CN109073871B - 光学器件、灯具以及制造光学器件的方法和非暂时计算机可读存储介质 - Google Patents
光学器件、灯具以及制造光学器件的方法和非暂时计算机可读存储介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109073871B CN109073871B CN201780028552.5A CN201780028552A CN109073871B CN 109073871 B CN109073871 B CN 109073871B CN 201780028552 A CN201780028552 A CN 201780028552A CN 109073871 B CN109073871 B CN 109073871B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- picture
- light source
- target illumination
- optical surface
- pattern
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 167
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 63
- 241001465382 Physalis alkekengi Species 0.000 title claims description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims description 9
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 93
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000005293 physical law Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006854 communication Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V5/00—Refractors for light sources
- F21V5/08—Refractors for light sources producing an asymmetric light distribution
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
- F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
- F21S41/285—Refractors, transparent cover plates, light guides or filters not provided in groups F21S41/24 - F21S41/2805
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S43/00—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights
- F21S43/20—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
- F21Y2101/00—Point-like light sources
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Image Processing (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
- Lighting Device Outwards From Vehicle And Optical Signal (AREA)
- Lenses (AREA)
- Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
Abstract
一种光学器件具有自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发出的入射光转换成空间扩展光源的像星座。星座中的像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案。像包括聚焦像，并且聚焦像的边缘参与形成目标照明图案的有锐利边缘的边界。
Description
本发明涉及光学器件，更具体地涉及具有转换入射光以产生照明图案的自由光学面的光学器件。
背景技术
非成像光学器件领域长期寻求将由光源发出的入射光转换成任意照明图案的设计光学面的方法。在过去二十年中，对于零光学扩展量(zero-étendue)情况已经实现了实质性进步，其为一种理想化，其中光线精确地平行或者从单个点精确地发散。这种理想化允许发射光中的光线与目标照明图案中的光线之间具有一对一对应。这种一对一对应减轻了确定光学面的设计问题，所述光学面的反射或折射实现发射光的横截面中的光线的空间密度与目标照明图案中的光线的空间密度之间的一对一映射。如果可以在初始密度和目标密度之间实现光滑映射(对于零光学扩展量系统的情况来说总是这样)，则使用从最佳质量传输领域借用的方法可以实现该映射。所得到的光学器件能够产生非常复杂的照明图案，例如投射摄影图像。这些光学面通常表示为自由光学面，其原因仅仅是它们的形状比通常与透镜和反射镜相关的简单数学面相比更为复杂。
在现实中并不存在零光学扩展量光源。实际的光源例如发光二极管(LED)具有空间扩展，即光线是从一区域发出的而不是从一点发出的，并且这些光线在它们传播过程中交叉，使得一对一映射不可能，并且将问题推动到最佳质量传输所能解决的范围之外。如果自由光学面被空间扩展光源照明，则所得到的照明图案相当模糊，就像多云天气中的阴影变得柔和而朦胧一样。根据热力学第二定律，这种模糊是不可避免的，因此用于空间扩展光源的自由光学器件通常被设计成在由柔和模糊的照明减弱部分所包围的一些有界限的区域中实现近似均匀的照明。
