專利名稱：一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非成像光學(xué)及照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)點(diǎn)光源(如LED)的強(qiáng)度分布和目標(biāo)照明要求設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的配光要求，這是個(gè)逆向設(shè)計(jì)問(wèn)題，一直是非成像光學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由于自由曲面具有靈活的空間布局和設(shè)計(jì)自由度等優(yōu)點(diǎn)，采用自由曲面不僅可極大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還可輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的照明要求，因此自由曲面設(shè)計(jì)對(duì)解決該逆向問(wèn)題有著舉足輕重的作用。

目前,通常采用優(yōu)化設(shè)計(jì)和“Partial Differential Equation (F1DE) ”方法來(lái)設(shè)計(jì)自由曲面以解決該逆向照明問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)借助某種優(yōu)化算法，通過(guò)不斷改變優(yōu)化變量來(lái)減少評(píng)價(jià)函數(shù)直至獲得滿足設(shè)計(jì)要求的曲面。照明優(yōu)化通常要求在每次優(yōu)化迭代中追擊大量的光線以減小模擬統(tǒng)計(jì)噪聲，且優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果非常依賴于優(yōu)化變量的選取、評(píng)價(jià)函數(shù)的構(gòu)建以及優(yōu)化算法。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的照明，通常需要成千上萬(wàn)個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建自由曲面，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。PDE方法的設(shè)計(jì)思想是將該逆向設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一個(gè)一階偏微分方程組，并通過(guò)數(shù)值求解該方程組來(lái)構(gòu)建自由曲面。相比較優(yōu)化設(shè)計(jì)，PDE方法具有更高的設(shè)計(jì)效率，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的照明要求，一直以來(lái)PDE方法都是自由曲面設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。中國(guó)專利200910046129. 5提出了一種針對(duì)點(diǎn)光源配光透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)折射定律構(gòu)建出曲面所滿足的一階偏微分方程組，然后選定一個(gè)能量拓?fù)潢P(guān)系來(lái)確定光源和目標(biāo)照明之間的能量映射關(guān)系，之后通過(guò)數(shù)值求解該一階偏微分方程組得到自由曲面面型。采用該種PDE方法設(shè)計(jì)自由曲面的一個(gè)關(guān)鍵步驟是需先建立光源和目標(biāo)照明之間的能量映射關(guān)系。該能量映射關(guān)系的可積性決定了自由曲面的連續(xù)性，只有滿足可積條件的能量映射關(guān)系才能得到連續(xù)的自由曲面。一些容易獲取的能量映射關(guān)系往往不滿足可積條件，此時(shí)只能得到不連續(xù)的自由曲面。如中國(guó)專利200910046129. 5采用了一種變量可分離的映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形照明，結(jié)果只能得到不連續(xù)的自由曲面，這無(wú)疑給實(shí)際加工提出了很大的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法具體步驟如下( I)設(shè)置自由曲面光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)；(2)以光源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，對(duì)步驟(I)所確定的自由曲面光學(xué)元件所需設(shè)計(jì)的自由曲面上的任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)用球坐標(biāo)表示為P(A叭PpA))，目標(biāo)照明面上與點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)T的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)表示為T(x, y, Z);矢量P為點(diǎn)P的位置矢量,是一個(gè)由原點(diǎn)指向點(diǎn)P的矢量，矢量T為點(diǎn)T的位置矢量，是一個(gè)由原點(diǎn)指向點(diǎn)T的矢量，根據(jù)折射定律I^O=IiiRP1N,建立點(diǎn)P和目標(biāo)點(diǎn)T之間的坐標(biāo)關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體步驟如下 (1)設(shè)置自由曲面光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)； (2)以光源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，對(duì)步驟(I)所確定的自由曲面光學(xué)元件所需設(shè)計(jì)的自由曲面上的任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)用球坐標(biāo)表示為，目標(biāo)照明面上與點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)T的坐標(biāo)用直角坐標(biāo)表示為T(x, y, z);矢量P為點(diǎn)P的位置矢量,是一個(gè)由原點(diǎn)指向點(diǎn)P的矢量，矢量T為點(diǎn)T的位置矢量，是一個(gè)由原點(diǎn)指向點(diǎn)T的矢量，根據(jù)折射定律11。0 = nJ+P#，建立點(diǎn)P和目標(biāo)點(diǎn)T之間的坐標(biāo)關(guān)系
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的自由曲面光學(xué)元件有反射型和折射型兩種類型；η。= -I, η, = I對(duì)應(yīng)反射型的自由曲面光學(xué)元件，η0 = I對(duì)應(yīng)折射型的自由曲面光學(xué)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的反射型自由曲面光學(xué)元件只有一個(gè)曲面，該曲面為自由曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的折射型自由曲面光學(xué)元件的外表面(SI)為自由曲面，內(nèi)表面(S2)為球面或平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的折射型自由曲面光學(xué)元件是LED芯片的外部封裝透鏡，即LED —次光學(xué)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的折射型自由曲面光學(xué)元件是LED光源之后的整形透鏡，即LED 二次光學(xué)元件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于點(diǎn)光源配光的自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。屬于非成像光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置自由曲面光學(xué)元件的具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)折射定律和能量守恒定率在計(jì)算機(jī)的輔助下，設(shè)計(jì)出滿足預(yù)定照明要求的自由曲面，使光源的出射光經(jīng)該自由曲面偏折后在目標(biāo)照明區(qū)域產(chǎn)生預(yù)定的照明光斑，如帶有“ZJU”字樣的圓形照明光斑和均勻的矩形照明光斑。該自由曲面光學(xué)元件的某一表面為自由曲面，該自由曲面通過(guò)曲面擬合離散數(shù)據(jù)點(diǎn)得到。本發(fā)明設(shè)計(jì)效率高，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜照明，能獲得連續(xù)的自由曲面，實(shí)現(xiàn)了曲面的可加工。折射型和反射型自由曲面光學(xué)元件均可以用光學(xué)樹(shù)脂等材料借助注塑成型技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G02B3/00GK102890342SQ201210408729
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者李海峰, 吳仍茂, 張雅琴, 劉鵬, 王會(huì)會(huì), 楊洋, 侯佳, 鄭臻榮, 劉旭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)