CN114967118A - 正交反射镜阵列的光学参数控制方法及装置 - Google Patents

正交反射镜阵列的光学参数控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了正交反射镜阵列的光学参数控制方法，用于控制光线经过正交反射镜阵列后的出射方向与光通量，其特征在于，对于准直光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量。本发明所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，基于光学追迹仿真，获得了准直光条件下任意结构参数正交反射镜阵列的光线传播特性计算公式，使得正交反射镜阵列的光学传播特性得以定量地准确调控，获得了入射光线准直条件下任意结构参数正交反射镜阵列的光线传播特性，可以确定当前结构的正交反射镜阵列应用在类似照明等光学系统中各方向出射亮度的精确计算。

Description

正交反射镜阵列的光学参数控制方法及装置
技术领域
本发明属于正交反射镜阵列技术领域，特别涉及正交反射镜阵列的光学参数控制方法及装置。
背景技术
正交反射镜阵列是一种具有负折射效应的光学器件，在无介质成像、光波导、AR、照明等领域具有广阔的应用前景，典型的正交反射镜阵列由两列相互平行的平面反射镜垂直放置组成，但是现有正交反射镜阵列的设计存在无法精确控制光线的出射方向与光通量的技术问题。
发明内容
为了解决现有正交反射镜阵列的设计存在无法精确控制光线的出射方向与光通量的技术问题，本发明的目的提出了正交反射镜阵列的光学参数控制方法、装置及计算机可读介质。
本发明第一方面提供了正交反射镜阵列的光学参数控制方法，用于控制光线经过正交反射镜阵列后的出射方向与光通量，
对于准直光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure BDA0003606683750000011
Figure BDA0003606683750000012
Figure BDA0003606683750000013
Figure BDA0003606683750000021
其中，Φ1表示被正交反射镜阵列直接反射的概率；Φ2表示进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向的概率；Φ3表示进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向的概率；Φ4表示进入镜间空隙并被反射回来的概率；H表示平面反射镜的深度即空隙的深度；x表示X向偏转角度，X向是指向正交反射镜阵列近光一侧的空隙长度(或者说是单个镜片的侧壁的长度)的方向，与空隙的深度方向相垂直。
在一些实施例中，对于发散光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure BDA0003606683750000022
Figure BDA0003606683750000023
在一些实施例中，还包括：X向偏转角度为零时，按如下公式调整光线出射到各个方向的概率：
Figure BDA0003606683750000024
Figure BDA0003606683750000025
Figure BDA0003606683750000026
Figure BDA0003606683750000031
式中，“[]”表示向下取整。
在一些实施例中，调节平面反射镜的深度H，以改变正交反射镜阵列的深宽比H/b，从而实现如下控制效果：
被正交反射镜阵列直接反射的光不变；
当深宽比为奇数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向；
当深宽比为偶数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向；
当深宽比为小数时，杂散光进入镜间空隙并出射到3个方向。
在一些实施例中，通过机电系统调控正交反射镜阵列的深宽比，使得出射到各探测器的光线强度有所不同，作为一种行为触发方式，用于光控开关的控制。
在一些实施例中，所述开关包括常开开关，其位于被正交反射镜阵列直接反射的光的出射位置上。
在一些实施例中，所述开关包括单独激活或同时激活的开关，其分别位于进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向和进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向。
在一些实施例中，用于照明系统调整各方向出射亮度；或者用于成像光学系统调控像面亮度。
本发明还提供一种正交反射镜阵列的光学参数控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读介质，存储有计算机程序，所述计算机程序可被执行以实现所述的方法。
本发明所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，基于光学追迹仿真，获得了准直光条件下任意结构参数正交反射镜阵列的光线传播特性计算公式，使得正交反射镜阵列的光学传播特性得以定量地准确调控，获得了入射光线准直条件下任意结构参数正交反射镜阵列的光线传播特性，可以确定当前结构的正交反射镜阵列应用在类似照明等光学系统中各方向出射亮度的精确计算。