例如，同时多面(SMS)方法通过将来自空间扩展光源的边缘的光线导向期望目标点而实现均匀照明。以这种方式，光线形成一些未知但是可接受的密度，然而，所得到的照明图案的边缘仍然是模糊的。
尽我们所知，当前还没有方法能够将入射光从空间扩展光源转换成具有锐利边缘的目标照明图案。然而，这种方法对于例如用于告示牌照明的光学器件和用于车辆前照灯的光学器件的各种光学应用来说将会是有益的。
发明内容
本发明的一些实施方式基于如下认识：空间扩展光源的形状能够具有锐利边界，并且自由光学面能够将由空间扩展光源发射的入射光转换成扩展光源的、也具有锐利边界的像。然而，通过自由光学面照明而期望产生的典型目标照明图案具有比空间扩展光源的形状复杂得多的形状。
本发明的一些实施方式基于以下认识：自由光学面能够被设计成将入射光转换成空间扩展光源的多个像。而且，可以策略性地设置这些多个像，从而使得像共同形成目标照明图案。空间扩展光源的多个像的共同设置在本文被称为像星座。像星座中的像可以聚焦的和/或非聚焦的，但是聚焦像中的至少一些可以沿着目标照明图案的轮廓设置以形成其有锐利边缘的边界。
为此，一些实施方式公开了一种光学器件，该光学器件具有自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发出的入射光转换成空间扩展光源的像星座。星座中的像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案。像包括光源的部分聚焦像，并且聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界。
本发明的一些实施方式基于另一认识：通过多个像的混合形成的照明图案的光滑度可以通过将两个相邻像平铺在一起或者通过将模糊化或非聚焦像交叠而使得交叠像的强度相当于平铺像的强度来实现。例如，在一个实施方式中，所述像星座中的至少两个像彼此相邻以形成具有第一强度的第一光滑联合像，并且所述像星座中的至少两个像至少部分地彼此交叠以形成具有第二强度的第二光滑联合像。在该实施方式中，形成所述第二光滑联合像的像被模糊化，从而使得第一强度和第二强度之间的差小于阈值。
本发明的一些实施方式基于以下认识：这种像星座以及能够产生该像星座的对应自由光学面可以针对零光学扩展量光源来确定，使用例如最佳质量传输方法，但是针对空间扩展光源的类似计算在计算上极难。然而，如果用空间扩展光源来照射针对零光学扩展量光源而确定的自由面，则所得到的照明图案是模糊的，即，没有有锐利边缘的边界。
然而，本发明的一些实施方式基于以下认识：由空间扩展光源引入的不期望的模糊能够被有利地利用。具体地说，认识到由空间扩展光源引入的模糊能够通过模糊函数来确定和描述。如果该模糊函数是已知的，则可以设计出自由光学面，该自由光学面产生这种新的照明图案，使得在该新的照明图案根据该模糊函数而加以模糊时，加了模糊的新的照明图案实际是目标照明图案。该新的照明图案在本文被称为去模糊的照明图案。
通常，模糊函数中的内核对于目标照明图案的不同像素而言是不同的。为此，这种模糊函数通常是空间变化模糊函数。因而，本发明的一些实施方式确定这样的自由空间面，当该自由空间面被零光学扩展量光源照射时形成通过用空间变化模糊函数对目标照明图案去模糊而产生的去模糊的照明图案。
因而，一个实施方式公开了一种光学器件，该光学器件具有自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发出的入射光转换成空间扩展光源的像星座，其中，星座中的像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，像包括聚焦像，并且其中，聚焦像的边缘参与形成目标照明图案的有锐利边缘的边界。
另一个实施方式公开了一种制造光学器件的方法。该方法包括：确定自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发射的入射光转换成空间扩展光源的像星座，其中，像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，像包括聚焦像，并且其中，聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界；并且制造具有所述自由光学面的光学器件。
再一个实施方式公开了一种非暂时计算机可读存储介质，在该非暂时计算机可读存储介质上存储有程序，该程序可由处理器执行以执行方法。方法包括：确定将由零光学扩展量光源发出的入射光转换成目标照明图案的初始自由光学面；确定空间变化模糊函数，该空间变化模糊函数捕捉由空间扩展光源照射的所述目标照明图案的模糊；用所述空间变化模糊函数对所述目标照明去模糊以确定去模糊的照明图案；以及确定自由光学面，该自由光学面将由零光学扩展量光源发射的入射光转换成目标照明图案，从而使得自由光学面将由空间扩展光源发射的入射光转换成空间扩展光源的像星座，其中，像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，像包括聚焦像，并且其中，聚焦像的边缘参与形成目标照明图案的有锐利边缘的边界。
附图说明
[图1]图1是成像光学器件产生光源像的图，该光源像由本发明的一些实施方式使用以形成目标照明图案。
[图2]图2是由本发明的一些实施方式解决的问题的图。
[图3]图3是由本发明的一些实施方式对模糊函数的利用的图。
[图4]图4是模糊函数的内核，该模糊函数将像像素转换为其模糊版本。
[图5]图5是根据本发明的一个实施方式的用于制造具有产生目标照明图案的自由光学面的光学器件的方法的框图。
[图6A]图6A是根据本发明的各种实施方式的具有所确定的光学器件的灯具的示例。
[图6B]图6B是根据本发明的各种实施方式的具有所确定的光学器件的灯具的示例。
[图6C]图6C是根据本发明的各种实施方式的具有所确定的光学器件的灯具的示例。
[图7A]图7A是由一些实施方式产生的各种目标照明图案的不同非限制性示例。
[图7B]图7B是由一些实施方式产生的各种目标照明图案的不同非限制性示例。
