[发明专利]均匀辐照扩展源自由形态

说明书

提供一种用于提供均匀辐照的照明装置。该照明装置包括被配置为朝向多边形目标区域发射光线的光源、以及被配置为使从光源到目标区域的辐照均匀化的透镜，其中，透镜的凹陷和沿透镜的边界的法线被布置为基于边缘‑光线映射照射目标区域的周界，其中，基于多重调和样条插值形成透镜表面，以便平滑地照射目标区域的内部，其中，通过论证透镜的光场裁剪来均匀化辐照，其中，光场裁剪被增强以保持以保持辐照周界。

技术领域

本发明总体涉及用于均匀辐照扩展源自由形态光学器件的装置，并且更具体地说，涉及用于从空间扩展光源均匀地照射任意凸多边形的装置。

背景技术

光学设计者长期以来一直在寻找一类透镜和镜面形状，其能够重新分配来自空间扩展光源的光，以高均匀性和最小溢散(spill)照射指定多边形目标区域。需要开发如何生产此类光学器件，理想情况下，需要从光源、光学表面和辐照目标的周界多边形规格中获得。

发明内容

本发明的一些实施方式基于以下认识：用于提供均匀辐照的照明装置包括：空间扩展光源，其被配置为朝向透镜发射光线；透镜，其被配置为将来自光源的辐射重新分配到目标区域，其中，沿着透镜的边界的凹陷和法线被布置为基于边缘-光线映射照射目标区域的周界，其中，基于多重调和样条插值(interpolate)形成透镜表面，以便平滑地照射目标区域的内部，其中，辐照然后通过透镜表面的光场裁剪被均匀化，其中，光场裁剪被增强以保持辐照周界。

尽管问题表面上很简单，但是裁剪自由形态光学器件以均匀地照射来自扩展源的多边形区域仍是积极研究的领域。早期的方法忽略了光源的几何形状，并且用数值方法解决了蒙日-安培问题(或等效公式)，以从位于真实源上或附近的点源获得所需的辐照。这对于光学器件相对于光源不切实际地大的低扩展问题是可行的，但是，如下文所披露和许多技术文章所指出的，在与更紧凑的光学器件相关的高扩展问题中，扩展源显著降低了点-源-设计自由形态所期望的辐照的均匀性和周界。解决这个问题的启发式方法(诸如目标的反褶积)已经取得了相当有限的成功，因为自由形态会可变地放大和扭曲光源的投射图像。在反馈回路中，可以在一定程度上改善辐照的退化，其中点-源目标分布被反复修改，以补偿蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟揭示的扩展-源辐照缺陷。不幸的是，公布的结果表明，在最终辐照中仍然存在显著的不均匀性和溢散。

总之，对于紧凑型光学器件或较大的源，有必要将扩展源的几何形状和辐射图案直接并入优化问题。几乎所有提出的方法都是针对高度对称问题的。例如，对于圆形光源、自由形态和目标，自由形态裁剪可以被视为1D问题加上倾斜光线的校正。最近一篇有趣的SMS论文提出了直接从源的角部的波前的约束生成两个-表面自由形态的可能性，但在撰写时，没有证据表明该方法可以提供高均匀性或照射与源形状不同的目标。

扩展-源自由形态裁剪的最常见方法是通过对从各个方向到达每个目标点的光进行积分，直接对整个辐照场进行建模。这是非常昂贵的计算，其可以通过反向光线跟踪或通过对通过薄锥或管(其将透镜的区域连接到目标平面的区域)的通量进行积分来近似。这些计算比正向蒙特卡罗计算更快，信息更丰富，为优化奠定了基础。等人使用较小的表面扰动来估计与表面凹陷相关的辐照误差的梯度，但这种方法导致透镜表面产生高噪声，其不导致辐照的高度不均匀或低溢散。更积极的一面是，我们发现了由反向光线跟踪揭示的辐照误差与局部表面曲率误差之间的代数关系。这使得能够裁剪出即使在非常高扩展设置下(即，当从光学器件的出口表面上的任何点观看时，光源都对着大角度)也可以产生重要的锐利边缘辐照图案的透镜和镜子。

应该注意的是，对于扩展源，辐照裁剪问题通常是不可行的(即使对于简单的图案，如均匀凸多边形，精确的解决方案通常在物理上也是不可能的)，并且基于迭代改进的方法可能会陷入局部最优。因此，我们寻求高质量的近似解，并且成功取决于具有良好的初始表面。

获得初始表面的现有方法取决于获得从整个光学表面到投射平面的光线映射，然后求解(近似)产生所需映射的光学表面。光线映射可以是任意映射，也可以通过最佳传输获得。