申请/专利权人：北京理工大学;清华大学

申请日：2023-12-29

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN117891065A

主分类号：G02B27/00

分类号：G02B27/00

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.04.16#公开

摘要：本发明涉及一种基于多尺度自由曲面表达的扩展光源辐照度调控方法，属于高质量、高能效、高集成性照明领域。本发明通过优化自由曲面系统实现针对扩展光源的辐照度调控，该方法构建了可微的自由曲面蒙特卡罗光线追迹方法对自由曲面系统进行仿真以提升优化效率，提出了多尺度的自由曲面面型表达式用来描述自由曲面不同尺度的特征以提升设计能力，还引入了无约束极小化拉格朗日乘子法约束自由曲面形状和尺寸，该方法能够实现接近菲涅尔损耗极限的能量效率，能够针对扩展光源实现复杂的辐照度调控效果，能够任意调节多个自由曲面的外形和尺寸实现任意紧凑程度的自由曲面系统，是一种设计能力强设计效率高的新方法。

主权项：1.基于多尺度自由曲面表达的扩展光源辐照度调控方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、在指定的扩展光源后按顺序排列K个自由曲面，第k个曲面记为自由曲面k，k＝1,2,...,K，设置每个曲面前后的折射率；扩展光源、自由曲面与目标平面构成自由曲面系统；自由曲面的表达式使用多尺度径向基函数表示为： 式中：u,v为两个空间维度的坐标，g为空间中第三个维度的坐标值，向量u,v,g构成三维空间中的点坐标，式1由n层基函数累加而成，mi表示第i层包含的基函数数量；fi,ju,v；σi是第i层的第j个基函数，具体形式取自高斯函数、B样条函数、多项式函数等；ωi,j为权重参数，h是偏置参数，σi为基函数范围参数；所有的ωi,j记作向量ω，所有σi记作向量σ；在笛卡尔坐标系中，式1的坐标u,v,g对应x,y,z；在球面坐标系中，式1的坐标u,v,g对应其中分别为球面坐标系的天顶角和方位角，ρ为该点到原点的距离；对于自由曲面k，上述参数n,mi,ω,h,σ分别记为：nk,mk,i,ωk,hk,σk；步骤二、给nk,mk,i,ωk,hk,σk,i赋予初值得到初始自由曲面系统，其中nk＝1，参数ωk,hk,σk,i通过对初始曲面进行拟合而得；步骤三、执行可微的自由曲面蒙特卡罗光线追迹，仿真步骤二中的初始自由曲面系统在目标平面形成的辐照度分布E，并计算与预期辐照度分布Et之间的损失函数步骤四、根据步骤三损失函数和自由曲面形状和尺寸约束条件计算总损失函数使用无约束极小化拉格朗日乘子法约束自由曲面形状和尺寸，将其限制在一定空间范围内；对于设置的K个自由曲面的形状和尺寸，存在MM≥0个约束条件，每个约束条件表示为：glν≥0,0≤l≤M式中：ν＝ω1,…,ωK,h1,…,hK,σ1,…,σK，为K个自由曲面的所有参数构成的向量；考虑曲面形状和尺寸的约束条件，总损失函数为： 式中：λl为拉格朗日乘子，参数η控制约束条件的严格程度，M＝0时，步骤五、使用反向传播计算步骤三得到的总损失函数对参数向量ν的梯度gradν，并使用优化器foptim更新向量ν：ν*←foptim[ν；gradν,τ]式中：ν和ν*从ωk,hk,σk中任取参数构成，分别为更新前后自由曲面参数，τ为更新步长，也称学习率，foptim通常为SGD，Adam等优化器；步骤六、反复执行步骤三至五；每执行一遍步骤三至五称为一次优化，每经过一定优化次数后，η增大以使得约束条件逐渐严格，参数λl根据式： 进行调整；式中：为调整后的参数；反复执行步骤三至五，直至总损失函数不再明显降低或者优化次数达到设置的上限值时结束，即完成一阶段优化；步骤七、判断曲面参数量是否达到指定的上限值，若否则执行步骤八，若是则执行步骤九；步骤八、选取步骤1中设置的任意数量自由曲面，在其表达式中增加一层基函数；即对于自由曲面k，将当前nk＝n0设置为nk＝n0+1，增加的第n0+1层中径向基函数的数量为然后，将第n0+1层径向基函数的权重参数添加到向量ωk末尾，参数添加到向量σk末尾；增加参数后，重复执行步骤三至五，实现一个新阶段的优化；步骤九、判断辐照度调控效果是否可接受，若是则直接执行步骤十，若否，则更换步骤二中的损失函数的表达式，执行步骤三至五，完成一个新阶段的优化；步骤十、获得设计的自由曲面系统，其能够调控扩展光源在目标平面形成接近预期辐照度分布Et的辐照度分布E。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京理工大学;清华大学 基于多尺度自由曲面表达的扩展光源辐照度调控方法

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