CN115485599A

CN115485599A - 均匀辐照扩展源自由形态

Info

Publication number: CN115485599A
Application number: CN202180033356.3A
Authority: CN
Inventors: M·布兰德; D·伯奇
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2022-12-16
Also published as: EP4150393A1; US10995932B1; WO2021229878A1; JP2023523098A

Abstract

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。

Description

均匀辐照扩展源自由形态

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。

我们表明，边缘光线映射(从透镜边界上的点到辐照边界上的点的光滑1比1映射)足以确定整个解决方案。边缘光线映射确定无溢散自由形态边界；初始表面的其余部分可以通过插值然后通过曲率调整均匀化辐照而获得。我们将分三个步骤介绍该方法：

·确定沿光学表面边界的凹陷和法线，以通过边缘光线映射照射多边形周界。

·对边界进行插值以生成光学表面，该光学表面经由扩展到微分约束的多重调和样条平滑地照射多边形内部。

·经由光场裁剪、增强以保持辐照周界，来使辐照均匀化。

这种新方法的优点是速度快、易于实现，并且可以产生边缘锐利的照明图案(在物理上可能的情况下)。在§3中，我们展示了各种规则和不规则凸多边形的高质量结果。

本发明的一些实施方式提供了一种设计自由形态光学表面的方法，该自由形态光学表面从扩展光源均匀地照射任意凸多边形。我们展示了如何以几何方式构建初始边缘光线映射，该映射将最大角度的光线从光源的边缘通过光学器件的边界路由到目标多边形的边界。该边缘光线映射确定光学器件的边界曲线和法线，从其可以对照射目标多边形的最小变形能量表面进行插值。为了均匀化这种辐照，我们开发了一种光场裁剪算法的扩展，该算法在保持其边界的同时优化空间通量密度。即使出口表面小于距离嵌入源的三个源直径，也可以获得高度均匀的辐照。在某些特殊情况下，也可以获得锐利的辐照边缘。

此外，本发明的一些实施方式提供了一种用于向目标区域提供均匀辐照的照明装置。该照明装置可以包括：扩展光源，其被配置为发射光线；透镜，其被配置为接收并均匀化从光源到目标区域的光线的辐照，其中，透镜的凹陷和沿透镜的边界的法线被布置成基于边缘-光线映射照射目标区域的周界，其中，透镜表面从透镜的边界被插值以照射目标区域的内部，其中，对透镜表面进行裁剪，使得穿过透镜的光线的光场均匀地照射目标区域的内部和周界，其中，控制目标区域的周界以外的光场的溢散。

将参考附图进一步解释目前公开的实施方式。所示附图不一定要按比例绘制，相反重点通常放在说明当前公开的实施方式的原理上。

附图说明

[图1A]

图1A是根据本发明的实施方式的轴向视图中的边缘光线映射的视图；

[图1B]

图1B是根据本发明的实施方式的3/4视图中的边缘光线映射的视图；

[图1C]

图1C是根据本发明的实施方式的侧视图中的边缘光线映射的视图；

[图2A]

图2A示出了根据本发明的实施方式的提供正方形辐照边界的多重调和透镜表面；

[图2B]

图2B示出了根据本发明的实施方式的提供正方形辐照边界的多重调和透镜表面；

[图2C]

图2C示出了根据本发明的实施方式的提供正方形辐照边界的多重调和透镜表面；

[图2D]

图2D示出了根据本发明的实施方式的提供正方形辐照边界的多重调和透镜表面；

[图3A]

图3A示出了根据本发明的实施方式的1mm²扩展源的均匀化；

[图3B]

图3B示出了根据本发明的实施方式的1mm²扩展源的均匀化；

[图3C]

图3C示出了根据本发明的实施方式的1mm²扩展源的均匀化；

[图3D]

图3D示出了根据本发明的实施方式的1mm²扩展源的均匀化；

[图3E]

图3E示出了根据本发明的实施方式的1mm²扩展源的均匀化；

[图4A]

