三维光学系统的实现方法
【专利摘要】本发明提出了一种三维光学系统的实现方法，包括：建立光源和目标光分布之间的映射关系；根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型；对所述初始三维模型的照明效果进行仿真，并根据仿真结果依次按照照明区域边界控制和照明区域内光能分布控制对所述初始三维模型进行分步优化，从而获得光学系统的最终三维模型以实现光分布质量的优化。根据本发明的实施例可灵活地针对面光源设计高紧凑型的三维自由曲面光学系统，在实现复杂光分布要求的同时可以充分利用光源的能量，该方法具有简单、快速、灵活、高效且适用性强的优点。
【专利说明】三维光学系统的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用光学领域中的非成像光学【技术领域】，特别涉及一种三维光学系统的实现方法。
【背景技术】
[0002]由于节能、环保等优点，LED照明已经列入我国的战略性新兴产业，并且已经广泛地应用在室内照明、室外照明和景观照明等通用照明领域。由于LED通常可以看作是朗伯光源，其发光方向性强、照明均匀性差，必须根据实际照明应用需求设计特定的光学系统，对LED发出的光线进行调控，使其光能量恰好覆盖给定的照明区域，消除光污染和光浪费，实现真正意义上的节能。
[0003]目前针对LED点光源的光线调控技术已经发展的很成熟，其中基于能量映射网格的自由曲面光学系统设计方法已经得到了广泛的应用(L.Wang，K.Qian,and Y.Luo, “Discontinuous free-form lens design for prescribedirradiance, ” Applied 0ptics46, 3716-3723 (2007);“一种三维光学透镜的设计方法及透镜，”专利号:CN100495113C ；F.R.Fournier, ff.J.Cassarly, and J.P.Rolland, “Fastfreeform reflector generation using source-target maps,，’OpticsExpressl8, 5295-5304 (2010))。目前大部分LED照明光源采取的也都是对多颗可以近似为点光源的单芯片LED分别进行配光的方式。然而，由于单颗LED的光通量比较小，通常需要上百颗LED做成实用的照明灯具，灯具的体积通常很大，这会造成资源和成本的浪费，同时也给灯具的拆装和维护带来很大的不便。另外，各个厂家生产的灯具的外形尺寸、功率等均不一致，导致灯具的通用性和互换性差。在灯具设计中，利用高亮度LED面光源替代传统的单芯片LED光源可以解决上述问题。相对于传统单芯片LED光源而言:其功率高，单个光源可达几十瓦甚至数百瓦；灯具制作工艺简单，成本低；体积紧凑，易于实现照明灯具的小型化、标准化，同时也提高了灯具维护替换的便捷性。因此，基于高亮度LED面光源的照明光源必然成为未来半导体照明光源发展的主流。
[0004]点光源与面光源其实是一个相对的概念，表现为相对于光学系统的扩展性的不同。通常用光学系统的中心高度h和光源的直径D的比值h/D来近似的表征光源的扩展性以及配光系统的紧凑性。通常情况下，当h/D远大于10时，可以将光源近似为点光源，否则应作为面光源。对于高亮度LED面光源，其直径通常在cm量级，为了节约材料和成本，通常需要将h/D限制在小于3:1的情况。此时，若仍然基于点光源近似进行配光，光源的扩展会使得目标光分布产生较大的偏移，光利用率和照明效果都严重恶化，无法满足基本的照明需求。对LED面光源进行光线调控的难点在于，配光曲面上的每一点只能控制面光源发出的一条特定方向的入射光线，光源发光表面发出的其余经过该点的入射光线的出射方向也都是确定了的，无法按照给定的出射方向进行调控，因此无法实现理想的配光。
[0005]除了 LED面光源，对于传统的光源，比如高压钠灯、金卤灯、无极灯、球泡灯等光源，由于光源的尺寸较大，也难以用紧凑型的光学系统实现高质量的配光，因此，其应用于通用照明时，难以获得优异的照明效果同时会引起光能量的浪费和光污染。
[0006]目前，针对偏离点光源的配光系统的设计，在h/D大于5:1的情况下，迭代反 馈法(Y.Luo, Z.Feng, Y.Han, and H.Li, “Design of compact and smoothfree-form optical system with uniform illuminance for LED source,，，OpticsExpressl8, 9055-9063 (2010) ；ff.Situ, Y.Han, H.Li, and Y.Luo, “Combined feedbackmethod for designing a free-form optical system with complicated illuminationpatterns for an extended LED source,，，Optics Expressl9, A1022-1030 (2011)；