另外，本发明所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，分析了光线倾斜入射对光线传播的影响，并获得此时的光线传播特性计算公式，为分析光源存在倾斜所带来的误差提供理论基础，并可根据各方向出射亮度反推光源的倾斜量，实现光学系统的微调与优化。
此外，本发明所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，探究了正交反射镜阵列对点光源发散光线传播的作用，结果表明主照明方向的光通量不随发散光锥角的变化而改变，该结论说明正交反射镜阵列应用在成像系统时，成像的总光通量不受点光源发散角的影响，而只与正交反射镜阵列自身结构参数有关，给出了主照明方向(成像方向)光通量的计算公式，为成像光学系统调控像面亮度提供指导。
附图说明
图1为正交反射镜阵列的结构示意图；
图2为本发明正交反射镜阵列的结构参数示意图；
图3为本发明正交反射镜阵列光线传播特性仿真设置图；
图4为本发明深宽比为奇数对正交反射镜阵列光线传播特性的影响图；
图5为本发明深宽比为偶数对正交反射镜阵列光线传播特性的影响图；
图6为本发明深宽比不为整数(为小数)对正交反射镜阵列光线传播特性的影响图；
图7为本发明单根光线反射路径概率分析图；
图8为本发明单根光线反射路径概率(50％的概率直接发射到探测器1)分析图；
图9为本发明单根光线反射路径概率(25％概率进入空隙并出射到探测器2和探测器3)分析图；
图10为本发明单根光线反射路径概率(＜25％的概率直接发射到探测器4)分析图；
图11为本发明单根光线反射路径概率(＜25％的概率进入空隙后发射回探测器1)分析图；
图12为本发明光线出射到探测器4的入射区间边界确定图；
图13为本发明光线出射到探测器1的入射区间边界确定图；
图14为本发明在入射光线无倾斜时建立的固定局部坐标系主视图；
图15为本发明在入射光线无倾斜时建立的固定局部坐标系左视图；
图16为本发明在入射光线无倾斜时建立的固定局部坐标系原模型图；
图17为本发明光源为发散光的仿真光路系统图；
图18为本发明基于正交反射镜阵列的一种光控开关图；
图19为本发明基于正交反射镜阵列的另一种光控开关图；
图20为本发明基于正交反射镜阵列的另一种光控开关图；
附图标记：
11为探测器1，12为探测器2，13为探测器3，14为探测器4，15为物；16为点光源；
21为第一平行反射镜阵列，22为第二平行反射镜阵列，23为正交反射镜阵列；
31为第一入射光，32为第一出射光(探测器4)；
41为第二入射光，42为第二出射光(探测器1)；
51为光敏开光1(常开)，52为光敏开光2(常开)，53为光敏开光3(常开)，54为光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1和2所示，正交反射镜阵列由两列相互平行的平面反射镜垂直放置组成，相邻的两个平行平面反射镜的间距为a，二者之间的空隙宽度为b，平面反射镜的深度即空隙的深度为H。
一、探究正交反射镜对存在一定倾角的准直光的传播特性
为方便描述入射光倾斜角度的改变，在入射光线无倾斜时建立如图14-16所示的局部坐标系，坐标系Z轴正方向与无倾斜的入射光线同向，坐标X轴为空隙(或者说单个镜片的侧壁)的长度方向，与空隙的深度方向相垂直，坐标Y轴正向垂直XOZ平面，正方向由左手坐标系决定。
当光线偏转方向为Y向时，由于Y向的偏转不会改变光线在空隙深度方向两次反射间的垂直距离，即也不会影响到光线在空隙中的反射次数，因此光线在空隙中多次反射后出射出射到各个探测器的概率不发生变化，可表示为：
Φi,y＝Φi (1)
其中i表示探测器编号，y表示光线Y向偏转的角度。
当光线偏转方向为X向时，光线出射到各个探测器的概率与偏转角度相关，用于控制光线经过正交反射镜阵列后的出射方向与光通量，
对于准直光，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量，可求得当光线X向偏转角度为x时，光线出射到四个探测器的概率如式(2)-式(5)所示：
Figure BDA0003606683750000061
Figure BDA0003606683750000062
Figure BDA0003606683750000063
Figure BDA0003606683750000064
其中，Φ1表示被正交反射镜阵列直接反射的概率；Φ2表示进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向的概率；Φ3表示进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向的概率；Φ4表示进入镜间空隙并被反射回来的概率；H表示平面反射镜的深度即空隙的深度；x表示X向偏转角度，X向是指向正交反射镜阵列近光一侧的空隙长度(或者说是单个镜片的侧壁的长度)的方向，与空隙的深度方向相垂直。
二、探究正交反射镜对发散光的传播特性
