CN102679265A - 一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，包括：步骤1：确定需要进行匀光控制的光源的光分布形式；步骤2：确定实现匀光控制区域的位置信息；步骤3：确定透镜材料；步骤4：基于能量守恒定律，将匀光控制区域划分成若干子区域；步骤5：建立步骤4中任一子区域与光源出射角的一一对应关系；步骤6：基于折射定律和步骤4、5的对应关系求解自由曲面透镜的面型。本发明实现了对任意光源的光束匀光控制，经过该自由曲面透镜后的光束呈现出任意形状的均匀的光斑。

Description

一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法
技术领域
本发明涉及应用光学技术领域，特别涉及一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法。
背景技术
目前多数光源发生装置出射的光源都是非均匀的，例如激光器输出的光满足高斯分布，LED输出的光满足朗伯分布等，但是在很多场合都需要一种均匀度较好的光源，或者是将光源出射的光控制在一个所需的特定形状的区域，这就需要对光源进行匀光控制，以使其满足实际的需要。
目前应用于匀光控制的方法有以下几种：(1)微透镜匀光阵列。这种方法主要是由一系列正交分布排列的具有特定面型的微小透镜组成一个阵列，光束通过这个阵列以后，出射的光可以相互迭加从而产生匀光的效果。这种方法对透镜的加工制作水平有较高的要求，并且结构复杂，成本高。(2)复杂透镜***。利用一系列透镜的组合来形成匀光的效果。该方法匀光效果较好，但是结构复杂，成本高昂。
另外，以上几种方法都无法将光源发出的光束控制在一个特定形状的区域内。鉴于以上几点，本发明提出了一种新型的基于自由曲面透镜的匀光控制设计方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：克服现有匀光***的复杂性和无法对光束进行控制的问题，提供一种新型的基于自由曲面透镜的匀光控制设计方法，只利用一个透镜，实现了对任意光源的匀光，光并使得出射光斑为任意所需的形状。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，该方法包括：
步骤1：根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数
Figure BDA0000050676890000021
步骤2：根据具体需要确定目标照明区域的形状和位置，其中该目标照明区域的形状为矩形；
步骤3：根据透镜材料，确定透镜材料的折射率n；
步骤4：将矩形区域划分成若干过矩形中心的子区域，每个子区域对应的网格长度满足公式
Figure BDA0000050676890000022
其中
Figure BDA0000050676890000023
为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，即
步骤5：根据能量守恒定律，建立步骤4获得区域网格
Figure BDA0000050676890000025
上任一点
Figure BDA0000050676890000026
与光源出射角θ的一一对应关系，其关系如公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，其中ρ为点
Figure BDA0000050676890000027
与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值；
步骤6：根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的
Figure BDA0000050676890000028
与目标矩形区域上任一点的对应关系，根据折射定律对曲面面型进行求解；透镜前表面为平面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面每一网格上的点的法线满足关系公式
Figure BDA00000506768900000210
其中
Figure BDA00000506768900000211
为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和
Figure BDA00000506768900000213
方向的夹角，
Figure BDA00000506768900000214
为目标区域上某一网格的法线与光源的θ和
Figure BDA00000506768900000215
方向的夹角，
Figure BDA00000506768900000216
为光源发出的该条光线在θ和
Figure BDA00000506768900000217
方向上的夹角，n为透镜的折射率。
上述方案中，步骤1中所述的光源分布函数
Figure BDA00000506768900000218
是旋转对称的。
上述方案中，步骤2中所述矩形的长和宽分别为a和b，光源位于矩形中心前方h处。
上述方案中，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。
上述方案中，步骤4中所述的网格过矩形中心，长度
Figure BDA00000506768900000219
满足公式
Figure BDA00000506768900000220
上述方案中，步骤5中所述的点
Figure BDA0000050676890000031
与光源出射角θ满足公式
∫I(θ)dθ＝∫Adρ。
上述方案中，步骤6中所述的自由曲面透镜的前表面为平面，后表面每个网格的法向量满足公式
Figure BDA0000050676890000032
(三)有益效果
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用单个透镜的设计方法来实现匀光控制，结构简单，加工容易，成本低。
(2)本发明采用自由曲面透镜设计方法，利用能量守恒定律建立了目标区域内的点与光源出射角的一一对应关系，从而使得对于任意光强度分布的光源，目标区域内的光强分布都具有很好的均匀性。
(3)本发明实现了将任意光源控制在任意形状的目标区域内，很好的实现了对光分布的限制作用。
附图说明
图1为依照本发明提供的自由曲面透镜的结构示意图，1为所设计的后表面，2为前表面；
图2为图1所示自由曲面透镜后表面的正视图；
图3为图1所示自由曲面透镜后表面的侧视图；
图4为光源与目标区域对应关系；
