CN103927421A - 三维光学***的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三维光学***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***表面上任意一个初始点获得所述光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***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***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***，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。

Description

三维光学***的实现方法

技术领域

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***的实现方法。

背景技术

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***，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。

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***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 prescribed irradiance,”Applied Optics46,3716-3723(2007)；“一种三维光学透镜的设计方法及透镜,”专利号:CN100495113C；F.R.Fournier,W.J.Cassarly,and J.P.Rolland,“Fast freeform reflector generation using source-target maps,”Optics Express18,5295-5304(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。

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***的扩展性的不同。通常用光学***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***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。

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***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。

目前，针对偏离点光源的配光***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 smooth free-form optical system withuniform illuminance for LED source,”Optics Express18,9055-9063(2010)；W.Situ,Y.Han,H.Li,and Y.Luo,“Combined feedback method for designing a free-form optical system withcomplicated illumination patterns for an extended LED source,”Optics Express19,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 control efficiency,”OpticsExpress21,1258-1269(2013))和自动优化法(R.J.Koshel.Simplex optimization method forillumination design.Optics Letters.2005,30:649-651；F.R.Fournier,“A review of beamshaping strategies for LED lighting,”Proc.SPIE8170,817007(2011)；K.Wang,Y.Han,H.Li,and Y.Luo,“Overlapping-based optical freeform surface construction for extended lightingsource,”Optics Express21(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***，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***模型，然后对光学***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***模型进行优化。自动优化法的局限性在于，初始光学***模型的选取直接影响到优化算法的效率和收敛性，当光学***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。

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 Multiple Surface)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***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***(如槽型反光杯等)，尚不能直接扩展至三维光学***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。

综上所述，在针对面光源的高紧凑型光学***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***的设计方法。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述技术缺陷。

为此，本发明公开了一种三维光学***的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1、建立光源和目标光分布之间的映射关系；

2、根据光学***表面上任意一个初始点获得所述光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***的初始三维模型；

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***的最终三维模型以实现光分布质量的优化。

本发明提出的一种三维光学***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。

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***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***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***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***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***的最终三维模型。

本发明提出的一种三维光学***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：

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其中θ为天顶角、为方位角；

2、根据所述面光源的光强分布将所述面光源等效为一个位于O点的光强分布是的点光源；

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(ρ,γ)，其中ρ为极径、γ为极角，确定照明区域的边界形状表达式f(ρ,γ)＝0；

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(ρ,γ)；

5、给定光学***在任意初始方向上的尺寸h，给定光学***材料的折射率n₁和光学***周围介质的折射率n₂；

6、按球坐标系划分光源的发光角度，沿纬线方向将方位角划分为且沿经线方向将天顶角θ划分为θ_j(j＝1,2,…,N)且θ_j+1>θ_j(j＝1,2,…,N-1)，其中M≥2,N≥2为自然数，和分别为给定光源的最小和最大方位角，θ₁和θ_N分别为给定光源的最小和最大天顶角；

7、按极坐标系(ρ,γ)划分给定照明区域，将极角划分为γ_i(i＝1,2,…,M)且根据给定照明区域的边界曲线形状f(ρ,γ)＝0，得到在γ_i(i＝1,2,…M)方向上的最大极径ρ_maxi＝f₁(γ_i)(i＝1,2,…M)；

8、对应于每个方位角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：

建立γ_i(i＝1,2,…M)方向上的极径与天顶角θ_j(j＝1,2,…N)之间的映射关系：

9、建立光源发光角度和照明区域坐标(ρ,γ)之间的三维映射关系：

i＝1,2,…M；j＝1,2,…N

本发明提出的一种三维光学***的实现方法，其特征在于，所述根据光学***表面上任意一个初始点获得所述光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***的初始三维模型，包括：

1、确定了每一条入射光线经光学***表面折射或反射后所要达到的在给定照明区域上的位置(ρ_i,j,γ_i)(i＝1,2,…M；j＝1,2,…N)，根据矢量折射/反射定律确定光学***表面上多个特征点的法线矢量的方向；

2、根据给定的光学***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***表面的特征点的坐标；

3、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***的初始三维模型。

进一步地，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***的初始三维模型的照明效果进行仿真模拟。

本发明提出的一种三维光学***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：其中α₁、α₂、α₃、α₄为边界形状调整参数。所述第一步优化表示为：

