一种非成像透镜的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种非成像透镜的设计方法，照明的区域为矩形区域，采用分组的样本曲线构造透镜出射表面，每两条样本曲线为一组，分为主样本曲线和辅助样本曲线，将光源辐射空间和照明区域细分为光通量对应相等的单元，在离散的光线与受照区域网格节点之间建立对应关系，根据主样本曲线上各样本点处的入射和出射光线求解主样本曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，拟合得到所有样本曲线，再求出通过所有样本曲线的自由曲面，作为透镜出射表面。本方法能够减小透镜表面法线方向的偏差，使照明区域内光通量的实际分布与预期分布更加一致，提高照明均匀度和能量利用率。透镜表面没有曲率突变的过渡连接面，便于制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学器件设计方法，特别涉及一种能够在矩形区域形成均匀照明的非成像透镜的设计方法。
技术介绍
非成像透镜通过改变光路将光源辐射的光通量分配到受照面上特定的区域，从而产生所需要的照明效果。固态光源的发光表面尺寸较小，光辐射集中在芯片上方2π立体角的空间中，适于使用透镜实现配光。随着固态照明技术的发展，非成像透镜在照明灯具中得到了广泛应用。在城市道路和室内外大面积场地的照明中，需要对矩形区域提供均匀照明，目前已有多种使用透镜的技术方案被提出，并获得实际应用。一类典型的透镜设计方法是依据能量守恒原理，对光源和受照区域进行细分，在离散的光线和受照区域网格节点之间建立对应关系，然后从选定的起点开始，通过迭代计算出透镜表面样本点的坐标及在各样本点处的法线，从而得到透镜曲面，参见专利“Illuminationlensesdesignedbyextrinsicdifferentialgeometry”(US6273596B1)和“一种三维光学透镜的设计方法及透镜”(CN1928624N)。此类方法存在的一个问题是，所生成的曲面在样本点处的实际法线方向可能偏离计算过程中求出的法线方向，导致受照面上光通量的实际分布与预期分布存在差异，这种差异在矩形受照区域的边缘部分较为明显，并且随着光源相对于受照面倾斜角度的增加，实际分布与预期分布的差异会变得更加显著。
技术实现思路
本专利技术是针对现有透镜设计方法存在的问题，提出了一种非成像透镜的设计方法，在现有方法基础上做出改进，采用分组的样本曲线构造曲面，通过调整组内样本曲线的间距，减小由法线方向偏差导致的光通量分布差异，从而获得更好的照明效果。本专利技术的技术方案为：一种非成像透镜的设计方法，照明的区域为矩形区域，透镜出射表面采用样本曲线构造，共有n+1条样本曲线，依次表示为SL1，SL2，...，SLn+1，每条样本曲线包括m+1个样本点，分组求解样本曲线，每两条样本曲线为一组，一条为主样本曲线，一条为辅助样本曲线，将光源的辐射空间和所述矩形区域细分为光通量对应相等的单元，光源辐射空间按角度细分，将光源离散为(m+1)×(n+1)条光线，在离散的光线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对应关系；根据主样本曲线上各样本点处的入射光线和出射光线求解主样本曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，通过拟合得到所有样本曲线，求出所有样本曲线后，通过拟合得到通过所有样本曲线的自由曲面，作为透镜出射表面。所述将光源辐射空间按角度细分，具体包括：以光源中心为坐标原点O，X轴和Y轴分别与所述矩形区域的宽度和长度方向平行，光源主轴与Z轴重合，矩形区域的对称中心位于XOZ平面内，建立球面坐标系统，X轴为球面坐标系统的主轴，将光源辐射的总立体角Ω细分为m×n个单元，其中m为球面坐标系统中角θ的取值区间A的细分数，n为角的取值区间B的细分数，m和n均取偶数，区间A采用等间隔方式细分，步长Δθ＝Θ/m，其中，Θ为角θ的取值范围；区间B按组等间隔细分，从区间下限开始，每2个细分单元为一组，相邻两组之间的间隔为其中，Φ为角的取值范围，区间B每组内两个单元的步长之比其中，0＜k＜2，i＝1，3，5，...