图4A示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图4B]

图4B示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图4C]

图4C示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图4D]

图4D示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图4E]

图4E示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图4F]

图4F示出了根据本发明的实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标；

[图5A]

图5A示出了根据本发明的实施方式的目标和实际辐照的不规则多边形；

[图5B]

图5B示出了根据本发明的实施方式的目标和实际辐照的不规则多边形；

[图5C]

图5C示出了根据本发明的实施方式的指示图5A的水平样条的辐照图；

[图5D]

图5D示出了根据本发明的实施方式的指示图5B的对角样条的辐照图；

[图6A]

图6A示出了根据本发明的实施方式的由于指示整个辐照图案的小而产生的均匀辐照；

[图6B]

图6B示出了根据本发明的实施方式的均匀化之前和之后沿指示的线的样条；以及

[图7]

图7示出了根据本发明的实施方式的用于设计包括均匀辐照扩展源自由形态的装置的方法的流程图。

具体实施方式

虽然上述附图阐述了当前公开的实施方式，但如讨论中所述，也考虑了其它实施方式。本公开通过表示而非限制的方式呈现了示例性实施方式。本领域技术人员可以设计许多其它修改和实施方式，这些修改和实施方式落入本公开的实施方式的原理的范围和精神内。

以下描述仅提供示例性实施方式，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，以下示例性实施方式的描述将为本领域技术人员提供能够实现一个或更多个示例性实施方案的描述。考虑了在不偏离所附权利要求中公开的主题的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

以下描述中给出了具体细节，以提供对实施方式的透彻理解。然而，本领域普通技术人员可以理解，实施方式可以在没有这些具体细节的情况下实施。例如，所公开主题中的系统、处理和其它元素可以以框图形式显示为组件，以避免以不必要的细节模糊实施方式。在其它情况下，为了避免混淆实施方式，可以在没有不必要细节的情况下展示众所周知的处理、结构和技术。此外，在各个附图中的相同参考标号和名称指示相同元件。

此外，各个实施方式可以描述为处理，处理被描述为流程图、流程视图、数据流图、结构图或框图。虽然流程图可以将操作描述为顺序处理，但许多操作可以并行或同时执行。此外，可以重新安排操作顺序。处理可以在其操作完成时终止，但可以具有未在图中讨论或包括的附加步骤。此外，并非在任何特别描述的处理中的所有操作都可能发生在所有实施方式中。处理可以对应于方法、函数、过程、子进程、子程序等。当处理对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。

此外，所公开主题的实施方式可以至少部分手动或自动实现。可以通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来执行或至少辅助手动或自动实现。当在软件、固件、中间件或微代码中实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。

根据本发明的一些实施方式，照明装置可以包括光源、透镜、被配置为供电和控制光源的电路以及外壳。外壳被配置成布置电源(例如电池)、电路、光源和透镜，从而使光源的光轴和透镜的光轴对齐。

在某些情况下，根据本发明的多个照明装置可以被组装以形成大面积照明装置或联合显示器。外壳、电路和大面积照明装置未在图中显示。

2.设计方法

为了简化说明，我们考虑光学系统，该光学系统包括嵌入透镜中的正方形朗伯(Lambertian)LED，该透镜照射与光轴正交的平面投射表面。透镜将具有圆形截面，并且其出射面将被裁剪(即，出射面的边缘将位于圆柱体上)。这些假设都不是必需的；光源可以具有任何几何形状和辐射图案，透镜可以是多边形的等。

2.1确定光学表面边界

首先，我们确定沿光学表面边界的凹陷和表面法线，使得来自扩展源的、折射通过光学表面边界的光线将照射目标边界而不会溢散。这在大多数但并非所有目标边界上都是可行的，例如，三角形目标的锐角不能从正方形光源被照射而没有溢散，因为辐照是光源的图像的叠加。然而，可以保证较弱的情况：通过光学表面边界上的任何点的光锥接触目标边界的至少一个边缘，否则位于目标边界的内部。实际上，内部保障通常可以升级到所有边缘。

