本發(fā)明涉及光學(xué)，尤其涉及一種生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法。

背景技術(shù)：

1、光源經(jīng)過光學(xué)樣條面到達投影表面后的光分布情況與入射介質(zhì)折射率、出射介質(zhì)折射率、光學(xué)樣條面的曲面形狀有關(guān)，為了能夠使入射光經(jīng)過光學(xué)樣條面后投影形成特定的光分布區(qū)域，需要計算光學(xué)樣條面的曲面形狀，保證所需光分布區(qū)域內(nèi)光強達到最大值，例如，入射光為均勻入射的矩形光源，目標光為十字形區(qū)域，因此矩形光源的四角均為無效光區(qū)域，若光學(xué)樣條面為平面，則出射光也為矩形光分布，分布在十字形區(qū)域內(nèi)的光強會大大減弱，光效低。

2、傳統(tǒng)的光學(xué)樣條面計算方法是將光學(xué)曲面劃分為大量面元，需要遍歷并計算各面元的面積和能量。面元長寬必須足夠小，才能確保面積/能量計算精度。這使得面元數(shù)量巨大，占用大量內(nèi)存，且遍歷速度緩慢。如專利申請?zhí)枮閏n?200910046129.5的發(fā)明專利《一種針對點光源配光透鏡的設(shè)計方法》，采用ray?mapping方法，具體步驟如下：(1)設(shè)置自由曲面初始結(jié)構(gòu)，(2)設(shè)定光源空間能量分布與透鏡出射光能量，(3)建立入射光矢量與出射光矢量的關(guān)系式方程，(4)將步驟3和步驟2得到的方程結(jié)合，獲得透鏡自由曲面的離散點，(5)將離散點擬合得到曲面，并由曲面獲得實體。該方案需要建立和求解光學(xué)曲面，要先求解光學(xué)曲面的表面離散數(shù)據(jù)點，再將離散點擬合形成曲面。再如專利申請?zhí)枮閏n202111638887.3的發(fā)明專利《汽車燈具投影模組》公開了一種利用自由曲面實現(xiàn)動態(tài)投影效果的模組及設(shè)計方法，所涉及的設(shè)計方法同樣為先建立初始點，然后根據(jù)已知點的坐標和曲面在已知點的局部法向量，求出臨近點的坐標，并逐步求出整個自由曲面的點坐標和面型。

3、為此，需要設(shè)計一種計算量少，占用內(nèi)存少、計算精度高的樣條面計算方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)樣條面計算方法存在計算量大、計算過程繁瑣、計算速度慢的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法來解決上述問題。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，包括以下步驟：以平行目標光的表面為xy面，以垂直目標光的方向為z軸方向，根據(jù)初始參數(shù)建立初始光學(xué)樣條面，選擇初始控制點。

3、在xy面內(nèi)優(yōu)化：利用面元系數(shù)調(diào)整控制點，直至每個控制點的四個頂角處的面元系數(shù)偏差在1％以內(nèi)；根據(jù)新的控制點調(diào)整光學(xué)樣條面。

4、在z軸方向優(yōu)化：利用法向量調(diào)整控制點，直至同一x值和y值下，相鄰控制點的曲面法向量與目標法向量的z值偏差在1％以內(nèi)，根據(jù)新的控制點調(diào)整光學(xué)樣條面。

5、進一步的，在xy面內(nèi)優(yōu)化時，控制點的調(diào)整方法包括以下步驟：

6、s11：設(shè)定計算控制點周圍面元系數(shù)的迭代值。

7、s12：計算控制點四個頂角處的面元系數(shù)。

8、s13：若四個面元系數(shù)的偏差在1％以內(nèi)，則進入步驟s17；若四個面元系數(shù)的偏差大于1％，則進入步驟s14。

9、s14：根據(jù)步驟s13中計算的面元系數(shù)，計算新的控制點與原控制點的x值和y值的偏移量。

10、s15：根據(jù)偏差量計算新的控制點坐標。

11、s16：執(zhí)行步驟s12。

12、s17：控制點計算結(jié)束。

13、進一步的，在z軸方向優(yōu)化時，控制點的調(diào)整方法包括以下步驟：

14、s21：確定基準控制點，計算基準控制點與相鄰控制點的曲面法向量，根據(jù)折射定律計算基準控制點與相鄰控制點間的目標法向量。

15、s22：在給定x值和y值的情況下計算曲面法向量和目標法向量對應(yīng)的z值，若兩者的偏差在1％以內(nèi)，則進入步驟s25；若兩者的的偏差大于1％，則進入步驟s23。