，n-1，在处取一条光线，对应于第i个圆锥面与第j个扇面的交线，整个光源被离散为(m+1)×(n+1)条光线，光源细分单元表示为Ωij，其中，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，由相邻的第i和第i+1个圆锥面和第j和第j+1个扇面围成。所述在离散的光线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对应关系具体包括：与光源细分对应，沿宽度方向将矩形区域细分为m个子矩形，光源在立体角Ωi内发出的光通量与所述矩形区域内第i个子矩形内接收的光通量相等，其中i＝1，2，...，m，由此确定所述矩形区域在宽度方向的细分步长Δx1，Δx2，...，Δxm；沿所述矩形区域长度方向将上述各子矩形分别细分为n个矩形单元Dij，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，在一个矩形单元Dij内接收的光通量与光源细分单元Ωij内的光通量相等，由此计算出各子矩形沿长度方向细分的各个步长，当所述矩形区域内照度均匀分布时，各子矩形沿长度方向细分的步长对应相等，分别为Δy1，Δy2，...，Δyn；在所述矩形区域内形成m×n的网格，在网格节点Tij，i＝1，2，...，m+1，j＝1，2，...，n+1与光源光线Rij，i＝1，2，...，m+1，j＝1，2，...，n+1之间建立了一一对应关系。所述求解主样本曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，具体步骤如下：当n/2为偶数时，先求样本曲线SLn/2+1上的样本点，再分组求出其他样本曲线上的参考点，具体方法如下：1)求样本曲线SLn/2+1上的样本点：1.1)在光源主光轴上取一点(π/2，π/2，r0)作为样本曲线SLn/2+1的计算起点Pij，其中，i＝m/2+1，j＝n/2+1，r0取明显大于光源发光表面尺寸的值；1.2)计算出从光源中心指向Pij的入射光线矢量和从Pij指向受照区域网格节点Tij的出射光线矢量根据折射定律，由入射光线矢量和出射光线矢量求出透镜出射表面在Pij处的法线矢量由此得到经过点Pij并以为法线的平面Sij；1.3)求与相邻的从光源中心指向点P(i-1)j的光线矢量计算与Sij的交点，得到点P(i-1)j；1.4)求与相邻的从光源中心指向点P(i+1)j的光线矢量计算与Sij的交点，得到点P(i+1)j；1.5)对样本曲线SLn/2+1上的各点Pij，i＝m/2，m/2-1，...，2；j＝n/2+1，依次重复步骤1.2)～1.3)，对样本曲线SLn/2+1上的各点Pij，i＝m/2+2，m/2+3，...，m；j＝n/2+1，依次重复步骤1.2)和1.4)，求出样本曲线SLn/2+1上所有样本点；2)对各组样本曲线Gk，k＝n/4，n/4-1，...，1，重复执行以下步骤2.1)～2.7)，求出各组样本曲线的全部样本点；2.1)求出从光源中心指向点Pij的光线矢量计算与平面Si(j+1)的交点，得到点Pij.其中，i＝m/2+1，j＝2k；2.2)按照与步骤1.2)相同的方法，求出点Pij处的法线矢量以及相应的平面Sij；2.3)计算从光源中心指向点Pi(j-1)的光线矢量计算与Sij的交点，得到点Pi(j-1)；2.4)当i＞0时，计算从光源中心指向点P(i-1)j的光线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非成像透镜的设计方法，其特征在于，照明的区域为矩形区域，透镜出射表面采用样本曲线构造，共有n+1条样本曲线，依次表示为SL1，SL2，...，SLn+1，每条样本曲线包括m+1个样本点，分组求解样本曲线，每两条样本曲线为一组，一条为主样本曲线，一条为辅助样本曲线，将光源的辐射空间和所述矩形区域细分为光通量对应相等的单元，光源辐射空间按角度细分，将光源离散为(m+1)×(n+1)条光线，在离散的光线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对应关系；根据主样本曲线上各样本点处的入射光线和出射光线求解主样本曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，通过拟合得到所有样本曲线，求出所有样本曲线后，通过拟合得到通过所有样本曲线的自由曲面，作为透镜出射表面。

