[发明专利]基于非球面透镜面形数值重构的大面积均匀照明系统

说明书

本发明公开了一种基于非球面透镜面形数值重构的大面积均匀照明系统，属于非成像光学和扩展光源光束整形技术领域。系统包含若干沿行、列两方向等间距排布的具有相同结构的阵列单元；该阵列单元由一个非球面透镜(U)和一个发光面光源(V)构成；每个非球面透镜(U)的非球面透镜面型参数相同，每颗发光面光源(V)也相同；每颗发光面光源和相应的非球面透镜的光轴重合，发光面光源的出光经相应的非球面透镜偏折后在目标照明面上产生对应的能量分布单元，所有能量分布单元叠加产生预定的大面积均匀能量分布。本发明结构紧凑、简单；照明面积大，能量分布均匀性高，能量利用率高；实用性强，应用范围广。

技术领域

本发明涉及非成像光学和扩展光源光束整形技术领域，尤其涉及一种基于非球面透镜面形数值重构的大面积均匀照明系统。

背景技术

照明设计的主要目的是采用经过精密设计加工的光学表面对光源的空间能量分布进行重新分配，以此产生目标所定的照明效果。照明系统的性能在很大程度上受制于光学表面设计方法的有效性，而目前的照明设计方法可分为针对零光扩展度光源的设计方法和针对非零光扩展度光源的设计方法。

若假设光源的光学扩展量为零，针对零扩展度光源的设计方法是非常有效的。由于实际光源的空间和角度范围是非零的，因此要求设计的照明元件大小相比于光源应足够大，以此能忽略光源的尺寸影响，这极大地限制了针对零光展度光源的设计方法的应用范围。相反地，针对非零光展度光源的设计方法同时考虑了实际光源的空间和角度范围，可以设计出极为紧凑的高性能照明系统。针对非零光展度光源(如实际扩展光源)设计的光学元件表面上每一点都必须能同时控制无数条从光源发出的光线，这导致扩展光源的照明设计并不是一个简单的设计任务。

目前针对非零光展度光源的设计方法可分为直接型算法、优化型算法和反馈型算法。直接型算法相较于其他两类算法有许多优势，首先其只需进行数值计算而不需要进行蒙特卡洛光线追迹和繁琐的迭代亮度补偿，其次该类算法在设计透镜面型时具有很高的自由度，并且该类算法可通过增大离散数据点数来提高能量分布控制精度。采用直接型算法针对扩展光源进行非球面透镜面型设计，可获得结构紧凑、性能优异的照明系统。然而现有的直接型方法主要是针对目标光强度分布进行透镜面型计算，对于在目标照明面与光源的距离非常近(无法忽略实际光源的尺寸)的情况下实现特定的光照度分布，仍然面临着许多困难和挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于非球面透镜面形数值重构的大面积均匀照明系统。本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于非球面透镜面形数值重构的大面积均匀照明系统，系统包含非球面透镜照明阵列，所述非球面透镜照明阵列包括一组沿行、列两方向等间距排布的具有相同结构的阵列单元，每个阵列单元包含一个非球面透镜(U)和一个发光面光源(V)；每个非球面透镜(U)的非球面透镜面型参数相同，每颗发光面光源(V)的光学参数也相同；每颗发光面光源(V)和相应的非球面透镜(U)的光轴重合，发光面光源的出光经相应的非球面透镜偏折后在目标照明面上产生对应的能量分布单元，所有能量分布单元叠加产生预定的大面积均匀能量分布；所述的非球面透镜单元的包含如下设计步骤：

(1)设定非球面透镜照明阵列结构以及非球面透镜(U)的光路结构，照明阵列以矩形阵列形式排布，根据初始设计参数对非球面透镜面形进行数值重构设计；

(2)在二维平面上，所述的非球面透镜出射面分为两部分：初始面和剩余面，初始面的面型函数满足高阶偶次多项式，其面型表示为{z＝∑G2_m(x²)^m,m＝0,1,2,…}；在二维空间内，求得透镜出射面的初始面的面型参数{G2_m,m＝0,1,2,…}；

(3)根据步骤(2)获得的透镜出射面的初始面，将初始面离散化成N+1个点{P₀,P₁,…,P_N}，逐点求解二维平面上出射面的剩余面，直至求解出完整的二维非球面透镜出射面；