H.Li, S.Chen, Y.Han, and Y.Luo, “A fast feedback method to design easy-moldingfreeform optical system with uniform illuminance and high light controlefficiency,，，Optics Express21, 1258-1269 (2013))和自动优化法(R.J.Koshel.Simplexoptimization method for illumination design.0ptics Letters.2005，30:649-651 ;F.R.Fournier, “A review of beam shaping strategies for LED lighting,，，Proc.SPIE8170, 817007 (2011) ；K.Wang, Y.Han, H.Li, and Y.Luo, “Overlapping-basedoptical freeform surface construction for extended lighting source,，，OpticsExpress21 (17)，19750-19761 (2013))具有较好的效果。迭代反馈法是根据仿真光分布和预期光分布之间的偏差，以一定的负反馈函数迭代修正预设光分布，并基于点光源近似重新设计光学系统，迭代多次，直到获得满意的结果。当仿真光分布与预期光分布偏差不大的情况下，迭代反馈法被证实是一种快速而有效的针对扩展光源的设计方法。自动优化方法通常是先基于点光源近似设计得到一个初始的光学系统模型，然后对光学系统的模型进行参数化处理并提取优化变量，最后再定义一定的评价函数并对光学系统模型进行优化。自动优化法的局限性在于，初始光学系统模型的选取直接影响到优化算法的效率和收敛性，当光学系统比较紧凑的时候，由于初始简化模型的误差太大，使得优化算法难以收敛或是难以获得满意的结果。
[0007]除了上述两种在点光源设计的基础上进行修正或优化的方法，还有两种直接针对面光源的设计方法:TED(Tailored Edge-ray Design)方法和SMS(Simultaneous MultipleSurface)方法。TED方法的基本思想是:利用边缘光线理论，通过控制光源经过光学系统之后在各个方向上的投影线宽来实现给定的能量分布。该方法目前主要用于针对管状或条状朗伯光源设计二维平移对称的反射式配光系统(如槽型反光杯等)，尚不能直接扩展至三维光学系统的设计，无法实现非平移对称和旋转对称的复杂形状的光分布。SMS方法是利用两个自由曲面，实现两对输入、输出波前之间的转换。该方法可以将光能量高效地传输到给定的区域内，但是却无法实现给定的能量分布，目前该方法主要应用于准直器和聚光器的设计，尚没有应用于通用照明领域。
[0008]综上所述，在针对面光源的高紧凑型光学系统的设计方面仍存在很多问题，且目前尚没有有效的可以实现给定三维复杂光分布的紧凑型光学系统的设计方法。
【发明内容】
[0009]本发明的目的旨在解决上述技术缺陷。
[0010]为此，本发明公开了一种三维光学系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]1、建立光源和目标光分布之间的映射关系；[0012]2、根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型；
[0013]3、对所述初始三维模型的照明效果进行仿真，并根据仿真结果依次按照照明区域边界控制和照明区域内光能分布控制对所述初始三维模型进行分步优化，从而获得光学系统的最终三维模型以实现光分布质量的优化。
[0014]本发明提出的一种三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述分步优化包括第一步优化和第二步优化。
[0015]所述第一步优化包括:使用含有一组初始参数的方程表示预设照明区域的边界形状，其中，每一组给定的初始参数取值对应一种具有该边界形状的预设光分布，根据所述方程构建对应的光学系统模型，并获得相应的仿真光分布，对所述方程的参数的取值进行优化以使所述面光源仿真得到的照明区域的边界形状与所述预设照明区域的边界形状的偏差小于给定阈值，得到所述光学系统的初始最优三维模型。