【技术特征摘要】
1.一种非成像透镜的设计方法，其特征在于，照明的区域为矩形区域，透镜出
射表面采用样本曲线构造，共有n+1条样本曲线，依次表示为SL1，SL2，...，SLn+1，
每条样本曲线包括m+1个样本点，分组求解样本曲线，每两条样本曲线为一组，
一条为主样本曲线，一条为辅助样本曲线，将光源的辐射空间和所述矩形区域
细分为光通量对应相等的单元，光源辐射空间按角度细分，将光源离散为
(m+1)×(n+1)条光线，在离散的光线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对
应关系；根据主样本曲线上各样本点处的入射光线和出射光线求解主样本曲线
和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，通过拟合得到所有样本曲线，求出所有
样本曲线后，通过拟合得到通过所有样本曲线的自由曲面，作为透镜出射表面。
2.根据权利要求1所述非成像透镜的设计方法，其特征在于，所述将光源辐射
空间按角度细分，具体包括：以光源中心为坐标原点O，X轴和Y轴分别与所
述矩形区域的宽度和长度方向平行，光源主轴与Z轴重合，矩形区域的对称中
心位于XOZ平面内，建立球面坐标系统，X轴为球面坐标系统的主轴，将光源
辐射的总立体角Ω细分为m×n个单元，其中m为球面坐标系统中角θ的取值
区间A的细分数，n为角的取值区间B的细分数，m和n均取偶数，区间A
采用等间隔方式细分，步长Δθ＝Θ/m，其中，Θ为角θ的取值范围；区间B按组
等间隔细分，从区间下限开始，每2个细分单元为一组，相邻两组之间的间隔
为其中，Φ为角的取值范围，区间B每组内两个单元的步长之比
其中，0＜k＜2，i＝1，3，5，...，n-1，在处取一条光线，
对应于第i个圆锥面与第j个扇面的交线，整个光源被离散为(m+1)×(n+1)条光线，
光源细分单元表示为Ωij，其中，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，由相邻的第i和第i+1
个圆锥面和第j和第j+1个扇面围成。
3.根据权利要求2所述非成像透镜的设计方法，其特征在于，所述在离散的光
线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对应关系具体包括：与光源细分对
应，沿宽度方向将矩形区域细分为m个子矩形，光源在立体角Ωi内发出的光通
量与所述矩形区域内第i个子矩形内接收的光通量相等，其中
\ti＝1，2，...，m，由此确定所述矩形区域在宽度方向的细分步长Δx1，Δx2，...，Δxm；沿
所述矩形区域长度方向将上述各子矩形分别细分为n个矩形单元Dij，i＝1，2，...，m，
j＝1，2，...，n，在一个矩形单元Dij内接收的光通量与光源细分单元Ωij内的光通量
相等，由此计算出各子矩形沿长度方向细分的各个步长，当所述矩形区域内照
度均匀分布时，各子矩形沿长度方向细分的步长对应相等，分别为Δy1，Δy2，...，
Δyn；在所述矩形区域内形成m×n的网格，在网格节点Tij，i＝1，2，...，m+1，
j＝1，2，...，n+1与光源光线Rij，i＝1，2，...，m+1，j＝1，2，...，n+1之间建立了一一对应
关系。
4.根据权利要求3所述非成像透镜的设计方法，其特征在于，所述求解主样本
曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，具体步骤如下：
当n/2为偶数时，先求样本曲线SLn/2+1上的样本点，再分组求出其他样本曲线上
的参考点，具体方法如下：
1)求样本曲线SLn/2+1上的样本点：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：施伟斌，翁振克，苏胜君，张学宁，乐燕芬，
申请(专利权)人：上海理工大学，上海宝临防爆电器有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31