初始光学表面边界是简单的恒定凹陷的环。边界设计从临时映射开始，其中光学表面边界上的每个点b都被指定给目标辐照边界上的点t。两个边界都被弧长参数化，并且通过比例弧长进行对应。

图1A至图1C示出了根据本发明的一些实施方式的轴视图、3/4视图和侧视图中的边缘光线映射。

透镜边界(圆)上的每个点与目标边界(不规则五边形)上的点以及光源边界(中心正方形)上的最远点对应，以确定边缘光线路径(粗体线)和表面法线(箭头)，表面法线使光源(扭曲正方形)的点折射图像保持在目标边界边缘的正确一侧。然后，边界凹陷和法线被细化为相互一致，同时保持映射。

如图1的左面板所示，这朝向目标的各个拐角集中能量。这为均匀化(^§2.3)提供了有利初始条件，均匀化将沿边界和内部重新分配通量。我们发现，通过进一步朝向多边形拐角集中目标点，可以加速该优化，例如，如果目标边缘被弧长参数化-1≤x≤1，则可以根据S型图(诸如x→λ(3x-x³)/2+(1-λ)x，在λ＝1/2周围具有最佳结果)移动目标点。

为了合并光源几何图形，然后在光源边界上为每个光学边界点b指定一个源点s，并调整s,t以使b“无溢散”，这意味着当光学器件将光线从s穿透b折射到辐照目标的边缘上的t时，穿透b折射的所有其它扩展源光线将落在该边缘的辐照内侧。这可以通过两个步骤来完成：首先，我们在围绕光源的圆上选择距离b最远的临时源点s，并根据矢量折射定律计算在b处的临时表面法线n，该法线将使光线从s穿过b朝向t弯曲

n是折射率在b之前和之后的比率。第二，来自光源边界顶点的光线通过b被折射并被投射到目标平面，从而得到投射光源的凸壳。这些投射需要移动，以使所述壳接触但不与该边缘交叉。为此，至少辐照多边形(即，目标边缘)内部的投射顶点被正交投射到该边缘上；所得到的点被表示为新目标点t，其源顶点被表示为新源点s，并且法线n被重新计算。这会使源的投射移动到目标边缘，但不会沿着它。

最后，共同更新所有边界凹陷和法线，使其相互一致，并与其相关的源点和目标点保持一致。这是通过使用边界法线必须与边界的方位导数正交的事实，交替地针对每个法线n求解如等式(1)中给出的其相应边界点b，然后针对所有边界点b的凹陷分量求解给定所有边界n来实现的：

被离散化为

以针对围绕光学表面边界均匀间隔的离散控制点b_i的凹陷分量产生线性方程组。在下面的示例(§3)中，(1)和(2)的交替解通常在2-4次迭代中收敛。

2.2确定光学表面内部

然后，我们使用多重调和样条从其边界凹陷曲线和法线确定光学表面。阶m的多重调和样条f使区域S上的变形能量最小化

同时插值一些控制点{(x_i，f(x_i))}。m＝1情况选择最小变化表面，并且m＝2选择最小弯曲能量表面。方便地，通过径向基函数ψ(||x-x_i||)的仿射组合精确插值控制点，将等式(3)最小化：

且ψ(r)Br^mlog(r)^(m+1mod2) (4)

其中，参数w_i、v和c是通过求解线性方程组获得的，每个方程组都是(4)的实例，且x被设置为一个控制点x_j。我们注意到，在求解线性方程组之前，还可以通过微分这些等式中的一些等式来控制附加点处的导数f_x、f_y、f_xx、f_yy、f_xy。阶m的样条适应到阶m-1的导数约束，并且关于远离控制点的第m个拉普拉斯算子是光滑最佳的。

