[发明专利]一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法

说明书

本发明公开了一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法，采用一个紧邻透镜后方虚拟平面处的中间照度分布，求解中间照度分布与目标平面照度分布的映射关系就可以获得光源发光与目标平面的映射关系，通过该映射关系可以构建一个自由曲面透镜，然后重新获得一个中间照度分布，不断迭代，直至获得符合要求的自由曲面透镜；本发明由于采用中间照度分布的策略，使复杂的自由曲面光学构建问题大大简化，主要变为求解一个目标空间中光照度分布传输问题，即中间照度分布到目标照度分布的光线映射问题；与直接推导法和IWT方法相比，本发明提供的方法更为简洁，方程形式更为简单；与光线映射法相比，本方法所构建的自由曲面光学系统具有更好的光学性能。

技术领域

本发明属于应用光学领域的非成像光学技术领域，具体涉及一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法。

背景技术

给定光分布问题主要处理将光源发光转化为满足实际应用要求的光分布形式。近年来，随着LED照明的迅速发展和激光照明的兴起，给定光分布问题越来越受到重视。自由曲面光学系统是实现将光源发光调控为给定光分布的最通用的方式。与传统球面和非球面相比，自由曲面的自由度更高、灵活性更大，采用自由曲面的光学系统理论上可实现任意的光分布形式，且能量转化效率很高。然而，调控光分布的自由曲面光学系统的构建是一个极为复杂的、往往没有唯一解的逆问题，一般仅在几何光学近似下考虑。

以专利CN102890342A、CN102928983A等为代表的直接构建方法将能量守恒定律和光线追迹方程等联立求解，并考虑曲面连续性条件和非线性的边界条件，过程十分复杂。以专利CN1928624为代表的光线映射方法首先基于分离变量法获得光源能量和目标照度平面能量之间的网格对应关系，然后逐点的构建透镜表面。然而，光线映射法由于采用近似的光线映射关系，在一些情况下会产生较大的曲面法线矢量误差，影响自由曲面光学系统的光学性能。为了控制法向矢量误差所采用的不连续表面无疑大大增加了加工难度。迭代波前剪裁(Iterative wavefront tailoring，简写为IWT)方法可以一定程度上兼顾构建准确性与简洁性(ZexinFeng,Dewen Cheng,and Yongtian Wang.Iterative wavefronttailoring to simplify freeform optical design for prescribedirradiance.Opt.Lett.,2019,44(9):2274-2277)。该方法将光源照度分布与目标平面照度分布满足的能量守恒方程与出射波前的斜率之间建立一个参数化波前方程。然后求解此方程获得一个从光源照度分布到目标平面照度分布的光线映射，接着根据此映射构建光学自由曲面，并不断的更新光线映射、修正自由曲面面形。IWT方法的主要缺点在于参数化波前方程系数仍然比较复杂，数值求解难度较高。另外，与直接求解法相比，IWT方法的方程推导虽然难度降低，但是仍然具有一定的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种调控光分布自由曲面光学系统的简化构建方法，在保证光学性能前提下，降低公式化难度，获得更为简洁的方程形式，更利于数值求解。

一种调控光分布自由曲面光学系统的构建方法，包括如下步骤：

步骤0、假设以点光源为坐标原点，在光源空间中与点光源距离为d₀的平面上产生的照度分布为I₀(u,v)，其中(u,v)表示点光源在z＝d₀平面上照明区域内的各点坐标；与点光源距离为d₂的目标平面z＝d₂平面上的目标照度分布为I₂(ξ,η)，其中(ξ,η)表示点光源在z＝d₂平面上照明区域内的各点坐标；假设中间照度分布为I₁(x,y)，与点光源距离为d₁且位于自由曲面透镜后方的z＝d₁平面上；(x,y)表示点光源在z＝d₁平面上照明区域内的各点坐标；