[图7C]图7C是由一些实施方式产生的各种目标照明图案的不同非限制性示例。
[图8]图8是灯具形成车辆前照灯的至少一部分的实施方式的示意图。
[图9]图9是根据本发明的一些实施方式的目标照明图案的有锐利边缘的边界的光强度的曲线图。
[图10]图10是根据本发明的一些实施方式的用于确定自由光学面的几何的方法的框图。
[图11]图11是由本发明的一些实施方式使用的用来确定将入射光从零光学扩展量光源转换目标照明图案的自由光学面的方法的流程图。
[图12]图12是根据本发明的一些实施方式的用于确定空间变化模糊函数的方法的框图。
[图13]图13是根据本发明的一些实施方式的用于空间变化去模糊的方法的流程图。
[图14]图14是非暂时计算机可读存储介质的示例性示意图，在该非暂时计算机存储可读介质上实施程序，该程序可由处理器执行而执行根据本发明的各实施方式的方法。
具体实施方式
本发明的一些实施方式基于来自成像光学器件的灵感，其中尽管空间扩展光源确实产生模糊的照明图案(例如，柔和阴影)，但是可以设计出光学面，该光学面产生空间扩展光源的多个聚焦像，每个聚焦像都继承光源本身的边界的锐利边缘。
图1示出了成像光学器件产生光源像的图，该光源像由本发明的一些实施方式使用以形成目标照明图案。这种光源像在本文还被称为源图像。源图像可以是聚焦的或非聚焦的。
空间扩展光源10将光线11发射到具有光学面12的光学器件上。示例性的点或针孔13和14在空间扩展光源10的出射孔径上或在光学面12上规定微小差分区域。入射至光学面的光通过光学面上的这些点转换并投射到屏幕15上。在该示例中，投射在屏幕15上的无穷小强度分布16和17是光源10的分别来自点13和14的源像。每个源像16或17都可以具有锐利边缘，但是如果如果这些像16和17的相互设置不受控制，则这些像被叠加，并且这些像的有锐利边缘的边界可能会丢失。
一些实施方式基于以下认识：光源的像的相互设置能够被控制以形成这些像星座110，从而星座中的像被混合而形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案。例如，一个实施方式通过将光源的像即像120和130以及像16和17围绕目标像的边界平铺而从空间扩展光源10产生有锐利边缘的照明图案150。
另外或另选地，一个实施方式产生在一个方向上聚焦而在另一方向上模糊或模糊化的光源像，在照明图案中获得长的有锐利边缘的轮廓。可选地，像可以包括形成照明图案内部的非聚焦像。在一些实施方式中，如下所述，通过去模糊和表面估计过程自动实现星座的形成。
图2示出了由本发明的一些实施方式解决的问题的图。例如，可以针对零扩展量光源260确定照明图案210以及能够产生形成该图案210的像星座的对应自由光学面220。例如，这种光学面220可以使用最佳质量传输法来确定。然而，空间扩展光源的类似确定在计算上是不切实际的。如果用空间扩展光源270照射针对零扩展量光源260确定的自由光学面220，则所得到的照明图案250是模糊的，即，没有有锐利边缘的边界。
本发明的一些实施方式基于以下认识：由零光学扩展量光源260和空间扩展光源270对光学面220进行的照明之间的关系230可以由将有锐利边缘的照明图案210及其模糊版本250联系起来的模糊函数240来描述。本发明的一些实施方式基于另一认识：由空间扩展光源引入的不期望模糊可以被有利地利用。
图3示出了由本发明的一些实施方式对模糊函数的利用的图。如果提供由零光学扩展量光源360和空间扩展光源370对光学面320进行的照明之间的关系330的模糊函数340是已知的，可以针对零光学扩展光源360设计出自由光学面320，该自由光学面320产生新的照明图案310，使得当对该新的照明图案310根据模糊函数340来进行模糊时，该经模糊的新的照明图案350实际上是目标照明图案。该新的照明图案310在本文被称为去模糊的照明图案。
图4示出了将像素410转换为其模糊版本430的模糊函数240的内核420的示例。通常，模糊函数中的内核对于目标照明图案的不同像素和/或自由光学面上的点而言不同。为此，该模糊函数340通常是空间变化模糊函数。因而，本发明的一些实施方式确定这种自由光学面，该自由光学面在被零扩展量光源照射时形成通过用空间变化模糊函数对目标照明图案去模糊而产生的去模糊的照明图案。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的制造具有用于产生目标照明图案的自由光学面的光学器件的方法的框图。该方法通过利用空间变化模糊函数550对目标照明图案540去模糊而确定510去模糊的照明图案515。该方法针对具有规格505的零光学扩展量光源确定520自由光学面525，从而使得由该零光学扩展量光源505照射的自由光学面525形成去模糊的照明图案515。以这种方式，当自由光学面525由与零光学扩展量光源505通过空间变化模糊函数550而束缚的关系的空间扩展光源照射时，由空间扩展光源发射的入射光由该自由光学面525转换从而形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案540。
接下来，该方法制造530具有自由光学面525的光学器件。例如，一个实施方式使用塑料光学器件的注射成型制造光学器件。放电加工(EDM)的发展已经提供了在模具的金属中制造光学质量自由面的手段。EDM又依赖于五轴和六轴加工来将期望自由面制造成与要制造的部件相同尺寸的碳电极。该电极用来在金属内电烧出与其自身形状匹配的凹部，由此提供给熔融塑料赋予期望形状的模腔。注射成型的复制方法相比，可以利用多轴加工技术在某些光学材料、诸如丙烯酸、中直接产生自由面，不过单个部件成本比注射成型高，因而通常用来制造原型。还存在许多其它自由原型技术，包括光学聚合物的3D打印以及金属片材的机械人形变。当前，所有这些都比较昂贵并且相似。
图6A、图6B和图6C示出了根据本发明的各种实施方式的具有所确定的光学器件的灯具以及设置在该灯具中以向自由光学面发射光的扩展光源620。例如，扩展光源620可以设置在距离自由光学面一定距离640处，并且在确定自由光学面时考虑该距离。例如，在一些实施方式中，自由光学面的形状基于扩展光源的发射区域的形状以及扩展光源相对于自由光学面的设置。