为了获得具有所需边缘光线映射的初始光学表面，我们寻求插值如§2.1中确定的透镜边界处的凹陷值f和表面梯度

因此我们通常使用双调和(m＝2)样条。图2A至图2B示出了样条表面，该样条表面平滑但不均匀地照射了正方形，产生了图3A中的辐照图案。

图2A至图2C示出了根据本发明的一些实施方式的提供正方形辐照边界的多重调和透镜表面。控制点(边界)、表面(等高线)和led(正方形)在平面(左)视图和轴测视图(中)中。右边是产生图3D和图6中辐照的较小透镜。

还期望(但并非严格必要)插值表面不产生任何焦散(光线交叉)，所述焦散可能会减慢内部辐照的后续裁剪。双调和解通常是非焦散的，无焦散表面始终可以作为调和(m＝1)和双调和样条的线性组合来获得。也可以使用三重调和(m＝3)插值和附加约束直接将“主要均匀辐照”自由形态样条化，所述附加约束迫使表面内部上的一些点模拟类似大小的球体的拉普拉斯曲率

该球体均匀地从朗伯点源照射圆形光斑(显式凹陷函数是已知的)。

2.3使辐照均匀化

然后使用光场裁剪来将样条曲面提供的辐照均匀化。一般方法是通过观察到光学表面的曲率局部地改变波前的曲率而被激励，从而控制稀释辐照的强度的光束膨胀。因此，辐照误差场可以与曲率修正场g(x，y)相关联，然后通过求解凹陷调整场s(x，y)的泊松问题

将曲率修正场应用于光学表面。对于零扩展(点)源，这种关系是逐点的且直接的。对于正扩展源(扩展光源和更普遍的光场)，这种关系是间接的，但可以通过求解稀疏线性系统来确定，该系统揭示了辐照误差的信用(credit)应如何分布在曲率校正场上。这两种情况都允许快速并行实现，并且可以裁剪透镜和镜子，以产生均匀的辐照以及类似照片的辐照率图案。然而，辐照仅接近目标，因为大多数扩展源辐照裁剪问题不允许精确解。在许多可能的近似解决方案中，光场裁剪优先考虑目标辐照对内部而不是边界的保真度，仅因为内部占了大部分通量。这成为了本文所考虑的多边形辐照问题的责任，其中边界的质量在结果的满意性方面更为重要。因此，可以针对此特定应用改进算法。

由于多重调和样条的边界斜率已经提供了所需的辐照边界，因此我们修改了凹陷校正步骤，以保持光学表面几何形状的这一方面。为此，我们注意到泊松问题

的解不是唯一的；我们可以将形式

的任何鞍形表面添加到s，因为

在每次曲率校正迭代中，我们都会求解鞍形的系数a₁、a₂、a₃、，a₄，该鞍形的系数会抵消不需要的边界斜率修改，例如，那些会将边缘光线移离目标周界的修改。这是小型但过约束的线性方程组，因此在最小平方误差意义下求解。将鞍座添加到凹陷校正中有效地从等效辐照改进空间中选择最少分解辐照边界的空间。