16、s23：根據(jù)步驟s22中計算的曲面法向量z值調(diào)整與基準控制點相鄰的控制點的z值，生成新的基準控制點。

17、s24：執(zhí)行步驟s21。

18、s25：控制點計算結(jié)束。

19、進一步的，所述初始參數(shù)包括曲面階數(shù)、曲面段數(shù)、節(jié)點矢量、入射光角度、入射介質(zhì)折射率、出射光角度、出射介質(zhì)折射率。

20、進一步的，所述面元系數(shù)的計算公式為：

21、

22、其中，(u，v)表示光學(xué)樣條面的面元矢量，s表示光學(xué)樣條面的面元在xy面上的投影面積。

23、進一步的，所述光學(xué)樣條面上任意一點的曲面法向量計算公式為：

24、n(u，v)＝s′u×s′v

25、其中，s′u和s′v為光學(xué)樣條面在(u，v)處的切向量。

26、進一步的，新的控制點由原控制點向面元系數(shù)較大的方向偏移，且偏移量小于迭代值。

27、進一步的，所述初始光學(xué)樣條面為p次b樣條曲線，曲面公式為：

28、

29、其中，{p0＝[x0，y0，z0]}是初始控制點坐標，u和v分別為u方向和v方向的節(jié)點矢量，節(jié)點矢量u＝{0，…，0，a，…，a，b，…，b，1，…，1}，其中包含p+1個0，p個a，p個b和p+1個1，0＜a＜b＜1。

30、進一步的，所述光學(xué)樣條面在xy面內(nèi)的投影為矩形區(qū)域，目標光分布為位于矩形區(qū)域內(nèi)的十字形區(qū)域。

31、進一步的，控制點p0～pp、pp～p2p、p2p～p3p、p3p～p4p分別為線性分布。

32、本發(fā)明的有益效果是：

33、本發(fā)明精簡了光學(xué)自由曲面的計算過程，根據(jù)對控制點周邊局部參數(shù)的計算，調(diào)整自由曲面控制點，生成的自由曲面采用b樣條函數(shù)描述，從而減少過程數(shù)據(jù)，節(jié)省計算機內(nèi)存，提高計算效率，顯著減少計算時間，生成的自由曲面格式通用、數(shù)據(jù)精簡，可直接用于后續(xù)的數(shù)據(jù)縫合、剪切等處理。

技術(shù)特征：

1.一種生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：在xy面內(nèi)優(yōu)化時，控制點的調(diào)整方法包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：在z軸方向優(yōu)化時，控制點的調(diào)整方法包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：所述初始參數(shù)包括曲面階數(shù)、曲面段數(shù)、節(jié)點矢量、入射光角度、入射介質(zhì)折射率、出射光角度、出射介質(zhì)折射率。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：所述面元系數(shù)的計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：所述光學(xué)樣條面上任意一點的曲面法向量計算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：新的控制點由原控制點向面元系數(shù)較大的方向偏移，且偏移量小于迭代值。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：所述初始光學(xué)樣條面為p次b樣條曲線，曲面公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：所述光學(xué)樣條面在xy面內(nèi)的投影為矩形區(qū)域，目標光分布為位于矩形區(qū)域內(nèi)的十字形區(qū)域。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，其特征在于：控制點p0～pp、pp～p2p、p2p～p3p、p3p～p4p分別為線性分布。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種生成和優(yōu)化光學(xué)樣條面的方法，包括以下步驟：以平行目標光的表面為XY面，以垂直目標光的方向為Z軸方向，根據(jù)初始參數(shù)建立初始光學(xué)樣條面，選擇初始控制點。在XY面內(nèi)優(yōu)化：利用面元系數(shù)調(diào)整控制點，直至每個控制點的四個頂角處的面元系數(shù)偏差在1％以內(nèi)；根據(jù)新的控制點調(diào)整光學(xué)樣條面。在Z軸方向優(yōu)化：利用法向量調(diào)整控制點，直至同一X值和Y值下，相鄰控制點的曲面法向量與目標法向量的Z值偏差在1％以內(nèi)，根據(jù)新的控制點調(diào)整光學(xué)樣條面。本發(fā)明精簡了光學(xué)自由曲面的計算過程，根據(jù)對控制點周邊局部參數(shù)的計算，調(diào)整自由曲面控制點，減少過程數(shù)據(jù)，節(jié)省計算機內(nèi)存，提高計算效率。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭賢良,程哲,徐悅佳
受保護的技術(shù)使用者：常州星宇車燈股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26