在不同实施方式中，自由光学面可以是单面或双面的。例如，在示例性灯具611中，光学器件631具有单面自由光学面。光学器件631的自由面是距离光源620最远的面，而最近的面是平的。在示例性灯具612中，光学器件632的自由光学面是双面的，即，光学器件的两侧都是自由光学面。在示例性灯具613中，光学器件633的最接近光源620的面具有自由曲面。
在一些实施方式中，灯具在该灯具外部的屏幕上投射目标照明图案。这种屏幕的示例包括墙壁或任何其他平坦面。在另选实施方式中，灯具的光学器件本身可以用作屏幕。例如，在一个实施方式中，光学器件633的与自由光学面相反的面650是磨砂的，从而在该磨砂面上形成照明图案。另外或另选地，该灯具可以具有用于成像和显示目的的二次光学器件。
图7A、图7B、图7C示出了由一些实施方式产生的各种目标照明图案的不同的非限制性示例。为了清晰起见，照明图案使用黑线示出。实际上，这些示例性图像可以取反。例如，在一些实施方式中，照明图案包括字形710或艺术图像720。例如，照明图案可以包括形成单词的字母730。在一些实施方式中，照明图案为非对称图案。照明图案可以还具有亮度梯度。
图8示出了其中灯具形成车辆810的前照灯的至少一部分的实施方式的示意图。在该实施方式中，扩展光源沿着前照灯的光轴发射光束以产生包括用于路面照明的非对称远近光图案在内的照明图案820。照明图案820是非对称的，这是因为由前照灯投射的光束在车辆的左侧比在右侧低所致。
特别地，并不是所有的照明图案都能够通过这些实施方式很好地近似。照明图案不能具有比光源的聚焦图案小的照明特征，尽管较精细的特征可以通过缺少某些光来实现。根据热力学第二定律，在几何光学器件中不可能对通常像进行完美的去模糊。然而，所述这些实施方式对于一类有用的目标照明图案较好地发挥作用，其中图的边界应该锐利但是图的内部可以较少地控制，如招牌。根据本发明的一些实施方式的原理设计的光学器件能够产生至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中聚焦像的边缘参与形成目标照明图案的有锐利边缘的边界。
如本文使用的，有锐利边缘的边界是指在照明边界的整个锐利边缘上光强度变化率大致近似在光源的聚焦像的边缘处光强度变化率，即相差小于5％。
图9示出了根据本发明的一些实施方式的目标照明图案的有锐利边缘的边界的光强度的曲线图920。边界910将照明图案的外部与内部分开。如在该曲线图上看到的，光强度变化率导致在距边界910的预定距离930内光强度从最小变化到最大。该距离930在聚焦像中出现并且服从热力学第二定律。
图10示出了根据本发明的一些实施方式的用于确定自由光学面的几何的方法的框图。该方法的步骤可以使用处理器执行。该方法确定1100光学面的形状1040，该光学面从零光学扩展量光源产生目标照明图案1010，该目标照明图案1010例如被指定为数字像。该确定可以使用描述从零光学扩展量光源朝着自由光学面的光学路径的规格1020。接下来，该方法分析自由光学面以确定1200空间扩展光源1030在照明图案1010中引起的空间变化模糊函数1050。该模糊函数用作针对最终光学器件的模糊函数的替代物。
该方法进一步用空间变化模糊函数1050对目标照明图案1010进行去模糊1300，以确定新的去模糊的照明图案，从而使得当使用针对零光学扩展量光源的确定1100来针对去模糊的照明图案产生或更新新的自由光学面1040，并且用具有规格1030的扩展光源照射更新后的自由光学面时，所得到的照明图案近似地(并且有时完美地)再现具有锐利边缘的目标照明图案1010，达到在物理上使用几何光学器件可实现的程度。图10的方法可以迭代地更新自由光学面1040，但是该方法的单次迭代通常足以实现期望结果。
图11示出了由本发明的一些实施方式使用的用于确定1100将来自零光学扩展量光源的入射光转换成目标照明图案的自由光学面的方法的流程图。目标照明图案，例如照片，为亮暗区域的空间分布。亮区域通过将许多光线会聚到有限区域内而再现，暗区域通过将较少光线发散从而使较少光线落入某一区域而再现。在几何光学器件中，会聚和发散可以通过将光学面的部件上拉或下推以产生峰和谷来完成。聚散量因而通过这些面特征的曲率来确定。
本发明的一些实施方式使用几何光学定律来在自由光学面1040上的位置和目标照明图案1010中的位置之间建立一对一对应1120。如果从光源到达光学面上的点的光与目标照明图案上的对应点处需要的光不匹配，则根据组合了最佳质量传输原理以及光学面处的光传播的物理特性的数学法则来上拉或下推光学面。重复该过程，直到光学面以期望形状稳定。
例如，以目标照明图案1010以及关于光学面1030的几何的初始推测开始，将反射或折射的物理定律应用于光学路径规格，以确定1110从位于空间扩展光源10处的零光学扩展量光源到光学面12以及从光学面12到投射面15的光线11的路径，由此建立光学面上的点与投射面上的点之间的对应1120。使用这些光线和对应，将所提供的光强度值从光源向前传播1135，并且从目标照明图案向后传播1130期望光强度，直到二者都到达光学面。
传播遵循物理定律，具体地说，强度在光线会聚的地方值增加而在光线发散的地方值减小。这得到了两个强度值场，通过将一个场从另一个场减去而对这两个场进行比较1150，从而产生失配值场1160。在光学面上的每个点P处，通过与P处的失配值成比例的值乘以导数DT/ds来调节1170面高度，该导数为当光学面在P处的斜率增加某一无穷小值ds时投射面上的对应点Q移动的速率。该导数通过将反射率或折射率直接应用于光学路径1020的几何来确定。重复该过程，直到失配值被驱至零或者如设计者要求的那样接近于零。
另选实施方式使用更为近似的不同方式来估计自由光学面几何的几何。例如，一个实施方式直接使用最佳质量传输的数学方法来直接计算光源的辐射图案的图像与目标照明图像的期望辐射图案之间的节能的对应。使用该对应作为针对光学面上的点与投射面上的点之间的对应1120的替代物。可以使用折射或反射的物理定律计算面法线场，该面法线场还被称为满足这些对应的垂线。然后，可以使用来自数学物理的标准积分方法来估计近似地呈现这些面法线的面几何。该过程比较简单，但是不是最佳的。
