基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法，其特征是：具体步骤为：对光源和目标照明平面进行网格划分，建立光源与目标面的映射关系，利用迭代的方式形成一个初始的自由曲面面型，根据扩展光源目标面的照度情况对每一条迭代曲线建立反馈系数，对网格点进行修正并建立新的映射关系，最终形成了均匀性良好、能量利用率高的目标面中心无光照度的自由曲面透镜。本发明专利技术设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度良好、光能利用率较高，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法


[0001]本专利技术涉及一种LED自由曲面透镜设计方法。

技术介绍

[0002]LED光源具有低碳环保、能源消耗低、发光效率高、寿命长、显色性好等优势，其光强近似朗伯分布，不适合直接应用于照明之中，需要配合特定的光学元件才能达到照明要求。二次光学设计基于非成像光学理论，能使被照区域在具有均匀照度分布的同时，获得较高的光能利用率。目前的LED路灯，多为产生矩形区域的透镜和反射器，对于自由曲面透镜的设计方法，Pablo等人提出SMS同步多曲面设计方法，同时设计两个折射面，可以实现两组入射波前和出射波前的转换，可以更精确地控制光源的出射光线，而且也可以使得整个照明系统的结构更加的紧凑，但整体过程较为复杂。Wang等人提出能量映射法，通过建立点光源与目标面的映射关系，计算法向量和离散点来确定透镜的表面，从而建立能良好控制光线的自由曲面透镜。但LED光源为扩展光源，根据光源尺寸的增加会对光照模式产生极大的影响，从而使得光照度情况产生极大的恶化。如何解决因为扩展光源问题造成的目标区域照度分布不均匀，成为了国内外科研工作者在LED二次光学设计方面的一大难题。为解决上述问题，王恺等人在能量对应关系中对每个网格添加反馈系数[18
‑
20]，建立新的对应关系并对曲面离散点进行求解，如此反复，最终达到预期的设计目的，但这种方法工作量很大，而且会因为网格的细分而增加难度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度良好、光能利用率较高的基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法。
[0004]本专利技术的技术解决方案是：
[0005]一种基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法，其特征是：具体步骤为：对光源和目标照明平面进行网格划分，建立光源与目标面的映射关系，利用迭代的方式形成一个初始的自由曲面面型，根据扩展光源目标面的照度情况对每一条迭代曲线建立反馈系数，对网格点进行修正并建立新的映射关系，最终形成目标面中心无光照度的自由曲面透镜。
[0006]还分别对尺寸为1mm
×
1mm、2mm
×
2mm、4mm
×
4mm的光源进行模拟仿真。
[0007]本专利技术设计的自由曲面透镜在照明区域内的均匀度良好、光能利用率较高，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0008]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0009]图1是光源与目标面的网格划分示意图；
[0010]其中：(a)光源网格；(b)环形目标面网格；(c)方框形目标面网格划分；
[0011]图2是迭代建立自由曲面示意图；
[0012]其中：(a)建立自由曲线；(b)建立初始的自由曲面面型；
[0013]图3是图3本专利技术流程图。
具体实施方式
[0014]一种基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法，具体步骤为：对光源和目标照明平面进行网格划分，建立光源与目标面的映射关系，利用迭代的方式形成一个初始的自由曲面面型，根据扩展光源目标面的照度情况对每一条迭代曲线建立反馈系数，对网格点进行修正并建立新的映射关系，最终形成了均匀性良好、能量利用率高的目标面中心无光照度的自由曲面透镜。
[0015]还分别对尺寸为1mm
×
1mm、2mm
×
2mm、4mm
×
4mm的光源进行模拟仿真。
[0016]具体设计方法过程：
[0017]1设计
[0018]1.1建立光源与目标面的映射关系
[0019]假设光源为点光源，光源网格以两极为中心沿着经线方向展开，与高纬度向低纬度逐渐展开的辐射环带对应，要求目标面每个网格的面积相等，光源与目标面网格对映关系如图1所示。在光源和目标照明面分别按照经线方向(光线与z轴的夹角θ)分为n份，按照纬线方向(光线与x轴的夹角φ)分为m份，点光源位于坐标原点o，(a)中的虚线表示扩展光源情况优化后的光源网格。
[0020]对于LED光源，假设所设计的自由曲面透镜为理想的光学元件，由非成像光学中的光学扩展量守恒原理，出射光通量为：
[0021][0022]式中E0为照射平面的照度，I0为出射光光强，S为目标面的照射面积。由于光源与目标面具有轴对称性，以1/4个系统为例，若目标面实现了理想中的均匀照明，则目标面每个网格的光通量为：
[0023][0024]其中(i＝1,2,3,...,n)。
[0025]1.2建立初始的自由曲面
[0026]通过迭代建立自由曲面如图2所示，假设空气的折射率为1，透镜材料的折射率为n，根据斯涅耳定律的矢量形式：
[0027][1+n2‑
2n
·
(Out
·
In)]1/2
·
N＝Out
‑
n
·
In
ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]其中Out为出射光单位矢量，In为入射光单位矢量。由自由曲线上一点的坐标Q(j,i)(Qx,Qy,Qz)和目标面上该点对应的坐标可以确定该点的In和Out，从而确定Q(j,i)对应的法向量Nj,i；
[0029](N
x
,N
y
,N
z
)，从而得到一个与法向量N
j,i
垂直的平面l
j,i
，表示为
[0030]N
x
·
(Q
x
(j,i+1)
‑
Q
x
)+N
y
·
(Q
y
(j,i+1)
‑
Q
y
)+N
z
·
(Q
z
(j,i+1)
‑
Q
z
)＝0
ꢀꢀꢀ
(4)
[0031]可以得到自由曲线上下一个点的坐标:
[0032][0033][0034]从而得到一条连续的自由曲线Q
j
，最终得到每一条自由曲线。
[0035]运用Matlab进行编程计算出每一条曲线的离散点数据，将其导入到Solidworks中，得到初始的自由曲面面型，然后对材料参数进行设定，建立初始的曲面透镜模型。
[0036]1.3建立反馈系数进行优化
[0037]在曲线求解过程中，除了迭代初始点，下一点的数据信息完全是通过上一点得出的，尽管王恺等人引入了偏差角θ
d
来规范迭代过程中计算法向量与实际法向量之间的误差，但仍不可避免会产生误差且误差会在迭代过程中逐渐变大；在建立光源与目标面的映射关系时，自由曲面透镜的尺寸远远小于光源到目标面的距离，将自由曲面到目标面的距离近似为光源到目标面的距离也会产生误差；通过放样的方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双向反馈网格法的LED自由曲面透镜设计方法，其特征是：具体步骤为：对光源和目标照明平面进行网格划分，建立光源与目标面的映射关系，利用迭代的方式形成一个初始的自由曲面面型，根据扩展光源目标面的照度情况对每一条迭代曲线建立反馈系数，对网格点进行修正并建立新的映射关系，最终形成目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国华，杨超，范婷婷，缪建文，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：