术提供的自由曲面照明系统设计方法中建立的初始模型的结构示意图。图10为本专利技术提供的自由曲面照明系统设计方法中计算第一球面和第二球面的光路示意图。图11为本专利技术实施例提供的自由曲面照明系统设计方法中采用极坐标网络选取一系列特征光线的示意图。图12为本专利技术提供的自由曲面照明系统设计方法中第一次构建自由曲面后形成的光斑照度分布图。图13为本专利技术提供的设计好的自由曲面照明系统进行2000次迭代前后均方根的变化图。图14为本专利技术提供的最终设计好的自由曲面透镜形成的光斑的照度分布图。图15为本专利技术提供的自由曲面照明系统形成的中心光斑的照度分布其沿着x轴和y轴的一维分布图。图16为本专利技术提供的最终设计好的自由曲面照明系统的结构示意图。具体实施方式下面根据说明书附图并结合具体实施例对本专利技术的技术方案进一步详细表述。请参阅图2，本专利技术提供一种自由曲面照明系统，该自由曲面照明系统包括至少两个准直光源、一自由曲面透镜及一照明目标面，所述准直光源、自由曲面透镜与照明目标面依次间隔设置。所述准直光源发出的准直光束经过所述自由曲面透镜在所述照明目标面上形成光斑。所述准直光源用于发出准直光束，所述准直光源具有相同的形状、大小及光度特性，该光度特性是指光源的光通量、光强分布等特性，所述准直光源发出的光束的横截面可以为圆形、矩形、方形等，所述准直光源均可位于4°×8°、6°×12°或8°×16°等任意一个视场角范围内。优选的，所述准直光源的数量为2～15个。本实施例中，如图3所示，所述准直光源的个数为15个，该15个准直光源以阵列形式均匀分布在4°×8°视场角范围内，该准直光源发出的光束具有圆形横截面，该圆形横截面直径为6mm，每相邻两个准直光源之间的方向间隔为2°。本实施例中，每一个所述准直光源发出光束的光强在其横截面内为高斯分布，其强度最大的光束中心始终通过透镜前方3mm处，边缘处的光强下降至中心最大光强的20％，如图4所示，所述每一个准直光源的光强分布满足以下方程式：其中，I0为光束中心处的最大光强，r为距光束中心的径向距离。所述准直光源发出的准直光束经过所述自由曲面透镜形成形状、大小及照度分布相同的光斑，所述自由曲面透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面，该第一自由曲面和第二自由曲面均满足以下xy多项式：其中，c为曲面顶点曲率，k为二次曲面常数，Amn为xy多项式的系数，m+n≥2,且m、n均为偶数。优选的，第一自由曲面和第二自由曲面均满足以下xy多项式：本实施例中，所述自由曲面透镜的第一自由曲面和第二自由曲面的各个参数具体如下：所述照明目标面用于接收光束形成光斑，该照明目标面可人为设置，材料不限。该光斑的排列方向对应于所述准直光源的排列，如图5所示，展示了若干种不同的照明光斑阵列，同时标注了形成每一个光斑所对应的准直光源的方向。本实施例中，所述照明目标面为一白屏。每一个光斑在照明目标面上的位置线性地取决于相对应光源的方向，具体可表示为：其中，(x，y)为每一个光斑中心在照明目标面上的横纵坐标，a为系数，系数a可以根据光源的视场角、相邻两个准直光源之间的方向间隔、单个光斑的大小合理的设置，只需确保各个光斑之间不会重叠或距离相隔太大。ωx和ωy分别表示准直光源光束的方向矢量在xOz和yOz平面上的投影与z轴的夹角，z轴为系统光轴，照明目标面为xOy平面。如图6所示，位于(0°，0°)方向的准直光源的夹角ωx和ωy。本实施例中，每一个光斑在照明目标面上的位置可表示为：本专利技术提供的自由曲面照明系统同时关于xOz和yOz平面对称，该自由曲面照明系统中准直光源形成的光斑形状、大小及照度分布均相同，若在视场角范围内连续改变任意一个准直光源的方向，都可以实现光斑在照明目标面上的连续移动，在移动过程中光斑的形状、大小及照度分布均不改变。请参阅图7，本专利技术提供所述自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：步骤S10，预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；步骤S20，建立自由曲面照明系统的初始模型，该初始模型包括至少两个准直光源、一初始透镜及一照明目标面，所述初始透镜包括第一平面和第二平面；步骤S30，利用第一球面和第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：步骤S10，预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；步骤S20，建立自由曲面照明系统的初始模型，该初始模型包括至少两个准直光源、一初始透镜及一照明目标面，所述准直光源具有相同的形状、大小和光度特性，所述初始透镜包括第一平面和第二平面；步骤S30，利用第一球面和第二球面分别替代所述第一平面和第二平面，求解所述第一球面和第二球面的曲率半径，形成一球面透镜；步骤S40，选取所述准直光源的一系列特征光线，确定该准直光源到所述照明目标面的光线映射关系，得到所述特征光线在所述照明目标面的目标点；步骤S50，分别保持所述第一球面和第二球面不变，依次构建自由曲面替换所述第一球面和第二球面，形成一自由曲面透镜；步骤S60，将所述自由曲面透镜作为新的初始结构，重新构建所述自由曲面透镜的两个自由曲面并不断迭代，直到形成的光斑达到预设的效果。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：步骤S10，预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；步骤S20，建立自由曲面照明系统的初始模型，该初始模型包括至少两个准直光源、一初始透镜及一照明目标面，所述准直光源具有相同的形状、大小和光度特性，所述初始透镜包括第一平面和第二平面；步骤S30，利用第一球面和第二球面分别替代所述第一平面和第二平面，求解所述第一球面和第二球面的曲率半径，形成一球面透镜；步骤S40，选取所述准直光源的一系列特征光线，确定该准直光源到所述照明目标面的光线映射关系，得到所述特征光线在所述照明目标面的目标点；步骤S50，分别保持所述第一球面和第二球面不变，依次构建自由曲面替换所述第一球面和第二球面，形成一自由曲面透镜；步骤S60，将所述自由曲面透镜作为新的初始结构，重新构建所述自由曲面透镜的两个自由曲面并不断迭代，直到形成的光斑达到预设的效果。2.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，预设光斑的横截面形状为圆形，直径为1mm，每相邻两个光斑之间的距离为1.28mm，该光斑照度均匀。3.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，所述第一球面和第二球面曲率半径的具体计算方法为：从所有准直光源发出的光束中找出两条特定光线，找到该两条光线与照明目标面的交点分别记为A和B，得到A点和B点的y坐标值，基于两条特定光线的追迹计算和一种迭代优化算法反解出第一球面和第二球面的曲率半径。4.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，利用第一球面和第二球面分别替换所述第一平面和第二平面的过程中，保持初始模型中准直光源、初始透镜和照明目标面的位置关系不变，且初始透镜的厚度也不变。5.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，采用每一个准直光源的圆形横截面上的极坐标网格选取特征光线，该极坐标网格包括15个等间隔的角向网格和7个等间距的径向网...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，吴晓飞，金国藩，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11