图3A至图3E示出了根据本发明的一些实施方式的关于1mm²扩展源的均匀化。图3A示出了多重调和样条透镜表面

的初始辐照。图3B示出了光场均匀化后的最终透镜的辐照(最终顶点高度＝8.08mm)。图3C示出了用较大(

v＝28.1mm、S_in＝1770mm、S_out＝)透镜获得的边缘更锐利的辐照。图3D示出了非常小的(

v＝5.16mm)透镜产生的边缘锐利的辐照；目标与2×2led图像大小相同(S_in＝720mm、S_out＝742mm)。图3E示出了被设计用于斜投射平面(

v＝11.5mm、S_in＝1410mm、S_out＝1690mm和从正交方向旋转15.0°的投射平面)的透镜的辐照。

在为了扩展光源而进行裁剪时，设计者面临着两种选择：一种是具有“硬”边缘的目标，这将由于带宽限制源而强制产生振铃伪影；另一种是“软”边缘，这会改善振铃效果，但会产生不对称滚降，因为一些目标边缘可能比其它边缘更好地与光源的边缘对齐。当孔径较大时，权衡变得不那么严重，例如，比较图3B和图3C。这种权衡有一个有趣的例外：如果可以通过平铺光源的多个聚焦图像来近似目标辐照，那么焦距在投射平面上形成网格的笛卡尔椭圆的结合将成为光场裁剪的优异初始条件。图3D示出了最终辐照，其中LED边缘被多次聚焦以形成尖锐的辐照边界。请注意，因为平铺图像偏离轴被斜投射，所以它们是径向扭曲的，并且不能整齐地组合在一起以提供均匀化内部。出乎意料的是，优化步骤主要通过修改透镜的外部区域来均匀化内部。

3示例

在本节中，我们展示了几个示例，以说明扩展源辐照裁剪中固有的权衡。根据本发明的实施方式的辐照的一些示例形状如下所示。所有示例都是带有嵌入式源的圆形透镜，这意味着在透镜空气界面处存在单个折射率，其中，折射率比率为n＝1.50。源为1mm平方朗伯LED，并且在所有情况下，从源到投射平面的距离为1200mm。v是源顶点距离，并且尺寸S_in和S_out分别是均匀内部和整个照明图案的边长。

均匀性得分为u＝1-σ/μ—1减去多边形目标区域(其中，辐照应为恒定的)中的辐照的变化系数(也称为相对标准偏差)。这里σ和μ是辐照的标准偏差和平均值。

所有示例的目标都是内部均匀性和锐利边缘。对于扩展源，两者之间总是有权衡。在这些示例中，我们允许在边缘处进行不同程度的滚降(roll off)，以说明折衷。

正方形(图3)：这个标准测试问题需要显著的射束成形，但led边缘和目标边缘的对齐使得均匀性和清晰度之间的权衡更加有利。我们提出了

顶点＝8.08mm的透镜，该透镜以均匀性u＝0.966均匀地照射正方形(均匀内部边长：1030mm，总边长：1750mm)(图3B)；由更大的

顶点＝28.1mm透镜照射的边缘更锐利的正方形具有内部边长1770mm、总边长1980mm和均匀性0.975(图3C)；以及边缘非常锐利的正方形，因为边长为700mm且均匀性为0.924的

顶点＝5.14mm小透镜(图3D)。如上所述，在最后一种情况下，由于目标大约是聚焦光斑大小的整数倍，因此可以使用边缘锐利的解决方案。

我们还演示了图3E中的离轴设计：对于在倾斜β＝15°的投射平面上，用

透镜照射均匀内部边长＝1410mm且总边长＝1690mm的正方形，此方法产生的均匀性为0.969。注意，由于led的光斑大小图像变化很大，因此沿边界的滚降也改变。

图4A至图4F示出了根据本发明的一些实施方式的具有软边缘和硬边缘的目标。在所有情况下，源均为1mm²正方形led，源投射平面距离为1200mm，并且折射率比率为n＝1.5。顶行：由§3中描述的多边形照射透镜产生的辐照。底行：沿着通过上述多边形指定的样条的目标辐照和实际辐照。六边形(图4A和图4D)：

v＝14.0mm、S_in＝1000mm、S_out＝1200。五边形(图4B和图4E)：

v＝17.0mm、S_in＝680mm、S_out＝1070mm。三角形(图4C和图4F)：

v＝15.9mm、S_in＝2400和S_out＝2500mm。

六边形(图4A和图4D)：

顶点＝14.0mm的透镜照射内边长为1000mm(总边长为1200mm)的六边形。目标被设计有锐利边缘，导致均匀性比软边缘目标可能的均匀性稍低：例如所示的例子u＝0.978。请注意，由于没有任何边缘与LED边缘对齐，因此不同取向的边缘和顶点处的滚降会改变。