另外的其它实施方式将目标照明图案分割成数千个微小的片，并且针对每个片计算将来自光源的光聚焦到该片上的笛卡尔光学器件。然后将所有笛卡尔光学器件叠加并且调节它们的厚度，直到由每个笛卡尔光学器件收集的光的量近似等于其目标片中期望的总辐射能量。
图12示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定1200空间变化模糊函数的方法的框图。该空间变化模糊函数提供了通过引入空间扩展光源1030如何将通过图11的方法1100产生的目标照明图案降级(degrade)。例如，该方法模拟在自由光学面上的某点上设置1210针孔，阻挡面的其余部分，并且用空间扩展光源1030照射1220封闭后的自由光学面。所得到的照明图案为扩展光源的像1230，该像1230由于通过针孔暴出的光学面而移位并且可能扭曲。
针对自由光学面上的每个点重复1240该模拟，并且使用表示为“内核”的所得到的一组像1230作为空间变化模糊函数的替代物，而自由光学面的最终模式将消除该替代物。这些像可以通过在现有成的光线示踪器中在有针孔的情况下模拟光学路径1020来获得，光线示踪器是模拟复杂3D场景中的光传播的软件。内核图像也可以通过以下来逼近：使光从光源的边界通过针孔边界传播从而在投射面上产生闭合曲线，用来自源的其余光填充该闭合曲线而获得图像。
图13示出了根据本发明的一些实施方式的用于空间变化去模糊1300的方法的流程图。该方法关于空间变化模糊函数1050和空间变化对象来对目标照明图案去模糊。该方法可以以去模糊的照明图案的初始估计1310作为起始来使用校正循环迭代地执行，该校正循环进行迭代直到满足终止条件。
例如，一个实施方式通过确定1320内核的非负组合的空间变化卷积来执行空间变化去模糊。这种组合形成逼近目标照明图案110的去模糊的照明图案1330。通过将目标照明图案与去模糊的照明图案1330的模糊版本进行比较1340可以确定逼近质量。例如，因为大多数在美学上吸引人的解决方案都涉及将光源像平铺并模糊化，所以一些实施方式用误差函数1350测量逼近质量，该误差函数1350偏好光滑方案，但是允许目标图的边界略微移位从而使得“铺块”能够在该图内恰好地配合在一起。
通过使误差函数1350最小化可以完成去模糊，误差函数例如 受到约束d≥0，其中，d为包括去模糊的目标照明图案1310和1060的所有估计值的解向量；t为以相同顺序包括目标照明图像1010中的所有值在内的向量；B为空间变化模糊函数1050，例如矩阵，该矩阵的第i列包括与光学面上的第i个位置或像素相关联的模糊内核的所有值；Bd是矩阵向量乘积，其给出了去模糊的像的模糊版本1330作为空间变化卷积1302；Bd-t为与目标照明图像进行比较1340而确定的失配值的向量；(||Bd-t||2)2为目标照明图案与模拟照明图案之间的差值平方和；为模拟照明图案的拉普拉斯算子，该模拟照明图案基本为映射出其亮度变化的图像；并且对这些变化的平方进行求和，除了当这些变化位于目标照明图案中期望锐利边缘的位置附近时之外。其对最终照明图案内的不希望的亮度变化进行惩罚，但是不对锐利照明变化例如边缘进行惩罚，这些锐利照明变化从原始目标照明图案中的图形边界移位了短距离。根据误差1350，一些实施方式通过梯度下降或修改Richardson-Lucy算子来确定校正1360，并且将该校正应用于对去模糊的照明图案1060的估计。该过程重复，直到该估计收敛至使该误差最小化的、模糊内核组合权重的固定非负向量1060。
解1060变成去模糊的照明图案，并且当采用方法1100来从去模糊的照明图案1060设计自由光学面时，结果是将空间扩展光源的像组合以产生原始目标照明图案的透镜或反射镜。
通常，最终光学面产生包括光源的平铺、模糊化和掺混像的混合体在内的照明图案。例如，在一个实施方式中，像星座中的至少两个像彼此相邻以形成具有第一强度的第一光滑联合像，并且像星座中的至少两个像至少部分地彼此交叠以形成具有第二强度的第二光滑联合像。在该实施方式中，形成第二光滑联合像的像被模糊化，从而使得第一强度和第二强度之间的差小于阈值。该阈值的值由照明图案的光滑度的要求而决定。
以上描述的本发明的实施方式可以以多种方式中的任一种实现。例如，这些实施方式可以使用硬件、软件或它们的组合实现。当在软件中实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或一批处理器上执行，无论所述处理器是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机当中。这种处理器可以实现为集成电路，其中在集成电路组件中具有一个或多个处理器。不过，处理器可以使用任何适当格式的电路实现。
此外，本发明的实施方式可以实施为方法，已经提供了方法的实施方式。可以以任何适当方式对作为所述方法的上部分执行的动作进行排序。因而，可以构建这样的实施方式，其中以与所示不同的顺序执行动作，其可能包括同时执行一些动作，尽管这些动作在图示实施方式中甚至被示出为依次执行。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的顺序术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先次序、优先级或顺序或者执行方法动作的时间顺序，而仅仅是用作将具有某一名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个权利要求要素区分开的标签(但是对于使用顺序术语来说)以将权利要求要素区分开。
图14示出了非暂时计算机可读存储介质1400的示例性示意图，该计算机可读存储介质1400上存储有程序，该程序可由处理器执行以执行根据本发明的不同实施方式的方法。在该示例中，该程序以多个软件模块的形式组织而成。
例如，模拟软件1410负责模拟光的传播。配置软件1420负责选择方法的不同参数，诸如目标照明图案、空间扩展光源的形状和/或空间扩展光源相对于自由光学面的设置。在一些实现中，该配置软件直接或借助于可视化软件1440的帮助从方法的用户接收配置参数。最佳质量传输软件1430确定针对零光学扩展量光源的自由光学面，并且去模糊软件1450确定模糊函数和去模糊的照明图案。可视化软件1440还可以将自由光学面的最终版本在显示设备上呈现，以将光学器件的结构和/或所得到的照明图案可视化。