其中，优化变量的取值范围为：0.5≤α₁≤2、α₂>0、α₃>0、α₄>0，

评价函数MF₁定义为：

MF₁＝ω₁·RSD_shape+(1-ω₁)·RSD，

RSD_shape为仿真照明区域边界形状相对于给定照明区域边界形状的标准偏差，RSD为给定照明区域内的仿真照度分布E_S相对于目标照度分布E₀的标准偏差，0≤ω₁≤1为权重因子，限制条件η≥η_T是为了达到一定的节能效果而规定光控制效率η(定义为落到给定照明区域内的光通量与光源所发出的光通量的比值)大于给定的阈值η_T。

所述第二步优化，包括：利用在多个选定方向上的矢径大小r′_m,l作为参数表示光学***的初始三维模型。初始三维模型在方向上的矢径大小记作r′_0m,l，所述第二步优化表示为：

其中，评价函数MF₂定义为：

MF₂＝υ₁·RSD+(1-υ₁)·(1-η)，

RSD和η与所述第一步优化中的定义相同，0≤υ₁≤1为权重因子。

本发明提出的一种三维光学***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。

本发明提出的一种三维光学***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。

本发明提出的一种三维光学***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。

本发明提出的一种三维光学***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。

本发明提出的一种三维光学***的实现方法，其特征在于，所述三维光学***的顶视图形状与给定照明区域的边界形状相似；所述光学***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***包括折射式光学***、反射式光学***和全内反射光学***的一个或多个的组合；所述三维光学***存在一个给定的表面或多个给定的表面；所述光学***由单一材料或多种材料构成。

本发明提出的三维光学***的实现方法，简化了光源和给定照明区域之间的能量映射关系的求解过程，将光源和照明区域之间复杂的三维能量映射的求解简化为一系列简单的二维映射的求解，对于任意复杂形状的照明区域，映射关系的求解都十分简单、快速，为自动优化设计提供了可能性和高效性；其次，按照照明区域边界形状控制和照明区域内光能分布控制这两步依次优化光学***的三维模型，从而获得最终的光学***模型以实现高质量的光分布，分步优化的针对性强，算法的效率更高。因此，本发明的实施例可以灵活地针对面光源设计高紧凑型的三维自由曲面光学***，在实现复杂光分布要求的同时可以充分利用光源的能量，可有效地用于LED面光源、高压钠灯、金卤灯等面光源的配光***设计，在各种照明场合，如道路照明、场馆照明、景观照明中都有广阔的应用前景。

附图说明

本发明所述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的三维光学***的实现方法的一个流程图；

图2为本发明实施例的三维光学***的实现方法的另一个流程图；

图3为本发明实施例的方法的将光源与给定照明区域之间的三维映射关系简化为一系列二维映射的示意图；

图4为本发明实施例的方法的采用迭代法求解光学***表面数据点的示意图；

图5为本发明实施例的方法的第一步优化方式的示意图；

图6为本发明实施例的方法的第二步优化方式的示意图；

图7为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布经过第一步优化后的自由曲面透镜模型；

图8为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布经过第一步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图9为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图10为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图11为本发明实施例的方法的实现“十”字形区域内照度均匀分布经过第一步优化后的自由曲面透镜模型；

图12为本发明实施例的方法的实现“十”字形区域内照度均匀分布经过第一步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图13为本发明实施例的方法的实现“十”字形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图14为本发明实施例的方法的实现“十”字形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图15为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图16为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图17为本发明实施例的方法的实现六边形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图18为本发明实施例的方法的实现六边形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图19为本发明实施例的方法的实现椭圆形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图20为本发明实施例的方法的实现椭圆形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图21为本发明实施例的方法的实现圆形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图22为本发明实施例的方法的实现圆形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图23为本发明实施例的方法的实现中心穿孔的十字形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图24为本发明实施例的方法的实现中心穿孔的十字形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图25为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布并采用模式搜索算法进行优化经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图26为本发明实施例的方法的实现矩形区域内照度均匀分布并采用模式搜索算法进行优化经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图27为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且内部预设空气球缺经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图28为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且内部预设空气球缺经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图29为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且内部预设介质球缺经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图30为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且内部预设介质球缺经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图31为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且采用折射+全内反射形式的经过第二步优化后的自由曲面透镜模型的剖面图；

图32为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且采用折射+全内反射形式的经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图33为本发明实施例的方法的实现方形区域内照度均匀分布且采用折射+全内反射形式的经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果；

