双自由曲面准直透镜设计方法和双自由曲面准直透镜与流程

1.本发明涉及光学透镜技术领域，具体而言，涉及一种双自由曲面准直透镜设计方法和双自由曲面准直透镜。


背景技术：

2.准直透镜是发展现代工业、国防和科学技术不可缺少的基础光学元器件，其性能的好坏直接影响到未来新技术革命进展。可广泛应用于照明、成像、数据传输等领域，如远距离照明用探照灯，3d打印，医疗特种光源，虚拟现实，可见光通信，精密光学仪器等方面。
3.随着科学技术发展，准直透镜经历了平凸透镜、非球面透镜，目前已经发展到第三代光学技术，自由曲面准直透镜，但是主流设计方法依然严重束缚于现有国外几大商业光学仿真软件，使得国内设计方法得不到充分的创新与发展。
4.自由曲面准直透镜相比传统准直透镜在光学性能、效率具有显著的提升优势，但是对其设计方法提出了新的挑战，主要体现在，自由曲面准直透镜设计，在设计自由度上，相比传统球面透镜、或单自由曲面透镜，极大增加，使得算法模型的建立及求解变得更加复杂，目前主流设计方法仍然采用点光源的设计方法，算法设计复杂程度方面有着极大提升，很难获得可收敛数值解，同时使得建立的模型精度较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的包括，例如，提供了一种新的双自由曲面准直透镜设计方法，大大提高了模型精度，同时结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解。
6.本发明的实施例可以这样实现：
7.第一方面，本发明提供一种双自由曲面准直透镜设计方法，包括：
8.确定自由曲线的迭代初始坐标参数；
9.依据所述初始坐标参数设定迭代策略；
10.依据所述迭代策略，计算出所述自由曲线的轨迹离散坐标；
11.依据所述轨迹离散坐标建立实体透镜模型；
12.利用光学仿真软件对所述实体透镜模型进行光线追踪，并对所述迭代策略进行校正；
13.其中，所述自由曲线为光学透镜的表面曲线，所述迭代策略基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律推导而成，且所述迭代策略采用了边缘光线进行设计。
14.在可选的实施方式中，所述确定自由曲线的迭代初始坐标参数的步骤，包括：
15.确定所述光学透镜的出射面和入射面初始点位置，并确定初始发散角；
16.确定所述入射面的初始旋转曲线，并设定曲线函数f1；
17.确定所述入射面的初始迭代离散点。
18.在可选的实施方式中，所述确定所述光学透镜的出射面和入射面初始点位置，并
确定发散角的步骤，包括：
19.设定光源中心点为o，两端点分别为o1和o2；
20.设定所述光学透镜的出射面的初始点a1，并设置经过a1点出射的两条边缘光线对称于o1o2中垂线，且的夹角为
21.设定所述光学透镜的入射面的初始点b1，且所述入射面的初始点b1位于oa1的连线上。
22.在可选的实施方式中，所述确定所述入射面的初始旋转曲线，并设定曲线函数f1的步骤，包括：
23.设定b
n
为光线与初始旋转曲线的右交点，b
‑
n
为光线与初始旋转曲线的左交点，所述初始旋转曲线为
24.调节曲线参数以设定曲线函数f1，使得光线满足菲涅尔定律，同时光线满足菲涅尔定律。
25.在可选的实施方式中，所述曲线函数f1为抛物线、球型曲线或二阶以上多项式曲线。
26.在可选的实施方式中，所述确定所述入射面的初始迭代离散点的步骤，包括：
27.将所述初始旋转曲线均匀分为2n段，并保证每段弧长相等，得到多个初始迭代离散点；
28.其中，所述光源经过多个所述初始迭代离散点的光线在进入所述光学透镜后不会相交。
29.在可选的实施方式中，所述依据所述初始坐标参数设定迭代策略的步骤，包括：
30.引出光线经透镜折射后与过a1及其斜率ka1的直线相交于a2；
31.依据设置出射光线及其夹角为可获得a2的斜率ka2；
32.逆向光线方向，入射一条光线，经a2折射后与过b
n
，斜率为kb
n
的直线相交于b
n 1
，并保证逆向光线最终过o2，并根据折射定律可求出过b
n 1
的斜率kb
n 1
。
33.在可选的实施方式中，所述依据所述迭代策略，计算出所述自由曲线的轨迹离散坐标的步骤，包括：
34.优化初始条件，通过matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标。
35.在可选的实施方式中，所述依据所述轨迹离散坐标建立实体透镜模型的步骤，包括：
36.将所述轨迹离散坐标导入3d建模软件形成3d结构。
37.在可选的实施方式中，利用光学仿真软件对所述实体透镜模型进行光线追踪，并对所述迭代策略进行校正的步骤，包括：
38.通过tracepro光学仿真软件测试所述光学透镜的出射面不同位置的出光光场的畸变程度，对迭代策略进行调控，并依据调控结果进行参数的反馈。
39.在另一方面，本发明提供了一种双自由曲面准直透镜，其采用前述的双自由曲面
准直透镜设计方法制备而成。
40.本发明实施例的有益效果包括，例如：
