[发明专利]自由曲面照明系统

说明书

本发明涉及一种自由曲面照明系统，包括至少两个准直光源及一自由曲面透镜，所述准直光源发出的光束经过所述自由曲面透镜在一照明目标面上形成光斑，所述准直光源具有相同的形状、大小及光度特性，所述自由曲面透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面，该第一自由曲面和第二自由曲面均为含有xy的多项式，该xy多项式表达为：其中，c为曲面顶点曲率，k为二次曲面常数，A_mn为xy多项式的系数，m+n≥2,且m、n均为偶数。

技术领域

本发明涉及一种自由曲面照明系统，尤其涉及一种同时具有多个光源的自由曲面照明系统。

背景技术

自由曲面是一种非选择对称的新型光学面型，它具有较高的设计自由度，能够较精准地控制光线传播。近年来，自由曲面已广泛应用于各类先进的照明系统设计，得到了较好的照明效果和较为紧凑的系统结构。迄今为止，现有的自由曲面照明系统均可统一为同一个基本模型，如图1所示，在此模型中，光源发出的照明光束经自由曲面透镜或反射镜的偏折，其能量分布得到重新分配，从而在照明目标面上形成预设的照明光斑，在此基本模型的框架下，自由曲面照明系统的设计取得了很大的发展。

然而，现有自由曲面照明系统的设计是针对某一确定的单一光源，最终在目标面上形成的光斑的形状、大小及照度都是理想的，如果移动该光源到另一位置或改变该光源的方向，在目标面上形成的光斑形状、大小、照度分布都会改变，从而影响照明效果。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种在移动光源或改变光源方向时能够不破坏照明效果的自由曲面照明系统。

一种自由曲面照明系统，包括至少两个准直光源及一自由曲面透镜，所述准直光源发出的光束经过所述自由曲面透镜在一照明目标面上形成光斑，所述准直光源具有相同的形状、大小及光度特性，所述自由曲面透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面，该第一自由曲面和第二自由曲面均为含有xy的多项式，该xy多项式表达为：

其中，c为曲面顶点曲率，k为二次曲面常数，A_mn为xy多项式的系数，m+n≥2,且m、n均为偶数。

本发明提供的自由曲面照明系统，针对两个以上准直光源设计，该准直光源具有相同的形状、大小及光度特性，形成的光斑均具有相同的形状、大小及照度分布，当连续改变任意准直光源的方向时，在照明目标面上形成的连续光斑的形状、大小及照明效果并不改变，从而在自由曲面照明系统设计领域有广阔的应用前景和开发潜力。

附图说明

图1为现有的自由曲面照明系统的结构示意图。

图2为本发明提供的自由曲面照明系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的自由曲面照明系统中15个准直光源在4°×8°视场角范围内的分布示意图。

图4为本发明提供的实施例中准直光源在其横截面内的归一化光强分布示意图。

图5为本发明提供的自由曲面照明系统形成的三种光斑阵列分布示意图。

图6为本发明提供的自由曲面照明系统中中心准直光源的方向矢量投影的示意图。

图7为本发明提供的自由曲面照明系统设计方法的流程图。

图8为本发明提供的自由曲面照明系统设计方法中预设形成光斑的分布示意图。

图9为本发明提供的自由曲面照明系统设计方法中建立的初始模型的结构示意图。

图10为本发明提供的自由曲面照明系统设计方法中计算第一球面和第二球面的光路示意图。

图11为本发明实施例提供的自由曲面照明系统设计方法中采用极坐标网络选取一系列特征光线的示意图。