[0016]所述第二步优化包括:使用在多个选定方向上的矢径作为初始参数表示所述光学系统的初始最优三维模型，其中，每一组给定的矢径参数对应一种光学系统的三维模型，对所述矢径参数的取值进行优化以使仿真得到的照明区域内的光分布与预设的光分布的偏差小于阈值，得到所述光学系统的最终三维模型。[0017]本发明提出的一种三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述建立光源和目标光分布之间的映射关系，包括:
[0018]1、根据所述面光源的形状与尺寸，以面光源上的任意一点O为原点，为所述光源的发光方向建立球坐标系(<9,P)，其中θ为天顶角、炉为方位角；
[0019]2、根据所述面光源的光强分布/(民炉)，将所述面光源等效为一个位于O点的光强分布是/(仏炉)的点光源；
[0020]3、根据照明区域与光源的距离H，以照明区域上的任意一点O'为原点，为照明区域建立极坐标系(P，Y)，其中P为极径、Y为极角，确定照明区域的边界形状表达式f (P , Y ) = O ；
[0021]4、如果所述照明区域内给定的光能分布不是照度分布，则将其转换为照度分布E0 ( P，Y);
[0022]5、给定光学系统在任意初始方向上的尺寸h,给定光学系统材料的折射率Ii1和光学系统周围介质的折射率H2 ;
[0023]6、按球坐标系(<9,炉)划分光源的发光角度，沿纬线方向将方位角P划分为
奶0' = 1,2，...，Μ)且φ,>^(/=1,2,...,Μ-1),沿经线方向将天顶角θ划分为0山.=1，2，…，N)且Θ j+1>0』(].= 1，2，*"，11)，其中厘≥2，^^≥2为自然数，約和炉μ分别为给定光源的最小和最大方位角，^和θN分别为给定光源的最小和最大天顶角；
[0024]7、按极坐行系(P, Y)划分给定照明区域，将极角划分为Yi(i = 1，2，...，Μ)且
y.=^.(/ = 1,2,- Μ)，根据给定照明区域的边界曲线形状f (P，Y) =0，得到在YiQ =1,2, -M)方向上的最大极径 Pmaxi = ^(Yi) (i = 1,2, -M)；[0025]8、对应于每个方位角Ψ根据光源和给定照明区域之间在二维情况下的能量守恒
方程:
[0026]
【权利要求】
1.一种三维光学系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤: 建立光源和目标光分布之间的映射关系； 根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型； 对所述初始三维模型的照明效果进行仿真，并根据仿真结果依次按照照明区域边界控制和照明区域内光能分布控制对所述初始三维模型进行分步优化，从而获得光学系统的最终三维模型以实现光分布质量的优化。
2.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，其中，所述分步优化包括第一步优化和第二步优化: 所述第一步优化包括:使用含有一组初始参数的方程表示预设照明区域的边界形状，其中，每一组给定的初始参数取值对应一种具有该边界形状的预设光分布，根据所述方程构建对应的光学系统模型，并获得相应的仿真光分布，对所述方程的参数的取值进行优化以使所述面光源仿真得到的照明区域的边界形状与所述预设照明区域的边界形状的偏差小于给定阈值，得到所述光学系统的初始最优三维模型； 所述第二步优化包括:使用在多个选定方向上的矢径作为初始参数表示所述光学系统的初始最优三维模型，其中，每一组给定的矢径参数对应一种光学系统的三维模型，对所述矢径参数的取值进行优化以使仿真得到的照明区域内的光分布与预设的光分布的偏差小于阈值，得到所述光学系统的最终三维模型。
3.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述建立光源和目标光分布之间的映射关系，包括: 根据所述面光源的形状与尺寸，以面光源上的任意一点O为原点，为所述光源的发光方向建立球坐标系(久P)，其中Θ为天顶角、P为方位角； 根据所述面光源的光强分布Κθ,φ、，将所述面光源等效为一个位于O点的光强分布是/(仏的的点光源； 根据照明区域与光源的距离H，以照明区域上的任意一点O'为原点，为照明区域建立极坐标系(P，Y)，其中P为极径、Y为极角，确定照明区域的边界形状表达式f (P，Y)=O ； 如果所述照明区域内给定的光能分布不是照度分布，则将其转换为照度分布E0 ( P，Y); 给定光学系统在任意初始方向上的尺寸h，给定光学系统材料的折射率Ill和光学系统周围介质的折射率n2 ； 按球坐标系{θ，φ、划分光源的发光角度，沿纬线方向将方位角P划分为^0’ = 1，2,...