一种自由曲面透镜的设计方法与流程

本发明属于光学透镜，尤其涉及一种自由曲面透镜的设计方法。

背景技术：

1、目前行业内实现3d成像的方式主要包括双目、三维结构光和tof。其中双目三维成像精度较低，三维结构光技术存在结构复杂且成本较高的问题，而tof有足够的精度且成本较低，已有流行推广的趋势。tof通常由一个发射端和一个接收端组成，其中发射端主要由一个vcsel光源和一个光扩散器(diffuser)组成。

2、现有的光扩散器(diffuser)主要由微透镜阵列形成，其中微透镜形状根据要实现的功能可设计为柱状透镜、棱镜、自由曲面透镜等，其中自由曲面透镜较为普遍，设计自由度高，实现的功能更广泛。如图1所示，光扩散器将光源的光强分布整形为一特定的光强分布形式，光学扩散器为单元微透镜的阵列，阵列形式可为矩形周期或随机阵列，也可以为圆周或其他形式的周期或随机阵列。

3、现多采用试错法靠经验调整面型等方法来实现自由曲面形状，设计者需要有足够的设计及经验，并且设计时间长、与目标匹配度低。如图2所示，现有微透镜的生成方式多为透过三维作图软件进行三维建模，在进行光学软件仿真验证，通过仿真结果与目标的对比，根据经验进行面型调整，再进行仿真，重复调整面型，慢慢逼近目标，得到三维透镜面型。但是最终如图3所示，现有方式仿真结果很难和目标值完全吻合。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明旨在提供一种自由曲面透镜的设计方法，通过目标光场直接计算得到自由曲面的三维面型，生成需要的光扩散器(diffuser)，提高设计效率，提高目标匹配度。

2、本发明提出了一种自由曲面透镜的设计方法，包括如下步骤：

3、步骤一：获取目标光场分布；

4、步骤二：计算目标光场各角度下对应的自由曲面的面型斜率；

5、步骤三：计算目标光场各角度下对应的自由曲面的坐标点位置；

6、步骤四：根据面型斜率与坐标点位置，建立自由曲面的面型斜率和所述斜率坐标点的对应关系；

7、步骤五：根据对应关系进行自由曲面的三维建模，得到自由曲面透镜。

8、根据本申请的一种实施方式，所述计算目标光场各角度下对应的自由曲面的面型斜率包括：

9、根据目标光场分布，计算自由曲面的出射光场分布；

10、计算自由曲面的入射光场分布；

11、根据出射光场分布与入射光场分布计算自由曲面各点的斜率；

12、统计各点的斜率获得自由曲面的面型斜率。

13、根据本申请的一种实施方式，所述计算自由曲面的出射光场分布包括：

14、当光源的入射面为透镜的自由曲面，出射面为透镜的平面时，则根据目标光场分布计算得到自由曲面的出射光场分布；

15、当光源的入射面为透镜的平面，出射面为透镜的自由曲面时，则目标光场分布即为自由曲面的出射光场分布。

16、根据本申请的一种实施方式，所述计算自由曲面的入射光场分布包括：

17、当光源的入射面为透镜的自由曲面，出射面为透镜的平面时，则光源光场分布即为自由曲面的入射光场分布

18、当光源的入射面为透镜的平面，出射面为透镜的自由曲面时，则根据光源光场分布计算得到自由曲面的入射光场分布。

19、根据本申请的一种实施方式，所述根据出射光场分布与入射光场分布计算自由曲面各点的斜率包括：

20、已知自由曲面的入射光场分布与出射光场分布，根据斯涅耳定律求出自由曲面各点的法线；

21、依据各点的法向量求出自由曲面各点的斜率。

22、根据本申请的一种实施方式，所述计算目标光场各角度下对应的自由曲面的坐标点位置包括：

23、对目标光场分布各角度下的能量分布进行分割；

24、计算分割后的各角度下光强占各方向的能量比例；

25、根据分割方式和能量比例，同等分割自由曲面透镜的投影面积，得到的各分割点；

26、统计各分割点，得到自由曲面对应目标光场各角度曲面的坐标点位置。

27、根据本申请的一种实施方式，所述计算分割后的各角度下光强占各方向的能量比例包括：

28、计算沿第一方向分割后形成的第一数据集合中各数据的第一数据和；

29、计算第一数据集合中各数据与第一数据和之比，得到第一比例数值；

30、计算沿第二方向分割后形成的第二数据集合中各数据的第二数据和；

31、计算第二数据集合中各数据与第二数据和之比，得到第二比例数值；

32、整合第一比例数值和第二比例数值，得到各角度下光强占各方向的能量比例。

33、根据本申请的一种实施方式，所述第一方向和所述第二方向为矩阵数据的行方向和列方向。

34、根据本申请的一种实施方式，所述根据对应关系进行自由曲面的三维建模包括：

35、根据面型斜率和坐标点位置，利用欧拉公式逐点计算得到自由曲面透镜的三维建模数据；或

36、沿第一方向和第二方向分别进行数据的建立，经叠加后获得自由曲面透镜的三维建模数据。

37、根据本申请的一种实施方式，还包括：

38、步骤六：根据已经建立自由曲面透镜的三维建模数据进行仿真，得到仿真的透镜出射光场分布；

39、步骤七：验证仿真的透镜出射光场分布与目标光场分布的相关性。

40、本发明的有益效果：

41、采用自由曲面透镜的设计方法提高了设计效率，提高了和目标的匹配度。

技术特征：

1.一种自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述计算目标光场各角度下对应的自由曲面的面型斜率包括：

3.根据权利要求2所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述计算自由曲面的出射光场分布包括：

4.根据权利要求2所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述计算自由曲面的入射光场分布包括：

5.根据权利要求2所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述根据出射光场分布与入射光场分布计算自由曲面各点的斜率包括：

6.根据权利要求1所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述计算目标光场各角度下对应的自由曲面的坐标点位置包括：

7.根据权利要求6所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述计算分割后的各角度下光强占各方向的能量比例包括：

8.根据权利要求7所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向为矩阵数据的行方向和列方向。

9.根据权利要求1所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，所述根据对应关系进行自由曲面的三维建模包括：

10.根据权利要求1至9任一项所述的自由曲面透镜的设计方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明公开了一种自由曲面透镜的设计方法，包括如下步骤：获取目标光场分布；计算目标光场各角度下对应的自由曲面的面型斜率；计算目标光场各角度下对应的自由曲面的坐标点位置；根据面型斜率与坐标点位置，建立自由曲面的面型斜率和所述斜率坐标点的对应关系；根据对应关系进行自由曲面的三维建模，得到自由曲面透镜。采用自由曲面透镜的设计方法提高了设计效率，提高了和目标的匹配度。

技术研发人员：贾敏,储星宇,明玉生,王聪,程治明,汪杰,陈远
受保护的技术使用者：宁波舜宇奥来技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12