图5为加自由曲面透镜前，光源的出射光斑；
图6为加自由曲面透镜后，得到的矩形光斑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数满足高斯分布，直径10mm；
步骤2：根据需要确定目标匀光区域。本例为矩形，长a＝30mm，宽b＝16mm，光源离目标区域的距离h＝10mm；
步骤3：选择透镜材料为PMMA，该材料的折射率n＝1.49；
步骤4：将矩形照明区域划分成若干过矩形中心的网格，网格线段长度满足公式1，即
Figure BDA0000050676890000041
其中
Figure BDA0000050676890000042
为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，即
Figure BDA0000050676890000043
本例中
Figure BDA0000050676890000044
步骤5：按公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ建立线段
Figure BDA0000050676890000045
上任一点
Figure BDA0000050676890000046
与光源出射角
Figure BDA0000050676890000047
的一一对应关系(如图4)；其中ρ为点
Figure BDA0000050676890000048
与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值；
步骤6：将步骤5获得的关系代入公式(3)，即
Figure BDA0000050676890000049
其中
Figure BDA00000506768900000411
为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和
Figure BDA00000506768900000412
方向的夹角，为目标区域上某一网格的法线与光源的θ和
Figure BDA00000506768900000414
方向的夹角，
Figure BDA00000506768900000415
为光源发出的该条光线在θ和
Figure BDA00000506768900000416
方向上的夹角，n为透镜的折射率，求解出配光曲面在不同θ，
Figure BDA00000506768900000417
方向的法线，进而求解曲面上每个网格的坐标数据，最后生成透镜实体。得到的透镜后表面的面形如图1中1和图3所示，透镜前表面为平面，如图1中2和图2所示，光线在前表面正入射进入透镜，减少反射损耗。
步骤7：对步骤6得到的透镜与步骤1的光源进行仿真，得到光斑形状如图6所示，而没加透镜前光源的光斑形状为高斯分布的圆形(如图5)，可以看出，按本发明设计的自由曲面透镜可以得到矩形光斑，且光照度在矩形区域内均匀分布。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：根据提供的光源资料，确定光源的光分布函数；
步骤2：根据具体需要确定目标照明区域的形状和位置，其中该目标照明区域的形状为矩形；
步骤3：根据透镜材料，确定透镜材料的折射率n；
步骤4：将矩形区域划分成若干过矩形中心的子区域，每个子区域对应的网格长度满足公式
Figure FDA0000050676880000012
其中
Figure FDA0000050676880000013
为过矩形中心的线段与矩形的长边a所成的角，即
Figure FDA0000050676880000014
步骤5：根据能量守恒定律，建立步骤4获得区域网格
Figure FDA0000050676880000015
上任一点
Figure FDA0000050676880000016
与光源出射角θ的一一对应关系，其关系如公式∫I(θ)dθ＝∫Adρ，其中ρ为点
Figure FDA0000050676880000017
与矩形中心的距离，A为目标区域的平均光强值；
步骤6：根据步骤4中公式和步骤5中公式获得的
Figure FDA0000050676880000018
与目标矩形区域上任一点
Figure FDA0000050676880000019
的对应关系，根据折射定律对曲面面型进行求解；透镜前表面为平面，使光线正入射进入透镜，减少反射损耗；后表面每一网格上的点的法线满足关系公式
Figure FDA00000506768800000110
其中
Figure FDA00000506768800000111
Figure FDA00000506768800000112
为自由曲面透镜上某一网格的法线与光源的θ和
Figure FDA00000506768800000113
方向的夹角，
Figure FDA00000506768800000114
为目标区域上某一网格的法线与光源的θ和
Figure FDA00000506768800000115
方向的夹角，
Figure FDA00000506768800000116
为光源发出的该条光线在θ和
Figure FDA00000506768800000117
方向上的夹角，n为透镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤1中所述的光源分布函数
Figure FDA00000506768800000118
是旋转对称的。
3.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤2中所述矩形的长和宽分别为a和b，光源位于矩形中心前方h处。
4.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤3中所述的透镜材料为透光材料PMMA或玻璃。
5.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤4中所述的网格过矩形中心，长度满足公式
Figure FDA0000050676880000022
6.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤5中所述的点与光源出射角θ满足公式
∫I(θ)dθ＝∫Adρ。
7.根据权利要求1所述的利用自由曲面透镜实现光束匀光控制的方法，其特征在于，步骤6中所述的自由曲面透镜的前表面为平面，后表面每个网格的法向量满足公式
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