，ΜΜ^+1>^0' = 1，2,...，Μ — 1)，沿经线方向将天顶角 θ 划分为 0j(j =1,2,- ,N)且Θ J+1> Θ j (j = 1，2，*"，^1)，其中1≥2』≥2为自然数，灼和$分别为给定光源的最小和最大方位角，^和θN分别为给定光源的最小和最大天顶角； 按极坐标系(P，Y)划分给定照明区域，将极角划分为Yi(i = 1，2，...，Μ)且y, =^.(/= 1,2,---M)，根据给定照明区域的边界曲线形状f (P，y) =0，得到在Yi(i =.1,2,-M)方向上的最大极径 Pmaxi = ^(Yi) (i = 1,2, -M)；对应于每个方位角P根据光源和给定照明区域之间在二维情况下的能量守恒方程:
4.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述根据光学系统表面上任意一个初始点获得所述光学系统表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学系统的初始三维模型，包括:确定了每一条入射光奶)(〖=1，2，_-1;_/ = 1，2，一#)经光学系统表面折射或反射后所要达到的在给定照明区域上的位置(Pu，Yi) α = 1，2，…M;j = 1，2，…N)，根据矢量折射/反射定律确定光学系统表面上多个特征点的法线矢量的方向； 根据给定的光学系统表面上的初始点和法线矢量方向，采用迭代法逐一计算光学系统表面的特征点的坐标；根据上述特征点的坐标和法线矢量，采用NURBS等方法构建光学系统的初始三维模型； 对所述初始三维模型的照明效果进行仿真，包括: 以面光源作为光源，采用蒙特卡罗光线追踪法对所述光学系统的初始三维模型的照明效果进行仿真模拟。
5.根据权利要求1或2所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述第一步优化，包括:利用含有一组参数的方程表示预设照明区域的边界形状:f IalPai,a2ra4) = 0,其中α1、α2、α3、α 4为边界形状调整参数；所述第一步优化表示为:
6.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述照明区域的坐标系和光源的坐标系为直角坐标系、柱坐标系、球坐标系、极坐标系。
7.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述面光源为点光源阵列、LED面光源、高压钠灯、金卤灯、无极灯、等离子体灯的一种或多种的组合；所述面光源为单波长或者多波长光源；所述面光源的形状为圆形、矩形、梨形、球形、椭球形；所述面光源的发光光束角为大于180度、等于180度或者小于180度；所述面光源的光强分布为朗伯分布、均匀分布、高斯分布。
8.根据权利要求1所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述给定光分布包括给定照明区域边界形状和给定照明区域内的光能分布；所述给定照明区域的边界形状包括但不限于具有预设长宽比的长方形、圆形、椭圆形、多边形、十字形；所述给定照明区域内的光能分布包括照度分布、亮度分布、光强分布的一种或多种的组合；所述给定照明区域内的光能分布可以为均匀分布、高斯型分布、洛伦兹型分布。
9.根据权利要求2所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述分步优化采用的优化算法为:带边界条件和限制条件的模式搜索优化算法或单纯形优化算法。
10.根据权利要求1-9任一项所述的三维光学系统的实现方法，其特征在于，所述三维光学系统的顶视图形状与给定照明区域的边界形状相似；所述光学系统的中心高度与光源的最大尺寸(如圆形光源的直径长度、矩形或方形光源的对角线长度等)之比小于3:1或者大于3:1或者等于3:1 ;所述三维光学系统包括折射式光学系统、反射式光学系统和全内反射光学系统的一个或多个的组合；所述三维光学系统存在一个给定的表面或多个给定的表面；所述光学系统由单一材料或多种材料构成。
【文档编号】G06F17/50GK103927421SQ201410165950
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】罗毅, 毛祥龙, 李洪涛, 韩彦军 申请人:清华大学