[发明专利]自由曲面照明系统的设计方法

权利要求书

1.一种自由曲面照明系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤S10，预设后续形成光斑的形状、大小及照度分布；

步骤S20，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；

步骤S30，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，从所有准直光源发出的光束中找出两条特定光线，找到该两条光线与照明目标面的交点分别记为A和B，得到A点和B点的y坐标值，基于两条特定光线的追迹计算和一种迭代优化算法反解出第一球面和第二球面的曲率半径，形成一球面透镜；

步骤S40，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；

步骤S50，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，其中，所述构建自由曲面的步骤包括根据所述目标点求解每条特征光线与待求的自由曲面的多个交点，进而得到多个特征数据点P_i，i＝1,2,…,K，然后将该多个特征数据点P_i进行曲面拟合，得到所求自由曲面；

步骤S60，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。

2.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，预设光斑的横截面形状为圆形，直径为1mm，每相邻两个光斑之间的距离为1.28mm，该光斑照度均匀。

3.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，利用第一球面和第二球面分别替换所述第一平面和第二平面的过程中，保持初始模型中准直光源、初始透镜和照明目标面的位置关系不变，且初始透镜的厚度也不变。

4.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，采用每一个准直光源的圆形横截面上的极坐标网格选取特征光线，该极坐标网格包括15个等间隔的角向网格和7个等间距的径向网格，每一个网格点对应一条特征光线。

5.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面透镜的两个自由曲面均为XY多项式：

其中，c为曲面顶点曲率，k为二次曲面常数，A_mn为XY多项式的系数，m+n≥2，且m、n均为偶数。

6.如权利要求5所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，所述自由曲面透镜的两个自由曲面多项式进一步表示为：

7.如权利要求6所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，所述准直光源为15个时，各个参数的数值具体如下：

。

8.如权利要求1所述的自由曲面照明系统的设计方法，其特征在于，在步骤S60中，判断是否结束所述迭代过程的具体方法为：采用所有特征光线在照明目标面上的实际点与目标点之间的偏差的均方根值来定量评估形成光斑的照明效果，记作σ_RMS,它的数学定义式为：

其中，σ_i表示第i条特征光线在目标面上的实际点和目标点之间的偏差，K表示特征光线的总数,当该σ_RMS趋于稳定的时候结束迭代过程。