五边形(图4B和图4E)：与正方形相比，五边形目标需要较少的射束成形，但实际上不可能实现硬边缘与光源的那些不对齐。在图4B中，

顶点＝17.0mm的透镜照射内部边长680mm(总边长1070mm)的五边形。目标被设计有轻微的边缘滚降，使内部具有极高的均匀性：u＝0.991。

三角形(图4C和图4F)：三角形是最难用圆形自由形态透镜照射的多边形。这里，我们给出了

顶点＝15.9mm的透镜的例子，它照射内部边长为2400mm(总边长为2500mm)的等边三角形。在这种情况下，目标的硬边缘会导致振铃，从而降低内部的均匀性：u＝0.903。

不规则多边形图5A至图5D示出了根据本发明的一些实施方式的不规则多边形。在这种情况下，

v＝25.2mm、平均S_in＝1690mm并且平均S_out＝3070mm。图5A表示目标，图5B表示实际辐照，且辐照沿着图5C所示的水平样条和图5D对角样条绘制。

图5A至图5D示出根据本发明的一些实施方式的非对称多边形需要更复杂的光传输，并且在设置边界光线映射时需要更加小心。为了使样条化过程等效于用于规则多边形的过程，我们平移目标，使其质心位于光轴上，然后在像以前一样将它们集中在顶点附近之前，以弧长为基础将透镜边界的点指派给辐照边界。对于这个例子，我们发现如果首先针对点源裁剪样条曲面，那么光场裁剪显著更快收敛。

为了裁剪不规则多边形照射透镜，我们对该过程进行了以下修改：1.将透镜边界的圆弧分配给目标多边形的每条边，与该边的长度成比例；2.根据它们的指派的一侧将目标点指派给控制点，将它们集中在顶点附近，类似于正多边形情况；3.在均匀化扩展源之前，针对点源进行均匀化。

在这种情况下，裁剪

直径、顶点＝25.2mm的圆形透镜，以照射平均内径为950mm、外径为1710mm的不规则多边形，如图5所示，产生为0.997的均匀性。

非常小的透镜(图6A、图6B和图3D)：图6A至图6B示出了小透镜(

mm、v＝3.88mm、S_in＝726、S_out＝1800mm)产生的均匀辐照。图6A示出了整个辐照图案。图6B示出了均匀化前后沿指示线的样条。

被优化以针对点源产生均匀辐照的透镜可以利用相对小的扩展源产生近似均匀的辐照，但当源的尺寸与透镜相当时，它将产生明显不均匀的辐照。为了说明这一点，我们首先优化五边形产生透镜，以从点源产生u＞0.999均匀五边形，然后从led进行光线跟踪，以发现内部均匀性大大降低(图6B中的弧线(1))。然后，我们通过所有示例中的增强光场裁剪算法均匀化辐照。针对1.00mm正方形led裁剪

顶点＝3.88mm透镜，产生u＝0.997。

图7示出了根据本发明的一些实施方式的指示裁剪处理700的流程图。裁剪处理700包括左侧的构造和右侧所示的优化。

在步骤711中，设计者指定光源、透镜和目标的边界和位置。例如，光源可以是正方形的，透镜可以是圆形的，目标可以是不规则凸多边形。在步骤712中，从源外接圆到透镜边界到目标边界进行初始边缘光线映射。在步骤713中，调整边缘光线映射源和目标点以消除溢散。在步骤714中，根据步骤713的边缘光线映射和沿边界的凹陷的估计值(初始值为零)估计边界法线。基于边界法线的估计，在步骤715中估计边界凹陷。如果步骤714和715保持凹陷和法线估计不变，则在步骤716中确定将其转换为相互一致的几何图形。迭代地执行步骤714、715和716，直到步骤714和715的结果被确定为收敛的。在步骤717中，根据步骤716提供的一致边界凹陷和法线插值多重调和样条表面。在步骤718中，根据反向光线跟踪确定的辐照误差来计算表面曲率校正。在步骤719中添加鞍形校正以保持辐照边界。如果曲率校正和鞍形校正的总和导致透镜表面发生变化，则在步骤720中确定表面未收敛。迭代地执行步骤718、719和720，直到确定表面是收敛的。然后，在步骤721中，将透镜的表面和边界输出为最终透镜形状。