图34为本发明实施例的方法的针对于方形光源实现矩形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的自由曲面透镜模型；

图35为本发明实施例的方法的针对于方形光源实现矩形区域内照度均匀分布经过第二步优化后的目标平面照度分布仿真结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的三维光学***的实现方法。

图1是根据本发明一个实施例的三维光学***的实现方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的三维光学***的实现方法，包括如下步骤：

步骤S101：建立光源和目标光分布之间的映射关系。具体地说，以给定光分布作为预设光分布，并将面光源等效为点光源。根据光源的发光方位角将光源的发光空间划分为多个二维平面。根据与发光方位角相同的极角对应地将预设光分布划分为多个线状分布。根据每个二维平面内对应的光源和预设光分布之间二维的能量守恒，建立光源的多个发光角度和预设照明区域坐标之间的映射关系。

步骤S102：根据光学***表面上任意一个初始点获得光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***的初始三维模型。

步骤S103：对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初始三维模型进行分步优化，从而获得光学***的最终三维模型以实现光分布质量的优化。

作为具体的例子，结合图2-图35，具体地说明。如图2所示，该方法首先根据设计要求确定初始的设计参数，包括光源的形状尺寸和发光特性、光学***的尺寸限制和材料特性以及给定光分布(包含照明区域边界形状和照明区域内光能数值分布)；然后，以给定光分布作为预设光分布、将面光源等效为一个与其具有相同光强分布的点光源，根据光源和预设光分布之间的能量守恒，将光源发光方向和预设照明区域坐标之间的三维映射的求解简化成一系列沿着照明区域不同极角方向上的二维映射的求解，避开了直接求解复杂的光源和照明区域之间的三维能量映射，对于任意复杂形状的照明区域，映射关系的求解都十分简单、快速，为下述的自动优化设计提供了可能性和高效性；其次，给定光学***表面上任意一个初始点，根据上述映射关系，基于折射或反射定律获得光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标，从而确定光学***的初始三维模型；最后，用实际面光源作为光源对上述光学***的初始三维模型的照明效果进行仿真，根据得到的仿真光分布与给定光分布之间的偏差，采用分步优化，即按照照明区域边界形状控制和照明区域内光能分布控制这两步依次优化光学***的三维模型，获得最终的光学***模型以实现高质量的光分布。

其中，所述分步优化方法的流程是：第一步优化，用含有一组参数的方程表示预设照明区域的边界形状，每一组给定的参数取值都对应一种具有该边界形状的预设光分布，从而可构建对应的光学***模型以及获得相应的仿真光分布，优化这些参数取值，使得面光源经过紧凑型三维光学***后仿真得到的照明区域的边界形状与给定照明区域的边界形状的偏差小于给定阈值，此时对应的光学***为初始最优的光学***；第二步优化，用在一系列选定方向上的矢径作为参数表示上述初始最优的光学***模型，每一组给定的矢径参数对应一种光学***的三维模型，从而对应一种仿真光分布，优化这些矢径参数的取值，使得仿真得到的照明区域内的光能分布与给定的光能分布的偏差小于阈值，此时对应的光学***为最终的光学***模型。

需要强调的是，将光源和照明区域之间的能量映射简化成一系列对应不同方位角的半平面内的二维映射的原因在于：首先，直接求解光源和照明区域之间的三维能量映射是极其复杂的，其对应着直接求解二重积分形式的能量守恒方程，通常难以用解析的方法进行求解，而用数值方法求解二重积分是比较费时间的，无法用于通常需要上千次循环计算的光学***自动优化设计中，同时，对于复杂的照明区域边界形状，二重积分的求解更加的复杂和费时，因此必须寻求简单、快速同时适用于复杂边界形状的映射关系求解方法；其次，考虑到面光源的扩展性，其发光方向杂乱无章，在理论上是无法直接建立面光源发光方向和照明区域坐标之间的映射关系的，即使是基于点光源建立理想的映射关系构建出来的光学***模型的误差也是很大的，因此面光源与照明区域映射关系的求解是允许简化的；最后，由于本发明中初始光学***的设计偏重考虑照明区域边界形状的控制，因此能保证照明区域边界形状的映射关系的简化求解方法是可以接受的。综上所述，本发明根据光源和预设光分布之间的能量守恒，通过将光源发光方向和预设照明区域坐标之间的三维映射的求解简化成一系列沿着照明区域不同极角方向上的二维映射的求解，由于避开了直接求解复杂的光源和照明区域之间的三维能量映射，对于任意复杂形状的照明区域，映射关系的求解都十分简单、快速，因此是合理的、具有创新性的。

