[發明專利]自由曲面照明系統的設計方法

有效

• 申請號: 201710059419.8
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN108345107B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 朱鈞;吳曉飛;金國藩;范守善
• 申請（專利權）人: 清華大學;鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種自由曲面照明系統的設計方法，包括以下步驟：

步驟S10，預設后續形成光斑的形狀、大小及照度分布；

步驟S20，建立自由曲面照明系統的初始模型，該初始模型包括至少兩個準直光源、一初始透鏡及一照明目標面，所述準直光源具有相同的形狀、大小和光度特性，所述初始透鏡包括第一平面和第二平面；

步驟S30，利用第一球面和第二球面分別替代所述第一平面和第二平面，從所有準直光源發出的光束中找出兩條特定光線，找到該兩條光線與照明目標面的交點分別記為A和B，得到A點和B點的y坐標值，基于兩條特定光線的追跡計算和一種迭代優化算法反解出第一球面和第二球面的曲率半徑，形成一球面透鏡；

步驟S40，選取所述準直光源的一系列特征光線，確定該準直光源到所述照明目標面的光線映射關系，得到所述特征光線在所述照明目標面的目標點；

步驟S50，分別保持所述第一球面和第二球面不變，依次構建自由曲面替換所述第一球面和第二球面，形成一自由曲面透鏡，其中，所述構建自由曲面的步驟包括根據所述目標點求解每條特征光線與待求的自由曲面的多個交點，進而得到多個特征數據點P_i，i＝1,2,…,K，然后將該多個特征數據點P_i進行曲面擬合，得到所求自由曲面；

步驟S60，將所述自由曲面透鏡作為新的初始結構，重新構建所述自由曲面透鏡的兩個自由曲面并不斷迭代，直到形成的光斑達到預設的效果。

2.如權利要求1所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，預設光斑的橫截面形狀為圓形，直徑為1mm，每相鄰兩個光斑之間的距離為1.28mm，該光斑照度均勻。

3.如權利要求1所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，利用第一球面和第二球面分別替換所述第一平面和第二平面的過程中，保持初始模型中準直光源、初始透鏡和照明目標面的位置關系不變，且初始透鏡的厚度也不變。

4.如權利要求1所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，采用每一個準直光源的圓形橫截面上的極坐標網格選取特征光線，該極坐標網格包括15個等間隔的角向網格和7個等間距的徑向網格，每一個網格點對應一條特征光線。

5.如權利要求1所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，所述自由曲面透鏡的兩個自由曲面均為XY多項式：

其中，c為曲面頂點曲率，k為二次曲面常數，A_mn為XY多項式的系數，m+n≥2，且m、n均為偶數。

6.如權利要求5所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，所述自由曲面透鏡的兩個自由曲面多項式進一步表示為：

7.如權利要求6所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，所述準直光源為15個時，各個參數的數值具體如下：

。

8.如權利要求1所述的自由曲面照明系統的設計方法，其特征在于，在步驟S60中，判斷是否結束所述迭代過程的具體方法為：采用所有特征光線在照明目標面上的實際點與目標點之間的偏差的均方根值來定量評估形成光斑的照明效果，記作σ_RMS,它的數學定義式為：

其中，σ_i表示第i條特征光線在目標面上的實際點和目標點之間的偏差，K表示特征光線的總數,當該σ_RMS趨于穩定的時候結束迭代過程。