Claims (18)
1.一种光学器件，该光学器件具有自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发出的入射光转换成所述空间扩展光源的像星座，其中，星座中的像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，所述像包括聚焦像，并且其中，所述聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界，其中，由零光学扩展量光源照射的所述自由光学面形成通过用空间变化模糊函数对所述目标照明图案进行去模糊而产生的去模糊的照明图案，其中，所述空间变化模糊函数规定了用所述空间扩展光源照射初始自由光学面而得到的目标照明图案的模糊，其中，所述初始自由光学面被确定为将由所述零光学扩展量光源发出的入射光转换成所述目标照明图案。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述像包括形成所述目标照明图案的内部的非聚焦像。
3.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述像星座中的至少两个像彼此相邻以形成具有第一强度的第一光滑联合像，并且其中所述像星座中的至少两个像至少部分地彼此交叠以形成具有第二强度的第二光滑联合像，其中，形成所述第二光滑联合像的像被模糊化并且交叠，使得第一强度和第二强度之间的差小于阈值。
4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，跨所述目标照明图案的锐利边缘的光强度变化率大致近似于所述聚焦像的边缘处的光强度变化率。
5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述目标照明图案包括字形。
6.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述目标照明图案包括形成单词的字母。
7.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述目标照明图案是用于照明路面的非对称远近光图案。
8.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述光学器件的与所述自由光学面相反的面是磨砂的，从而在磨砂面上形成照明图案。
9.一种灯具，该灯具包括：
权利要求1所述的光学器件；以及
空间扩展光源，该空间扩展光源设置在所述灯具中，向所述自由光学面发射光而产生所述目标照明图案。
10.根据权利要求9所述的灯具，其中，所述空间扩展光源包括发光二极管LED。
11.根据权利要求9所述的灯具，其中，所述自由光学面的形状基于所述空间扩展光源的发光区域的形状以及所述空间扩展光源相对于所述自由光学面的设置。
12.根据权利要求9所述的灯具，其中，所述灯具形成车辆前照灯的至少一部分，其中，所述空间扩展光源沿着所述前照灯的光轴发射光束，以产生包括用于照明路面的非对称远近光图案在内的所述目标照明图案。
13.一种制造光学器件的方法，该方法包括：
通过用空间变化模糊函数对目标照明图案进行去模糊而确定去模糊的照明图案；以及
确定自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发射的入射光转换成所述空间扩展光源的像星座，其中，所述自由光学面是针对零光学扩展量光源而确定的，使得由所述零光学扩展量光源照射的自由光学面形成去模糊的照明图案，其中，所述像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，所述像包括聚焦像，并且其中，所述聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界；以及
制造具有所述自由光学面的光学器件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述光学器件的一侧或两侧形成所述自由光学面。
15.根据权利要求13所述的方法，该方法进一步包括：
确定将由零光学扩展量光源发出的入射光转换成所述目标照明图案的初始自由光学面；
确定空间变化模糊函数，该空间变化模糊函数捕捉由空间扩展光源照射的所述目标照明图案的模糊；以及
用所述空间变化模糊函数对所述目标照明进行去模糊以确定去模糊的照明图案。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述照明图案是用于照明路面的非对称远近光图案。
17.一种非暂时计算机可读存储介质，在该非暂时计算机可读存储介质上存储有程序，该程序能够由处理器执行以执行方法，所述方法包括：
确定将由零光学扩展量光源发出的入射光转换成目标照明图案的初始自由光学面；
确定空间变化模糊函数，该空间变化模糊函数捕捉由空间扩展光源照射的所述目标照明图案的模糊；
用所述空间变化模糊函数对所述目标照明进行去模糊以确定去模糊的照明图案；以及
确定自由光学面，该自由光学面将由零光学扩展量光源发射的入射光转换成所述目标照明图案，使得所述自由光学面将由空间扩展光源发射的入射光转换成所述空间扩展光源的像星座，其中，所述像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，所述像包括聚焦像，并且其中，所述聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界。
18.一种光学器件，该光学器件具有自由光学面，该自由光学面将由空间扩展光源发出的入射光转换成所述空间扩展光源的像星座，其中，星座中的像被混合以形成至少沿着边界的一部分具有锐利边缘的目标照明图案，其中，所述像包括聚焦像，并且其中，所述聚焦像的边缘参与形成所述目标照明图案的有锐利边缘的边界，其中，所述像星座中的至少两个像彼此相邻以形成具有第一强度的第一光滑联合像，并且其中，所述像星座中的至少两个像至少部分地彼此交叠以形成具有第二强度的第二光滑联合像，其中，形成所述第二光滑联合像的像被模糊化并且交叠，使得第一强度和第二强度之间的差小于阈值。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/155,200 | 2016-05-16 | ||