探究正交反射镜对发散光的传播特性，将图3中的准直光源替换为具有一定锥角的点光源，如图17所示：通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量。即，通过调整发散光锥角的大小，保持光源光通量不变，观察主照明方向探测器1接收到的光通量的变化情况。
光线出射到四个探测器的概率分别为：
Figure BDA0003606683750000071
Figure BDA0003606683750000072
其中，式(6)和式(7)是根据多次仿真结果拟合得到的，仿真结果显示正交反射镜阵列对发散光有如式(6)和式(7)所示的传播规律，且不随发散角而改变。
由式(6)和式(7)可知，当光源发散时，光线经过正交反射镜阵列作用后出射到各个方向探测器的概率为固定值，且概率只和正交反射镜阵列的结构参数有关，与光源的发散角无关。
三、探究正交反射镜对倾斜角度为零的准直光的传播特性
在光学追迹软件中建立如图3所示的仿真系统，正交反射镜阵列倾斜45°放置，其中探测器1接收到的光通量最大，定义其所在方位为主照明方向。研究探测器1接收到的光通量，关键在于光线确定经由空隙反射回探测器1的概率，为此考虑设立一个虚拟空隙与原空隙关于空隙底面对称，则根据反射定律，光线入射并出射真实空隙相当于光线入射到真实空隙并经过虚拟空隙出射，如图12-13所示。这样设置可以为我们寻找出射光到探测器4的入射区间边界提供方便，以便计算出后面的概率公式。
X向偏转角度为零时，由几何关系可得光线到达探测器1的总概率(光线出射到各个方向的概率)如式(8)所示：
Figure BDA0003606683750000073
式中，Φ1表示光线出射到探测器1的概率，a、b、H分别表示反射镜间距、空隙宽度和空隙深度，如图1-2所示，“[]”表示向下取整。
相应地，光线出射到探测器4的概率Φ4可表示为：
Figure BDA0003606683750000081
同理可计算得光线出射到探测器2的概率为：
Figure BDA0003606683750000082
光线出射到探测器3的概率为：
Figure BDA0003606683750000083
与式(2)-式(5)比较可知，实际上式(8)-式(11)是将b·tan(45+x)替换为b得到。
光线入射到探测器2和探测器3的概率和为：
Figure BDA0003606683750000084
这些概率为计算准直光经过正交反射镜后出射到各方向的光通量或光能的具体值提供了计算依据。例如光源总光通量为100流明，光线出射到探测器2的概率为10％，由于每一根光线的出射方向都是独立事件，因此探测器2接收到的光通量便为100*10％＝10流明。
进一步研究光线传播到各个探测器的比例多少，从几何光学和概率的角度分析单根光线的传播路径，如图7-11所示。不妨设空隙率为50％(实际空隙率可以为0到100％之间任意值，会影响到光线一次反射进入探测器1的概率)，由几何概型可知，准直光中入射到正交反射镜的一根光线，由于镜面面积与空隙面积各占50％，因此其有50％的概率被直接反射并沿主照明方向进入探测器1，有25％的概率进入镜间空隙并出射到探测器2和探测器3，进入探测器2或探测器3的相对概率与深宽比有关，有25％的概率进入镜间空隙并被反射回来，进入探测器1或探测器4的相对概率同样与深宽比有关。研究这一点为通过优化正交反射镜阵列的结构提升成像系统中成像亮度或者定量调控照明系统中各方向出射亮度均有重要意义。
调节平面反射镜的深度H，以改变正交反射镜阵列的深宽比(H/b)，从而实现如下控制效果：
被正交反射镜阵列直接反射的光不变；
当深宽比为奇数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向，杂散光出射到右侧的探测器；
当深宽比为偶数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向，杂散光出射到上方的探测器；
当深宽比为小数时，杂散光进入镜间空隙并出射到3个方向。
该性质可以用于光控开关的设计，通过机电系统调控正交反射镜阵列的深宽比，使得出射到各探测器(若是光敏材料)的光线强度有所不同，可以作为一种行为触发方式，如图4-6所示，用于光控开关的控制。
所述开关包括常开开关，其位于被正交反射镜阵列直接反射的光的出射位置上。所述开关包括单独激活或同时激活的开关，其分别位于进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向和进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向。用于照明系统调整各方向出射亮度；或者用于成像光学系统调控像面亮度。
设计例子如图18-20所示，其中正交反射镜阵列可由机电器件控制其平行反射镜间的空隙宽度(b)，进而根据式(8)-式(11)，出射到四个方向的光通量可以得到定量的控制，并可基于此原理设计如图18-20所示的光控开关。由式1可知光敏开关1接受到的光通量始终大于零，因此光敏开关1是“常开”状态，通过调节空隙宽度，光敏开关2或光敏开关3可分别单独激活或同时激活，用以触发不同的行为。光源的开闭可以作为主开关，当光源关闭时，光敏开关1、2、3均关闭。该设计可以解决传统光敏开关触发行为单一的缺陷，实现不同的触发行为及组合，由于无需成像，正交反射镜阵列的阵列规模可以设计的比较小，降低制造和控制的难度。
