一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法，采用一个紧邻透镜后方虚拟平面处的中间照度分布，求解中间照度分布与目标平面照度分布的映射关系就可以获得光源发光与目标平面的映射关系，通过该映射关系可以构建一个自由曲面透镜，然后重新获得一个中间照度分布，不断迭代，直至获得符合要求的自由曲面透镜；本发明专利技术由于采用中间照度分布的策略，使复杂的自由曲面光学构建问题大大简化，主要变为求解一个目标空间中光照度分布传输问题，即中间照度分布到目标照度分布的光线映射问题；与直接推导法和IWT方法相比，本发明专利技术提供的方法更为简洁，方程形式更为简单；与光线映射法相比，本方法所构建的自由曲面光学系统具有更好的光学性能。

A simplified construction method of optical system for adjusting light distribution free-form surface

The invention discloses a simplified construction method of adjusting light distribution free-form surface optical system, which adopts a middle illuminance distribution at the virtual plane immediately behind the lens, solves the mapping relationship between the middle illuminance distribution and the target plane illuminance distribution, and then obtains the mapping relationship between the light source and the target plane, through which a free-form surface lens can be constructed, and A middle illuminance distribution is obtained again and iteratively until a free-form surface lens meeting the requirements is obtained; because the middle illuminance distribution strategy is adopted in the invention, the complicated optical construction problem of free-form surface is greatly simplified, which is mainly changed into solving a light distribution transmission problem in the target space, that is, the light mapping problem from the middle illuminance distribution to the target illuminance distribution; and Compared with the IWT method, the method provided by the invention is simpler and the equation form is simpler; compared with the ray mapping method, the free-form surface optical system constructed by the method has better optical performance.

【技术实现步骤摘要】
一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法
本专利技术属于应用光学领域的非成像光学
，具体涉及一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法。
技术介绍
给定光分布问题主要处理将光源发光转化为满足实际应用要求的光分布形式。近年来，随着LED照明的迅速发展和激光照明的兴起，给定光分布问题越来越受到重视。自由曲面光学系统是实现将光源发光调控为给定光分布的最通用的方式。与传统球面和非球面相比，自由曲面的自由度更高、灵活性更大，采用自由曲面的光学系统理论上可实现任意的光分布形式，且能量转化效率很高。然而，调控光分布的自由曲面光学系统的构建是一个极为复杂的、往往没有唯一解的逆问题，一般仅在几何光学近似下考虑。以专利CN102890342A、CN102928983A等为代表的直接构建方法将能量守恒定律和光线追迹方程等联立求解，并考虑曲面连续性条件和非线性的边界条件，过程十分复杂。以专利CN1928624为代表的光线映射方法首先基于分离变量法获得光源能量和目标照度平面能量之间的网格对应关系，然后逐点的构建透镜表面。然而，光线映射法由于采用近似的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤0、假设以点光源为坐标原点，在光源空间中与点光源距离为d

【技术特征摘要】
1.一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤0、假设以点光源为坐标原点，在光源空间中与点光源距离为d0的平面上产生的照度分布为I0(u,v)，其中(u,v)表示点光源在z＝d0平面上照明区域内的各点坐标；与点光源距离为d2的目标平面z＝d2平面上的目标照度分布为I2(ξ,η)，其中(ξ,η)表示点光源在z＝d2平面上照明区域内的各点坐标；假设中间照度分布为I1(x,y)，与点光源距离为d1且位于自由曲面透镜后方的z＝d1平面上；(x,y)表示点光源在z＝d1平面上照明区域内的各点坐标；
点光源所发射任意一条光线与z＝d0平面平面交于S＝(u,v,d0)点，之后分别与自由曲面透镜前、后表面相交于P＝(x1,y1,z1)点和Q＝(x2,y2,z2)点，从自由曲面透镜出射后与z＝d1平面相交于G＝(x,y,d1)点，并最终入射至z＝d2平面上的T＝(ξ,η,d2)点；
设置z＝d1平面上坐标与z＝d0平面上坐标的初始映射关系:(x,y)＝(x(u,v),y(u,v))；
步骤1：利用所述映射关系(x,y)＝(x(u,v),y(u,v)),基于能量守恒计算中间照度分布I1(x,y)＝I0(u,v)/|J1(u,v)|，其中是坐标变换(x,y)＝(x(u,v),y(u,v))的雅可比行列式；
步骤2：根据步骤1获得的I1(x,y)，计算中间照度分布I1(x,y)与给定的目标照度分布I2(ξ,η)的坐标映射关系(ξ,η)＝(ξ(x,y),η(x,y))；
步骤3：计算光源照度分布和目标照度之间的坐标映射关系：(ξ,η)＝(ξ(x(u,v),y(u,v)),η(x(u,v),y(u,v)))＝(ξ(u,v),η(u,v))；
步骤4：根据步骤3所获得的映射关系(ξ,η)＝(ξ(u,v),η(u,v))，确定自由曲面透镜的后表面各点上的坐标值；
步骤5：利用点Q、G和T共线，重新计算坐标(x,y)与坐标(u,v)的映射关系：



判断是否满足迭代终止条件：如果不满足，基于本步骤得到的坐标(x,y)与坐标(u,v)的映射关系返回步骤1，继续迭代计算，直到满足迭代终止条件；如果满足，输出当前自由曲面透镜的后表面各点上的坐标值，完成自由曲面光学系统的构建。


2.如权利要求1所述的一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，其特征在于，所述自由曲面透镜前表面为球面、非球面、平面或自由曲面。


3.如权利要求1所述的一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，其特征在于，所述步骤0中，z＝d1平面上坐标与z＝d0平面上坐标的初始映射关系设置为(x,y)＝(u,v)。


4.如权利要求1所述的一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，其特征在于，所述步骤2中，计算中间照度分布I1(x,y)与给定的目标照度分布I2(ξ,η)的坐标映射关系(ξ,η)＝(ξ(x,y),η(x,y))的方法为：
中间照度分布与目标照度分布之间的能量守...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯泽心，程德文，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11