[发明专利]一种用于倾斜面照明的自由曲面透镜的设计方法

说明书

本发明公开了一种用于倾斜面照明的自由曲面透镜的设计方法。属于非成像光学技术领域。本发明根据照明要求设置自由曲面透镜的具体光路结构，根据折射定律和能量守恒定律在计算机的辅助下，设计出满足预定照明要求的自由曲面，使光源的出射光经该自由曲面偏折后在倾斜面上目标照明区域产生预定的照明光斑，如带有“ZJU”字样的矩形照明光斑和均匀的矩形照明光斑。该自由曲面透镜的出射表面为自由曲面，入射面为球面，该自由曲面通过曲面拟合离散数据点得到。本发明结构紧凑、简单；整形效果好，能量利用率高；实用性强，应用范围广。自由曲面透镜可以用光学树脂等材料借助注塑成型技术来实现。

技术领域

本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种用于倾斜面照明的自由曲面透镜的设计方法。

背景技术

相比较传统的光学曲面，自由曲面具有极高的设计自由度，可极大提高操控光的能力和灵活性。采用自由曲面进行光场调控，可获得结构紧凑、性能优异的光学系统，更为重要的，可实现传统光学曲面无法实现的新型光学系统。自由曲面极其自由灵活的面型结构在给我们带来机遇的同时也带了很大的设计挑战，自由曲面照明的关键点和难点在于如何根据光操控要求(给定入射光分布和出射光分布)来反求自由曲面面型。

在现有的自由曲面光束整形方法中，中国专利200910046129.5提出的Raymapping方法根据能量守恒预先定义入射光线和出射光线之间的映射关系，然后通过数值求解得到曲面面型。在Ray mapping方法中，映射关系的可积性决定了曲面的连续性，由于在自由曲面光束整形中很难获得一个满足可积条件的映射关系，导致自由曲面不连续或实际光分布和目标光分布之间存在很大的差异。中国专利201210408729.3提出的MA(Monge-Ampère,MA)方法根据能量守恒和折射定律，将单个自由曲面整形问题转化成MA方程，并通过数值求解MA方程得到光束整形问题的数值解。相比较Ray mapping方法，MA方法可得到连续的自由曲面，实际光分布和目标光分布吻合较好。Supporting quadric方法将一个连续的光分布离散化，并采用许多二次曲面面片(如：抛物面、椭球面等)来构建自由曲面面型，以此求得光束整形问题的近似解。尽管上述方法已得到广泛的研究，但这些方法还面临一个共同的问题：上述设计方法只适用于同轴的光束整形应用，也即入射光束的光轴和出射光束的光轴重合的整形应用，而无法适用于离轴光束整形。此处的离轴光束整形是指光束整形应用的目标面为倾斜的照明面，也即照明面的法式和光束整形系统的光轴的夹角大于零度。相比较同轴光束整形，离轴的倾斜照明面光束整形具有更为广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于倾斜面照明的自由曲面透镜的设计方法。

本发明的技术方案具体如下：

(1)设置自由曲面透镜的光路结构，所述自由曲面透镜的入射面采用球面，出射面为自由曲面，光源位于入射面的球心处；光源经自由曲面透镜折射后在倾斜照明面得到目标照度分布；根据初始设计参数对自由曲面透镜进行自由曲面设计；