| US15/155,200 US9869866B2 (en) | 2016-05-16 | 2016-05-16 | Tailored freeform optical surface |
| PCT/JP2017/010817 WO2017199568A1 (en) | 2016-05-16 | 2017-03-13 | Optic, luminaire, method for fabricating optic and non- transitory computer readable storage medium |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109073871A CN109073871A (zh) | 2018-12-21 |
| CN109073871B true CN109073871B (zh) | 2019-10-25 |
Family
ID=58640948
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201780028552.5A Active CN109073871B (zh) | 2016-05-16 | 2017-03-13 | 光学器件、灯具以及制造光学器件的方法和非暂时计算机可读存储介质 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9869866B2 (zh) |
| EP (1) | EP3458893B1 (zh) |
| JP (1) | JP6537738B2 (zh) |
| CN (1) | CN109073871B (zh) |
| WO (1) | WO2017199568A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BR112021006316A2 (pt) * | 2018-10-05 | 2021-07-06 | Sicpa Holding Sa | um método de concepção de uma superfície de redirecionamento de luz de uma camada cáustica, um elemento de segurança ótico compreendendo a superfície de redirecionamento de luz concebida da camada cáustica, um objeto marcado, utilização e método de autenticação do objeto |
| US10837621B2 (en) * | 2019-01-25 | 2020-11-17 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Methods and systems for freeform irradiance tailoring for light fields |
| EP3733015A1 (en) | 2019-04-30 | 2020-11-04 | Rayform SA | Reflective jewelry article |
| US10995932B1 (en) * | 2020-05-11 | 2021-05-04 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Uniform-irradiance extended-source freeforms |
| CN114859548B (zh) * | 2021-02-05 | 2023-05-16 | 清华大学 | 无对称自由曲面光学系统的设计方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005012951A2 (en) * | 2003-07-28 | 2005-02-10 | Light Prescriptions Innovators, Llc | Three-dimensional simultaneous multiple-surface method and free-form illumination-optics designed therefrom |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101228848B1 (ko) | 2004-09-20 | 2013-02-01 | 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | Ｌｅｄ 시준기 소자, 헤드라이트 및 시준기 |
| JP4988538B2 (ja) * | 2007-12-25 | 2012-08-01 | パナソニック株式会社 | スポットライト |
| US8851723B2 (en) | 2011-05-19 | 2014-10-07 | Dialight Corporation | LED reflector optic for an automotive headlight |
| JP5996953B2 (ja) * | 2012-07-12 | 2016-09-21 | スタンレー電気株式会社 | スポットライト装置 |
| CN202691905U (zh) | 2012-07-17 | 2013-01-23 | 厦门晶牌照明有限公司 | 一种led水晶灯光源透镜 |
| DE102013215897B4 (de) * | 2013-08-12 | 2015-05-13 | Automotive Lighting Reutlingen Gmbh | Verfahren zum Berechnen der Oberflächen von optischen Linsen |