41.本发明实施例提供了一种双自由曲面准直透镜设计方法，首先确定自由曲线的迭代初始坐标参数，并依据该初始坐标参数设定迭代策略，依据迭代策略计算出自由曲线的轨迹离散坐标，并依据该轨迹离散坐标建立实体透镜模型，最后利用光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追踪，并对迭代策略进行校正。其中，迭代策略基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律推导而成，且所述迭代策略采用了边缘光线进行设计。相较于现有技术，本发明提供的双自由曲面准直透镜设计方法，基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律，完成了双自由曲面准直透镜的迭代策略的推导，依托该迭代策略进行的准直透镜设计。该设计方法在原有点光源设计基础上，采用边缘光线进行设计，这将大大提高原有模型精度。此外，采用双自由面进行准直光束调控，使得调控自由度极大提升，意味着准直透镜设计难度相比传统球面透镜、或单自由曲面透镜，在算法设计复杂程度方面有着极大提升，很难获得可收敛数值解；本发明，跳出现有方程求解思路，结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
43.图1为本发明第一实施例提供的双自由曲面准直透镜设计方法的步骤框图；
44.图2为图1中步骤s1的分解步骤框图；
45.图3为步骤s1的坐标点轨迹示意图；
46.图4为步骤s2的坐标点轨迹示意图。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
48.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
49.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
51.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.正如背景技术中所公开的，现有的自由曲面准直透镜的设计方法仍然采用的是点光源的设计方法，而自由曲面准直透镜设计，在设计自由度上，相比传统的球面透镜或单自由曲面透镜极大增加，使得算法模型的简历以及求解变得更加复杂。而采用点光源的设计方法，会对模型精度有影响(因为led光源本身实际上仍是一个是相比传统光源接近点光源的面光源)，同时，采用双自由面进行准直光束调控，使得调控自由度极大提升，意味着准直透镜设计难度相比传统球面透镜、或单自由曲面透镜，在算法设计复杂程度方面有着极大提升，很难获得可收敛数值解。
53.为了解决上述问题，本发明提供了一种双自由曲面准直透镜设计方法和采用该方法制备而成的双自由曲面准直透镜，采用边缘光线进行设计，大大提高了模型精度，同时结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
54.第一实施例
55.参见图1，本实施例提供了一种双自由曲面准直透镜设计方法，其采用边缘光线进行设计，大大提高了模型精度，同时结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解。
56.本实施例提供的双自由曲面准直透镜设计方法，包括以下步骤：
57.s1：确定自由曲线的迭代初始坐标参数。
58.首先，需要建立坐标系，在设计双自由曲面准直透镜时，需要设计双自由曲面的算法，该算法需要参照自由线的初始坐标参数。本实施例中所提及的自由曲线，指的是双自由曲面的表面曲线，即设计双自由曲面时的最重要的设计对象。
59.具体地，在确定初始坐标参数时，建立直角坐标系，并参考图2和图3，步骤s1包括以下步骤：
60.s11：确定光学透镜的出射面和入射面的初始点位置，并确定初始发散角。
61.具体过程如下：设定光源中心点为o，两端点分别为o1和o2；设定所述光学透镜的出射面的初始点a1，并设置经过a1点出射的两条边缘光线对称于o1o2中垂线，且的夹角为设定所述光学透镜的入射面的初始点b1，且所述入射面的初始点b1位于oa1的连线上。也就是说，已知光源中心为o，两端点为o1和o2，设置透镜出射面初始点a1，设置经a1点出射的两边缘光线对称于o1o2中垂线，夹角为然后设置透镜入射面初始点b1，其中b1位于oa1的连线上。
62.s12：确定所述入射面的初始旋转曲线，并设定曲线函数f1。
63.其中，曲线函数f1为抛物线、球型曲线或二阶以上多项式曲线。步骤s12具体过程如下：设定b
n
为光线与初始旋转曲线的右交点，b
‑
n
为光线与初始旋转曲线的左交点，所述初始旋转曲线为调节曲线参数以设定曲线函数f1，使得光线满足菲涅尔定律，同时菲涅尔定律，同时光线满足菲涅尔定律。也就是说，通过调节曲线参数，
使得使得光线满足菲涅尔定律，其中b
n
为光线与f1曲线的右交点；同时使得光线满足菲涅尔定律，其中b
n
为光线与f1曲线的左交点。
64.s13：确定所述入射面的初始迭代离散点。
