[發明專利]基于目標照射需求的準直透鏡設計方法

有效

• 申請號: 202210281266.2
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114578553B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 孔令豹;沈曉慧
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

1.一種基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，其特征在于，準直透鏡是通過對目標的光斑進行控制達成準直的目的，設計的結果為自由曲面透鏡；設計方法具體為：

(1)建立空間坐標系，空間坐標系的中心為光源的中心，光源為非圓形對稱面，光源在x-z平面上，則光軸為空間坐標系的y軸；

(2)選取光源邊緣點、透鏡邊緣點的坐標以及目標面的指定范圍；光源邊緣點為O：(0，0，s_i)、O'：(0，0，s′_i)，O和O'分別為光源與z軸相交線段的兩個端點；透鏡邊緣點坐標為P₀：(0,y_o，z_o)，y₀為透鏡邊緣與光源距離，z₀為透鏡口徑大小；目標面的指定范圍在點A(0，y，a_i)與點A'(0，y，a′_i)連接的線段上，y為目標面與光源的距離；

(3)給定透鏡邊緣點的初始法線方向，利用折射定律計算兩個光源邊緣點所在位置的點光源發出的兩條光線在通過透鏡邊緣點后，投射在目標面上的位置；

(4)以透鏡邊緣點作為第一個透鏡采樣點，改變第一個透鏡采樣點的法線方向直至兩個光源邊緣點所在位置的點光源發出的兩條光線，在折射定律計算后光線投射的位置在目標面的指定范圍內，記錄此時滿足目標照射需求時的透鏡采樣點對應的法線方向，并計算法線對應的斜率；

(5)根據滿足目標照射需求時的上一個透鏡采樣點對應的斜率k，以及給定的透鏡采樣點在z軸方向的移動距離△，求解下一個透鏡采樣點P_i+1坐標，下一個透鏡采樣點P_i+1選取在通過上一個透鏡采樣點坐標的切線上，P_i+1坐標為：(0,y_i+1,z_i+1),其中：z_i+1＝z_i-Δ，i為大于等于0的整數；

不斷重復步驟(4)所述計算斜率的過程，依次類推，直至透鏡坐標采樣點的z坐標z_i+1接近零；

(6)將光源、透鏡和目標面繞著光軸順時針或者逆時針方向依次旋轉不同角度，重復步驟(2)、(3)、(4)和(5)，獲得旋轉了不同角度后的符合目標照射需求的透鏡采樣點坐標；當旋轉角度到達360°后，所有的符合目標照射需求的透鏡采樣點坐標計算完畢，將所有透鏡采樣點坐標相連后建模，獲得對應效果透鏡的自由曲面，即獲得自由曲面透鏡。

2.根據權利要求1所述的基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，其特征在于，準直透鏡是通過對目標的光斑進行控制達成準直的目的，設計的結果為非球面透鏡；其中：

步驟(1)中，將光源為非圓形對稱面替換為：光源為圓形對稱面；

步驟(6)替換為：將解得的透鏡采樣點坐標相連后建模，獲得非球面輪廓母線，將該母線旋轉一周，進而獲得透鏡的非球面，即獲得非球面透鏡。

3.根據權利要求1所述的基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，其特征在于，步驟(2)中，光源的邊緣點選取為當前z軸上光源相聚最遠的兩個點，光源直接被簡化為兩個邊緣點所在位置的點光源，點光源發散角的大小由光源本身的發散角決定；透鏡邊緣點坐標主要決定透鏡距離光源的位置以及透鏡的口徑大小，由不同的光源口徑大小以及發散角決定。

4.根據權利要求1所述的基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，其特征在于，步驟(3)、(4)中，透鏡邊緣點、透鏡采樣點的法線方向為折射定律中，界面上位于折射點處的法線方向；法線方向利用單位向量進行表述：N＝(cose,sinθ),θ為法線與y軸正方向的夾角，法線對應的斜率的計算辦法為k＝tanθ。

5.根據權利要求1或2所述的基于目標照射需求的準直透鏡設計方法，其特征在于，步驟(6)中，用Solid?Works計算機輔助設計CAD建模軟件對透鏡采樣點坐標進行連接并建模。