[发明专利]自由曲面照明系统的设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。

本发明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为本发明提供的自由曲面照明系统的结构示意图。

图3为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明提供的自由曲面照明系统设计方法的流程图。

图8为本发明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。