对推导出的公式的验证:
设置不同结构的正交反射镜阵列，比较其对准直光的光线传播特性，比较式(8)-式(11)的理论计算结果与光学追迹仿真的结果，整理如表1所示。表格中前三列为正交反射镜阵列的结构参数，各探测器下第一子列为公式计算结果，第二子列为仿真结果。表1的结果验证了式(8)-式(11)的正确性。
表1准直光模式下正交反射镜阵列光学传播特性的理论值与仿真值
Figure BDA0003606683750000101
在保持正交反射镜阵列结构不变的情况下，改变准直光的倾斜角度，比较式(2)-式(5)的理论计算结果与光学追迹仿真的结果，整理如表2所示。各探测器下第一子列为公式计算值，第二子列为仿真值。表2的结果验证了式(2)-式(5)的正确性。
表2倾斜光模式下正交反射镜阵列光学传播特性的理论值与仿真值
Figure BDA0003606683750000102
在保持正交反射镜阵列结构不变的条件下，将准直光源替换为具有不同锥角的发散光，比较式(6)和式(7)的理论计算结果与光学追迹仿真的结果，整理如表3所示，各探测器下第一子列为公式计算值，第二子列为仿真值。表3的结果验证了式(6)和式(7)的正确性。
表3发散光模式下正交反射镜阵列光学传播特性的理论值与仿真值
Figure BDA0003606683750000103
Figure BDA0003606683750000111
其于上述研究，本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法如下：用于控制光线经过正交反射镜阵列后的出射方向与光通量，
对于准直光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure BDA0003606683750000112
Figure BDA0003606683750000113
Figure BDA0003606683750000114
Figure BDA0003606683750000115
其中，Φ1表示被正交反射镜阵列直接反射的概率；Φ2表示进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向的概率；Φ3表示进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向的概率；Φ4表示进入镜间空隙并被反射回来的概率；H表示平面反射镜的深度即空隙的深度；x表示X向偏转角度，X向是指向正交反射镜阵列近光一侧的空隙长度(或者说是单个镜片的侧壁的长度)的方向，与空隙的深度方向相垂直。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，对于发散光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure BDA0003606683750000121
Figure BDA0003606683750000122
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，还包括：X向偏转角度为零时，按如下公式调整光线出射到各个方向的概率：
Figure BDA0003606683750000123
Figure BDA0003606683750000124
Figure BDA0003606683750000125
Figure BDA0003606683750000126
式中，“[]”表示向下取整。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，调节平面反射镜的深度H，以改变正交反射镜阵列的深宽比H/b，从而实现如下控制效果：
被正交反射镜阵列直接反射的光不变；
当深宽比为奇数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向；
当深宽比为偶数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向；
当深宽比为小数时，杂散光进入镜间空隙并出射到3个方向。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，通过机电系统调控正交反射镜阵列的深宽比，使得出射到各探测器的光线强度有所不同，作为一种行为触发方式，用于光控开关的控制。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，所述开关包括常开开关，其位于被正交反射镜阵列直接反射的光的出射位置上。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，所述开关包括单独激活或同时激活的开关，其分别位于进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向和进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向。
