一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，包括：步骤1：确定需要进行匀光控制的光源的光分布形式；步骤2：确定实现匀光控制区域的位置信息；步骤3：确定透镜材料；步骤4：基于能量守恒定律，将匀光控制区域划分成若干子区域；步骤5：建立步骤4中任一子区域与光源出射角的一一对应关系；步骤6：基于折射定律和步骤4、5的对应关系求解自由曲面透镜的面型。本发明专利技术实现了对任意光源的光束匀光控制，经过该自由曲面透镜后的光束呈现出任意形状的均匀的光斑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应用光学
，特别涉及ー种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法。
技术介绍
目前多数光源发生装置出射的光源都是非均匀的，例如激光器输出的光满足高斯分布，LED输出的光满足朗伯分布等，但是在很多场合都需要一种均匀度较好的光源，或者是将光源出射的光控制在一个所需的特定形状的区域，这就需要对光源进行匀光控制，以使其满足实际的需要。目前应用于匀光控制的方法有以下几种⑴微透镜匀光阵列。这种方法主要是由一系列正交分布排列的具有特定面型的微小透镜组成ー个阵列，光束通过这个阵列以 后，出射的光可以相互迭加从而产生匀光的效果。这种方法对透镜的加工制作水平有较高的要求，并且结构复杂，成本高。(2)复杂透镜系统。利用一系列透镜的组合来形成匀光的效果。该方法匀光效果较好，但是结构复杂，成本高昂。另外，以上几种方法都无法将光源发出的光束控制在ー个特定形状的区域内。鉴于以上几点，本专利技术提出了ー种新型的基于自由曲面透镜的匀光控制设计方法。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是克服现有匀光系统的复杂性和无法对光束进行控制的问题，提供ー种新型的基于自由曲面透镜的匀光控制设计方法，只利用ー个透镜，实现了对任意光源的勻光，光并使得出射光斑为任意所需的形状。( ニ )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了ー种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，该方法包括步骤I :根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数/作，φ)'步骤2 :根据具体需要确定目标照明区域的形状和位置，其中该目标照明区域的形状为矩形；步骤3 :根据透镜材料，确定透镜材料的折射率η ;步骤4:将矩形区域划分成若干过矩形中心的子区域，每个子区域对应的网格长度满足公式L(P) = I:' -(Pm く (^(Pm中为过矩形中 [I /sm^l -π!2<φ<-φημχφη <φ<π/2 φ心的线段与矩形的长边a所成的角，Sptanpm =b/a.步骤5 :根据能量守恒定律，建立步骤4获得区域网格上任一点Pジ与光源出射角Θ的一一对应关系，其关系如公式/ Ι(θ) θ =/Adp，其中P为点、(p，沪ジ与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值；步骤6 :根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的/作，如与目标矩形区域上任一点Pジ的对应关系，根据折射定律对曲面面型进行求解；透镜前表面为平面，使光线正入射进入透镜，減少反射损耗；后表面每ー网格上的点的法线满足关系公式Ν(θ，φ)= (θ，φ) -ρ(θ，め)* ，其中#作,の)为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和P方向的夹角，^^…为目标区域上某一网格的法线与光源的θ和0方向的夹角，Ρ(θ，一为光源发出的该条光线在Θ和^方向上的夹角，η为透镜的折射率。上述方案中，步骤I中所述的光源分布函数/作，…是旋转対称的。上述方案中，步骤2中所述矩形的长和宽分别为a和b，光源位于矩形中心前方h处。上述方案中，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。 上述方案中，步骤4中所述的网格过矩形中心，长度L((p)满足公式Li \a,OOS(p Im く ftU^/sin炉I -π!2<φ<-φηβ φη <φ<π!2上述方案中，步骤5中所述的点Pジ与光源出射角Θ满足公式/ I ( Θ )d Θ = /Adp。上述方案中，步骤6中所述的自由曲面透镜的前表面为平面，后表面每个网格的法向量满足公式φ)= (θ，φ) -ρ(θ，φ)、。(三)有益效果本专利技术与现有技术相比的优点在于(I)本专利技术采用单个透镜的设计方法来实现匀光控制，结构简单，加工容易，成本低。(2)本专利技术采用自由曲面透镜设计方法，利用能量守恒定律建立了目标区域内的点与光源出射角的对应关系，从而使得对于任意光强度分布的光源，目标区域内的光强分布都具有很好的均匀性。(3)本专利技术实现了将任意光源控制在任意形状的目标区域内，很好的实现了对光分布的限制作用。附图说明图I为依照本专利技术提供的自由曲面透镜的结构示意图，I为所设计的后表面，2为前表面；图2为图I所示自由曲面透镜后表面的正视图；图3为图I所示自由曲面透镜后表面的侧视图；图4为光源与目标区域对应关系；图5为加自由曲面透镜前，光源的出射光斑；图6为加自由曲面透镜后，得到的矩形光斑。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本专利技术进ー步详细说明。ー种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，该方法包括以下步骤步骤I :根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数满足高斯分布，直径IOmm ；步骤2 :根据需要确定目标勻光区域。本例为矩形,长a = 30mm,宽b = 16mm,光源离目标区域的距离h = 10mm；步骤3 :选择透镜材料为PMMA，该材料的折射率η = I. 49 ;步骤4 :将矩形照明区域划分成若干过矩形中心的网格，网格线段长度满足公式I,0s^fPm-屮名/ぐ其中为过矩形中心的线[I /sm^l -π!2<φ<-φημχφη <φ<π!2 φ段与矩形的长边a所成的角，Sptanpm =b!a ;本例中—=28.070;步骤5:按公式/ Ι(θ) θ = f AdP建立线段I私)上任一点(ル如与光源出射角作，沪ジ的--对应关系(如图4);其中P为点、(P，沪ジ与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值；步骤6 :将步骤5获得的关系代入公式(3)，即所队φ)= (θ’ φ) -ρ(θ，φ)、，其キΝ(θ，如为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和P方向的夹角，ゲ6 ,如为目标区域上某一网格的法线与光源的θ和^方向的夹角，；…为光源发出的该条光线在θ和沪方向上的夹角，η为透镜的折射率，求解出配光曲面在不同Θ方向的法线，进而求解曲面上每个网格的坐标数据，最后生成透镜实体。得到的透镜后表面的面形如图I中I和图3所示，透镜前表面为平面，如图I中2和图2所示，光线在前表面正入射进入透镜，減少反射损耗。步骤7 :对步骤6得到的透镜与步骤I的光源进行仿真，得到光斑形状如图6所示，而没加透镜前光源的光斑形状为高斯分布的圆形(如图5)，可以看出，按本专利技术设计的自由曲面透镜可以得到矩形光斑，且光照度在矩形区域内均匀分布。以上所述的具体实施例，对本专利技术的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利技术的具体实施例而已，并不用于限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，该方法包括 步骤I :根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数/作，φ)； 步骤2 :根据具体需要确定目标照明区域的形状和位置，其中该目标照明区域的形状为矩形； 步骤3 :根据透镜材料，确定透镜材料的折射率η ； 步骤4:将矩形区域划分成若干过矩形中心的子区域，每个子区域对应的网格长度满 足公式的=IZW. ,mJ ，V其中为过矩形中心的 线段与矩形的长边a所成的角，即tan化=bla. 步骤5 :根据能量守恒定律，建立步骤4获得区域网格上任一点与光源出射角Θ的--对应关系，其关系如公式/ K Θ )d Θ =/Adp，其中P为点、(p，与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值； 步骤6:根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的/作，如与目标矩形区域上任一存、(P，的对应关系，根据折射定律对曲面面型进行求解；透镜前表面为平面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面每一网格上的点的法线满足关系公式Ν(θ，φ)= (θ，φ) -ρ(θ，其中为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和P方向的夹角，W为目标区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢常青，辛将，朱效立，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：