图3表示的是建立光源发光方向和照明区域坐标之间的映射关系。以面光源(031)上的一点O为原点，为光源的发光方向建立球坐标系其中θ为天顶角、为方位角；根据给定的面光源的光强分布将面光源等效为一个位于O点的光强分布是的点光源；以照明区域(032)上的一点O′为原点，为照明区域建立极坐标系(ρ,γ)，其中ρ为极径、γ为极角，确定照明区域的边界形状表达式f(ρ,γ)＝0，给定照明区域内的照度分布为E0(ρ,γ)；按球坐标系划分光源的发光角度，沿着纬线方向将方位角划分为且沿着经线方向将天顶角θ划分为θ_j(j＝1,2,…,N)且θ_j+1>θ_j(j＝1,2,…,N-1)，其中M≥2,N≥2为自然数，和分别为给定光源的最小和最大方位角，θ₁和θ_N分别为给定光源的最小和最大天顶角；按极坐标系(ρ,γ)划分给定照明区域，将极角划分为根据给定照明区域的边界曲线形状f(ρ,γ)＝0，可以得到在γ_i(i＝1,2,…M)方向上的最大极径(033)ρ_maxi＝f₁(γ_i)(i＝1,2,…M)(在公式f(ρ,γ)＝0中令γ＝γ_i，解方程得到)；对应于每个方位角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：

可以建立γ_i(i＝1,2,…M)方向上的极径与天顶角θ_j(j＝1,2,…N)之间的映射关系：

经过上述步骤，通过求解一系列简单的二维映射建立了光源发光角度和照明区域坐标(ρ,γ)之间的三维映射关系：

i＝1,2,…M；j＝1,2,…N

图4表示在任意一个对应的半平面内，采用迭代法求解光学***表面数据点的示意图：根据已经建立好的映射关系给定光学***表面上对应着光源任意一个划分好的角度的入射光线(041)方向上的初始点(042)，由映射关系，(041)对应着照明区域上的一点(043)，由(042)和(043)可以确定出射光线(044)的方向，根据Snell定律，由入射光线(041)和出射光线(044)可以得到初始点(042)处的法线矢量(045)，进而可以获得初始点(042)处的切线(046)；考虑划分好的相邻的角度对应的一条入射光线(047)，其与初始点(042)处的切线(046)交于一点(048)，点(048)即为光学***表面上的一个新的数据点；接下来的每一步将新获得的表面数据点作为一个新的起始点，并按照上述步骤继续求解，直到获得光学***表面所有的特征点。

图5表示的是第一步优化的方法。通过一组参数调整给定照明区域(032)的边界形状f(ρ,γ)＝0作为预设照明区域(051)的边界形状：

$f({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\ρ}}^{{\mathrm{\α}}_3},{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\γ}}^{{\mathrm{\α}}_4})=0$

其中α₁、α₂、α₃、α₄为边界形状调整参数，且0.5≤α₁≤2、α₂>0、α₃>0、α₄>0；当α₁＝α₂＝α₃＝α₄＝1时预设照明区域边界形状与给定照明区域边界形状相同，其对应的光学***模型为(052)。每一组α₁、α₂、α₃、α₄的取值都对应着一种预设光分布，从而对应着一种按照图3与图4所示的方法构建的光学***模型(053)以及相应的仿真光分布。第一步优化的优化问题可以表示为：