65.具体过程如下：将所述初始旋转曲线均匀分为2n段，并保证每段弧长相等，得到多个初始迭代离散点；其中，所述光源经过多个所述初始迭代离散点的光线在进入所述光学透镜后不会相交。也就是说，将曲线均匀分成2n段，并保证每段弧长相等，离散点分别为b
n
、b
‑
n 1
……
b
n
，且需保证光线
……
经透镜后不会相交。
66.在完成初始迭代离散点的确定后，需要执行步骤s2。
67.s2：依据所述初始坐标参数设定迭代策略。
68.具体而言，结合参见图4，首先引出光线经透镜折射后与过a1及其斜率ka1的直线相交于a2；依据设置出射光线及其夹角为可获得a2的斜率ka2；逆向光线方向，入射一条光线，经a2折射后与过b
n
，斜率为kb
n
的直线相交于b
n 1
，并保证逆向光线最终过o2，并根据折射定律可求出过b
n 1
的斜率kb
n 1
。
69.在完成步骤s1后，已知，初始值a1及其斜率ka1，同时已知f曲线方程，同时可求出两端kb
‑
n
、kb
n
、b
‑
n
、b
n
，以及光源端点o1和o2，经a1的出射光线分别为两者夹角为同时已知光学透镜的折射系数为n，空气折射系数为n0(此处可以根据光学透镜材料决定)。
70.迭代过程如下：
71.首先经o1引出光线经透镜折射后与过a1及其斜率ka1的直线相交于a2，然后依据设置出射光线及其夹角为可获得a2的斜率ka2。逆向光线方向，入射一条光线，经a2折射后与过b
n
，斜率为kb
n
的直线相交于b
n 1
，并保证逆向光线最终过o2，并根据折射定律可求出过b
n 1
的斜率kb
n 1
。需要注意的是，上述发散角的选取，除了设置角度功能，同时具有调节曲线收敛作用，并允许存在10％的偏差。
72.依据上述迭代策略，可最终确定a1、a2……
a
n
；b
‑
n
……
b
n
……
b
n
离散点。
73.s3：依据迭代策略，计算出自由曲线的轨迹离散坐标。
74.具体而言，优化初始条件，通过matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标。
75.s4：依据轨迹离散坐标建立实体透镜模型。
76.具体而言，将所述轨迹离散坐标导入3d建模软件形成3d结构。其中，步骤s3和步骤s4可依次进行，即优化初始条件，通过matlab计算软件求出自由曲线的轨迹离散坐标，并将轨迹离散坐标导入3d建模软件建立实体透镜模型。具体地，带入合适初始值，获得曲线可收敛的离散点链，然后将离散点数据导入建模软件形成3d结构。
77.s5：利用光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追踪，并对迭代策略进行校正。
78.具体而言，通过tracepro光学仿真软件测试所述光学透镜的出射面不同位置的出
光光场的畸变程度，对迭代策略进行调控，并依据调控结果进行参数的反馈。
79.在本实施例中，通过tracepro光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追迹，并依据结果对透镜法矢进行校正。本实施例通过测试透镜出射面不同位置的出光光场的畸变程度，对迭代策略进行调控，并依据调控结果进行参数的反馈。同时本实施例主要采用通过对出射面单点光场的监控，实现对法矢的校正，通过对结果分析，发现通过这种简易的处理，能够很好完成了法矢的校正，通过图，不同方位方向的曲线基本重合，光斑边缘变得更加锐利，透镜表面任一光场基本对称，消除光斑偏离中心的现象。
80.本实施例还提供了一种双自由曲面准直透镜，其采用了上述方法制备而成。
81.本实施例提供了一种双自由曲面准直透镜设计方法和双自由曲面准直透镜，首先确定自由曲线的迭代初始坐标参数，并依据该初始坐标参数设定迭代策略，依据迭代策略计算出自由曲线的轨迹离散坐标，并依据该轨迹离散坐标建立实体透镜模型，最后利用光学仿真软件对实体透镜模型进行光线追踪，并对迭代策略进行校正。其中，迭代策略基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律推导而成，且迭代策略采用了边缘光线进行设计。相较于现有技术，本发明提供的双自由曲面准直透镜设计方法，基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和菲涅耳定律，完成了双自由曲面准直透镜的迭代策略的推导，依托该迭代策略进行的准直透镜设计。该设计方法在原有点光源设计基础上，采用边缘光线进行设计，这将大大提高原有模型精度。此外，采用双自由面进行准直光束调控，使得调控自由度极大提升，意味着准直透镜设计难度相比传统球面透镜、或单自由曲面透镜，在算法设计复杂程度方面有着极大提升，很难获得可收敛数值解；本发明，跳出现有方程求解思路，结合能量守恒定律，采用巧妙、新颖的能量映射方式进行了双自由曲面离散点的数值迭代求解。
82.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。