本实施例提出的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，用于照明系统调整各方向出射亮度；或者用于成像光学系统调控像面亮度。
采用本实施例提供的正交反射镜阵列的光学参数控制方法对正交反射镜阵列的光学参数进行控制优化，具有以下三个优点：
1)高适用性。本发明从正交反射镜阵列的关键结构参数入手，对准直光、倾斜光和发散光三种不同光源类型时的光线传播特性进行分析，具有很高的适用性。
2)定量评价。本发明为定量地预测特定正交反射镜阵列结构在某一类型光源下的光线传播特性，本发明基于几何光学和概率论对其进行了定量计算，并给出了具有一般性的计算公式。
3)创新设计。由本发明中推导出的计算公式可知，正交反射镜阵列的空隙深度H和宽度b对器件整体的光学传播特性具有巨大的影响，可以通过设计不同深宽比的正交反射镜阵列，实现不同的光学作用，本本发明有望对正交反射镜的推广使用起到积极作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.正交反射镜阵列的光学参数控制方法，用于控制光线经过正交反射镜阵列后的出射方向与光通量，其特征在于，
对于准直光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure FDA0003606683740000011
Figure FDA0003606683740000012
Figure FDA0003606683740000013
Figure FDA0003606683740000014
其中，Φ1表示被正交反射镜阵列直接反射的概率；Φ2表示进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向的概率；Φ3表示进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向的概率；Φ4表示进入镜间空隙并被反射回来的概率；H表示平面反射镜的深度即空隙的深度；x表示X向偏转角度，X向是指向正交反射镜阵列近光一侧的空隙长度的方向，与空隙的深度方向相垂直。
2.如权利要求1所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，对于发散光，按如下公式，通过调整相邻的两个平行平面反射镜的间距a和二者之间的空隙宽度b，来调整光线出射到各个方向的概率，从而调整光线出射到各个方向的光通量：
Figure FDA0003606683740000015
Figure FDA0003606683740000016
3.如权利要求1所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，还包括：X向偏转角度为零时，按如下公式调整光线出射到各个方向的概率：
Figure FDA0003606683740000021
Figure FDA0003606683740000022
Figure FDA0003606683740000023
Figure FDA0003606683740000024
式中，“[]”表示向下取整。
4.如权利要求3所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，调节平面反射镜的深度H，以改变正交反射镜阵列的深宽比H/b，从而实现如下控制效果：
被正交反射镜阵列直接反射的光不变；
当深宽比为奇数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向；
当深宽比为偶数时杂散光进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向；
当深宽比为小数时，杂散光进入镜间空隙并出射到3个方向。
5.如权利要求4所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，通过机电系统调控正交反射镜阵列的深宽比，使得出射到各探测器的光线强度有所不同，作为一种行为触发方式，用于光控开关的控制。
6.如权利要求4所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，所述开关包括常开开关，其位于被正交反射镜阵列直接反射的光的出射位置上。
7.如权利要求4所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，所述开关包括单独激活或同时激活的开关，其分别位于进入镜间空隙并出射到与入射方向垂直的方向和进入镜间空隙并出射到与入射方向平行的方向。
8.如权利要求1所述的正交反射镜阵列的光学参数控制方法，其特征在于，用于照明系统调整各方向出射亮度；或者用于成像光学系统调控像面亮度。
9.一种正交反射镜阵列的光学参数控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序可被执行以实现如权利要求1-9中任一项所述的方法。
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