其中，评价函数MF₁定义为：

MF₁＝ω₁·RSD_shape+(1-ω₁)·RSD

RSD_shape为仿真照明区域边界形状相对于给定照明区域边界形状的标准偏差，RSD为给定照明区域内的仿真照度分布E_S相对于目标照度分布E₀的标准偏差，0≤ω₁≤1为权重因子，限制条件η≥η_T是为了达到一定的节能效果而规定光控制效率η大于给定的阈值η_T。为了计算RSD_shape和RSD，需要建立仿真照度分布的计算网格：首先，将照明平面的极角γ由小到大划分为γ_i′(i＝1,2,…,M₁)，其中M₁≥2为自然数，γ₁′和分别为最小和最大极角，并分别计算给定光分布区域和仿真光分布区域在γ_i′(i＝1,2,…M₁)方向上的最大极径ρ′_maxi(γ_i′)和ρ_S′_i(γ_i′)；其次，对应每个γ_i′(i＝1,2,…M₁)方向，将给定照明区域的极径由小到大划分为ρ′_i,j(j＝1,2,…,N₁)，其中N₁≥2为自然数，ρ′_i,1和分别为γ_i′方向上的最小和最大极径，并分别计算给定照明区域内各点(ρ′_i,j,γ_i′)(i＝1,2,…M₁；j＝1,2,…N₁)处的给定照度分布值E₀(ρ′_i,j,γ_i′)和仿真照度分布值E_S(ρ′_i,j,γ_i′)。照度分布边界形状相对标准偏差RSD_shape可以按下式进行计算：

${\mathrm{RSD}}_{\mathrm{shape}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Si}}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)-{\mathrm{\ρ}}_{\max i}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{\max i}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)}\right)}^2}{M_1-1}}$

照度分布相对标准偏差RSD可以按下式进行计算：

$\mathrm{RSD}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{E_S({\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\′},{\mathrm{\γ}}_i^{\′})-E_0({\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\′},{\mathrm{\γ}}_i^{\′})}{E_0({\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\′},{\mathrm{\γ}}_i^{\′})}\right)}^2}{M_1\·N_1-1}}$

经过第一步优化得到初始最优的光学***。

图6表示的是第二步优化的方法。通过第一步优化，我们得到了初始最优的光学***模型(061)，用在一系列选定方向上的矢径(062)大小r′_m，l作为参数表示上述初始最优的光学***模型，每一组给定的矢径参数对应一种光学***的三维模型，从而对应一种仿真光分布。初始最优光学***模型在方向上的矢径大小记作r′_0m,l，第二步优化的优化问题可以表示为：

其中，评价函数MF₂定义为：

MF₂＝υ₁·RSD+(1-υ₁)·(1-η)

RSD和η与上述第一步优化中的定义相同，0≤υ₁≤1为权重因子。经过第二步优化得到最终的光学***。

以下具体说明本发明的几个具体实施例。在所有实施例中若无特别说明，采用的光源为直径D＝10mm的盘状朗伯面光源，光源发光立体角为2π、光通量为10000lm，照明区域与光源的距离为H＝10m，透镜的中心高度为h＝25mm，透镜的折射率为n₁＝1.59，空气的折射率为n2＝1，优化过程中的参数取值范围分别为0.5≤α₁≤2、α₂＝α₃＝α₄＝0、0.9r′_0m,l≤r′_m,l≤1.1r′_0m,l(l＝1,2,…N_l；m＝1,2,…N_m)，其他参数的设置如下所示:

${\mathrm{\θ}}_j={\mathrm{\θ}}_{\min }+\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }-{\mathrm{\θ}}_{\min }}{N-1}\·(j-1)(j=\mathrm{1,2},\·\·\·N)$

${\mathrm{\ρ}}_{i,j}^{\′}={\mathrm{\ρ}}_{\min i}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\max i}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)-{\mathrm{\ρ}}_{\min i}^{\′}\left({\mathrm{\γ}}_i^{\′}\right)}{N_1-1}\·(j-1)(j=\mathrm{1,2},\·\·\·N_1)$

${\mathrm{\θ}}_l^{\′}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{l-1}{N_l-1}(l=\mathrm{1,2},\·\·\·N_l)$

【实施例1】

实施例1是在20m×40m的矩形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.83、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图7表示的是经过第一步优化后的自由曲面透镜模型。图7(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图7(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图8表示的是经过第一步优化后的目标平面上的照度分布结果。图8(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图8(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率(给定照明区域内的光通量与光源总的光通量的比值)为73.5％，照度分布相对标准偏差为8.7％。

图9表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图9(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图9(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图10表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图10(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图10(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为72.7％，照度分布相对标准偏差为5.7％。

分别对比图7(a)、8(a)和图9(a)、10(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例2】

实施例2是在由两个20m×40m的矩形区域相交所形成的十字型区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.91、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图11表示的是经过第一步优化后的自由曲面透镜模型。图11(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图11(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图12表示的是经过第一步优化后的目标平面上的照度分布结果。图12(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图12(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为74.3％，照度分布相对标准偏差为7.2％。

图13表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图13(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图13(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图14表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图14(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图14(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为77.7％，照度分布相对标准偏差为6.1％。

分别对比图11(a)、12(a)和图13(a)、14(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例3】

实施例3是在30m×30m的方形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.94、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图15表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图15(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图15(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图16表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图16(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图16(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为80.7％，照度分布相对标准偏差为5.5％。

对比图15(a)和16(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例4】

实施例4是在边长为15m的六边形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.91、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图17表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图17(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图17(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图18表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图18(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图18(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为78.0％，照度分布相对标准偏差为6.9％。

对比图17(a)和18(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例5】

实施例5是在长轴为40m、短轴为30m的椭圆形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.95、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图19表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图19(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图19(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图20表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图20(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图20(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为82.5％，照度分布相对标准偏差为4.7％。

对比图19(a)和20(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例6】

实施例6是在半径为15m的圆形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.97、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图21表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图21(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图21(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图22表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图22(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图22(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为82.4％，照度分布相对标准偏差为5.0％。

对比图21(a)和22(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例7】

实施例7是在中心穿孔的十字型区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，圆孔的半径为5m，十字型由两个20m×40m的矩形相交所形成，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后，外轮廓的最优调整参数为α₁＝0.91、α₂＝α₃＝α₄＝0，内轮廓的最优调整参数为α₁＝0.71、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图23表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图23(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图23(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图24表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图24(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图24(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为71.0％，照度分布相对标准偏差为7.1％。

【实施例8】

实施例8是在20m×40m的矩形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，优化过程采用模式搜索算法，经过第一步优化后α₁＝0.83、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图25表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图25(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图25(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图26表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图26(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图26(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为74.1％，照度分布相对标准偏差为8.5％。

对比图25(a)、26(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

【实施例9】

实施例9是在30m×30m的方形区域内实现均匀照度分布且内部预设空气球缺的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.97、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图27表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型在x-z平面的剖面图，内部预设一空气球缺(2701)，空气球缺的半径为22.5mm，球心坐标为(0,0,-7.5mm)透镜内表面(2701)的中心高度为15mm，透镜外表面(2702)的中心高度为25mm，透镜的折射率为1.59。

图28表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图28(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图28(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为84.5％，照度分布相对标准偏差为4.1％。

【实施例10】

实施例10是在30m×30m的方形区域内实现均匀照度分布且内部预设介质球缺的自由曲面透镜的设计，优化过程采用单纯形优化算法，经过第一步优化后α₁＝0.97、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图29表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型在x-z平面的剖面图，内部预设一介质球缺(2901)，介质球缺的半径为22.5mm，球心坐标为(0,0,-7.5mm)，介质的折射率为1.56，透镜内表面(2901)的中心高度为15mm，透镜外表面(2902)的中心高度为25mm，透镜(2902)的折射率为1.49。

图30表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图30(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图30(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为80.0％，照度分布相对标准偏差为5.0％。

【实施例11】

实施例11是在20m×20m的矩形区域内实现均匀照度分布的折射+全内反射式自由曲面透镜的设计，经过第一步优化后α₁＝0.94、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图31表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型在x-z平面的剖面图，透镜内部为空气，透镜中心折射式配光部分(3101)的中心高度为12.0mm，对应的光源发光角度范围为0-60°；透镜外表面(3102)为平面，高度为30.0mm；透镜侧面预设表面(3103)为柱面，正好与(3101)的边缘衔接，对应光源的发光角度为60°-90°；透镜侧面全内反射配光部分(3104)的底边与(3103)的底边重合。

图32表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图32(a)是自由曲面透镜在y-z平面的投影，图32(b)是自由曲面透镜在x-y平面的投影。

图33表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图33(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图33(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为82.4％，照度分布相对标准偏差为8.4％。

【实施例12】

实施例12是在20m×40m的矩形区域内实现均匀照度分布的自由曲面透镜的设计，光源为10mm×10mm的方形LED朗伯光源，经过第一步优化后α₁＝0.85、α₂＝α₃＝α₄＝0。

图34表示的是经过第二步优化后的自由曲面透镜模型。图34(a)是自由曲面透镜在x-y平面的投影，图34(b)是自由曲面透镜在y-z平面的投影。

图35表示的是经过第二步优化后的目标平面上的照度分布结果。图35(a)是照度分布的平面图，给定照明区域的轮廓线用黑框示出。图35(b)是目标平面横向和纵向中心线上的照度分布线图。光控制效率为73.0％，照度分布相对标准偏差为6.0％。

对比图34(a)和35(a)可以看出，透镜在x-y平面的投影与照度分布的形状相似。

实例表明，本发明可以灵活地针对面光源设计高紧凑型的三维自由曲面光学***，在实现复杂光分布要求的同时可以充分利用光源的能量，方法简单、快速、灵活、高效且适用性强，可有效地用于包括LED面光源、高压钠灯、卤素灯、金卤灯等不同形式的面光源的配光***的设计，在各种照明场合，如道路照明、场馆照明、景观照明中都有广阔的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种三维光学***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***表面上任意一个初始点获得所述光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***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***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***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***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***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***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***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***的最终三维模型。 

3.根据权利要求1所述的三维光学***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其中θ为天顶角、为方位角； 

根据所述面光源的光强分布将所述面光源等效为一个位于O点的光强分布是的点光源； 

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(ρ,γ)，其中ρ为极径、γ为极角，确定照明区域的边界形状表达式f(ρ,γ)＝0； 

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(ρ,γ)； 

给定光学***在任意初始方向上的尺寸h，给定光学***材料的折射率n₁和光学***周围介质的折射率n₂； 

按球坐标系划分光源的发光角度，沿纬线方向将方位角划分为 且沿经线方向将天顶角θ划分为θ_j(j＝1,2,…,N)且θ_j+1>θ_j(j＝1,2,…,N-1)，其中M≥2,N≥2为自然数，和分别为给定光源的最小和最大方位角，θ₁和θ_N分别为给定光源的最小和最大天顶角； 

按极坐标系(ρ,γ)划分给定照明区域，将极角划分为γ_i(i＝1,2,…,M)且 根据给定照明区域的边界曲线形状f(ρ,γ)＝0，得到在γ_i(i＝1,2,…M)方向上的最大极径ρ_maxi＝f₁(γ_i)(i＝1,2,…M)； 

对应于每个方位角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： 

建立γ_i(i＝1,2,…M)方向上的极径与天顶角θ_j(j＝1,2,…N)之间的映射关系： 

建立光源发光角度和照明区域坐标(ρ,γ)之间的三维映射关系： 

i＝1,2,…M；j＝1,2,…N。 

4.根据权利要求1所述的三维光学***的实现方法，其特征在于，所述根据光学***表面上任意一个初始点获得所述光学***表面的所有特征点的法线矢量和坐标以确定光学***的初始三维模型，包括： 

确定了每一条入射光线经光学***表面折射或反射后所要达到的在给定照明区域上的位置(ρ_i,j,γ_i)(i＝1,2,…M；j＝1,2,…N)，根据矢量折射/反射定律确定光学***表面上多个特征点的法线矢量的方向； 

根据给定的光学***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 ***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***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***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***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： 其中α₁、α₂、α₃、α₄为边界形状调整参数；所述第一步优化表示为： 

其中，优化变量的取值范围为：0.5≤α₁≤2、α₂>0、α₃>0、α₄>0， 

评价函数MF₁定义为： 

MF₁＝ω₁·RSD_shape+(1-ω₁)·RSD， 

RSD_shape为仿真照明区域边界形状相对于给定照明区域边界形状的标准偏差，RSD为给定照明区域内的仿真照度分布E_S相对于目标照度分布E₀的标准偏差，0≤ω₁≤1为权重因子；限制条件η≥η_T是为了达到一定的节能效果而规定光控制效率η(定义为落到给定照明区域内的光通量与光源所发出的光通量的比值)大于给定的阈值η_T； 

所述第二步优化，包括：利用在多个选定方向上的矢径大小r′_m，l作为参数表示光学***的初始三维模型；初始三维模型在方向上的矢径大小记作r′_0m,l，所述第二步优化表示为： 

其中，评价函数MF₂定义为： 

MF₂＝υ₁·RSD+(1-υ₁)·(1-η)， 

RSD和η与所述第一步优化中的定义相同，0≤υ₁≤1为权重因子。 

6.根据权利要求1所述的三维光学***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***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***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***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***的实现方法，其特征在于，所述三维光学***的顶视图形状与给定照明区域的边界形状相似；所述光学***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***包括折射式光学***、反射式光学***和全内反射光学***的一个或多个的组合；所述三维光学***存在一个给定的表面或多个给定的表面；所述光学***由单一材料或多种材料构成。