在上面，我们已经展示了边缘光线映射足以确定自由形态透镜，该透镜从扩展光源均匀照射目标多边形。关键工具是表面插值和扩展源辐照裁剪方法，它们可以保持边缘光线映射。我们展示了具有很高一致性的几个结果，包括具有挑战性的问题，诸如不对称的目标、具有尖锐边缘的辐照图案以及透镜不比光源大多少。对于上面的每个示例，边缘光线映射和鞍形校正提供了比通用光场裁剪算法更快的收敛，获得了明显更好的结果。

本发明的上述实施方式可以以多种方式中的任何一种实现。例如，实施方式可以使用硬件、软件或其组合来实现。当在软件中实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，无论是在一台计算机中提供还是在多台计算机之间分布。这种处理器可以实现为集成电路，在集成电路组件中有一个或更多个处理器。尽管如此，处理器可以使用任何合适格式的电路来实现。

此外，本发明的实施方式可以体现为一种方法，已经提供了其示例。作为方法的一部分的行为可以以任何合适的方式进行排序。因此，可以构造这样的实施方式，其中以不同于所示的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在示例性实施方式中显示为顺序动作。

在权利要求中使用“第一”、“第二”等序数术语来修改权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先权或顺序，也不意味着执行方法的行为的时间顺序，而是仅用作标签，以区分具有特定名称的一个权利要求元素和具有相同名称(但用于序数术语的使用)的另一个元素，以区分权利要求元素。

虽然已经通过优选实施方式的示例描述了本发明，但应理解的是，可以在本发明的精神和范围内进行各种其它改编和修改。

因此，所附权利要求的目的是涵盖本发明的真正精神和范围内的所有此类变化和修改。

Claims

1.一种用于向目标区域提供均匀辐照的照明装置，所述照明装置包括：

扩展光源，所述扩展光源被配置为发射光线；

透镜，所述透镜被配置为接收从所述光源到所述目标区域的所述光线的辐照并且使从所述光源到所述目标区域的所述光线的辐照均匀化，其中，所述透镜的凹陷和沿所述透镜的边界的法线被布置成基于边缘-光线映射来照射所述目标区域的周界，其中，透镜表面从所述透镜的边界被插值以照射所述目标区域的内部，

其中，所述透镜表面被裁剪，以使得穿过所述透镜的光线的光场均匀地照射所述目标区域的内部和周界，

其中，对所述目标区域的所述周界外的光场的溢散进行控制。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光源被嵌入到所述透镜中。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述目标区域由凸多边形表示。

4.根据权利要求1所述的照明装置，其中，执行所述边缘-光线映射，使得来自所述光源的边缘的光线路经所述透镜的相对边缘，并且被指定到所述目标区域的边缘上的点。

5.根据权利要求3所述的照明装置，其中，所述目标多边形是通过透视变换变形的规则或不规则凸多边形。

6.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光源是发光二极管LED。

7.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光源是任意照明装置的出口孔。

8.根据权利要求1所述的照明装置，其中，裁剪后的光学表面是镜子而不是透镜。

9.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光源的发射面积小于所述透镜的表面积。

10.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述透镜在平面投射面上投射多边形区域。

11.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光源具有非圆形边界。

12.根据权利要求1所述的照明装置，所述照明装置还包括被配置为向所述光源供电以使所述光源发射所述光线的电路。

13.根据权利要求1所述的照明装置，所述照明装置还包括外壳，其中，所述外壳被配置为保持所述光源和所述透镜，使得所述光源的光轴和所述透镜的光轴对齐。

14.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述透镜被配置成使得来自所述光源的光线通过所述透镜的光学表面边界被折射，以照射目标边界而不会溢散。