| US11235699B2 (en) * | 2014-02-07 | 2022-02-01 | Magna Mirrors Of America, Inc. | Illumination module for vehicle |
-
2016
- 2016-05-16 US US15/155,200 patent/US9869866B2/en active Active
-
2017
- 2017-03-13 CN CN201780028552.5A patent/CN109073871B/zh active Active
- 2017-03-13 EP EP17720237.1A patent/EP3458893B1/en active Active
- 2017-03-13 WO PCT/JP2017/010817 patent/WO2017199568A1/en unknown
- 2017-03-13 JP JP2018533845A patent/JP6537738B2/ja active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005012951A2 (en) * | 2003-07-28 | 2005-02-10 | Light Prescriptions Innovators, Llc | Three-dimensional simultaneous multiple-surface method and free-form illumination-optics designed therefrom |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20170329145A1 (en) | 2017-11-16 |
| EP3458893A1 (en) | 2019-03-27 |
| CN109073871A (zh) | 2018-12-21 |
| JP2019506704A (ja) | 2019-03-07 |
| JP6537738B2 (ja) | 2019-07-03 |
| US9869866B2 (en) | 2018-01-16 |
| EP3458893B1 (en) | 2023-06-21 |
| WO2017199568A1 (en) | 2017-11-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109073871B (zh) | 光学器件、灯具以及制造光学器件的方法和非暂时计算机可读存储介质 | |
| CN104284119B (zh) | 在对象的预定义部分上投影图像的设备、系统和方法 | |
| TW201832547A (zh) | 產生全景深度影像的影像裝置、相關方法及相關影像裝置 | |
| WO2016000926A1 (en) | Design of a refractive surface | |
| US11665307B2 (en) | Background display system | |
| CN111801603B (zh) | 光学器件、照明器以及制造光学器件的方法 | |
| CN106773495B (zh) | 多光源投影仪的自动调焦方法与系统 | |
| CN106796311A (zh) | 扩散板及扩散板的制造方法 | |
| CN1608386A (zh) | 三维图像的投影 | |
| US10837621B2 (en) | Methods and systems for freeform irradiance tailoring for light fields | |
| US8619131B2 (en) | Method of illuminating a 3D object with a modified 2D image of the 3D object by means of a projector, and projector suitable for performing such a method | |
| CN113810612A (zh) | 一种模拟化实景拍摄方法及系统 | |
| CN109952529B (zh) | 光学器件、灯具以及用于制造光学器件的方法 | |
| CN205899162U (zh) | 一种基于led光源的散斑投射器 | |
| US10197809B2 (en) | Display system based on hologram and hologram display method using the same | |
| KR100910937B1 (ko) | 3차원 스캐너를 이용한 측정 시스템의 측정 대상물 최적위치 설정 방법 | |
| KR102080506B1 (ko) | 광학 3d 스캐너 | |
| CN110070584B (zh) | 一种密度可调的散斑编码图案生成方法及装置 | |
| Zhu | Freeform Optics for Achieving Collimated and Uniform Light Distribution in LCD-type UV-Curable 3D Printing | |
| Canavesi | Subaperture conics and geometric concepts applied to freeform reflector design for illumination | |
| van Barlingen et al. | phase space ray tracing | |
| CN110163919A (zh) | 三维建模方法及装置 | |
| CN110163958A (zh) | 基于投影光栅建模的建模方法及装置 | |
| CN109523623A (zh) | 一种真实投射的逆光光照效果的实现方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |