CN103020386B - 一种新型led光学设计反馈优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED照明技术领域，尤其是涉及一种针对LED透镜的自由曲面进行优化的新型LED光学设计反馈优化方法。该方法包括：1）、对已建立的透镜模型的自由曲面和目标面进行网格划分，2）、计算目标面的照度分布，3）、引入等差数列并根据计算的实际照度调节目标面网格或自由曲面网格大小，4）、调节LED透镜的自由曲面。本发明根据偏差对照度连续影响的特点，引入以等差数列形式分布的反馈系数对设计进行优化，优化方法操作简单，大幅减少设计过程的工作量。

Description

一种新型LED光学设计反馈优化方法

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，尤其是涉及一种针对LED透镜的自由曲面进行优化的新型LED光学设计反馈优化方法。

背景技术

由于LED相对于传统照明光源具有节能、环保、使用寿命长、反应速度快等优点，大功率LED照明技术引起了国内外光源界的普遍关注，已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品，LED照明产品的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。由于LED发出的光近似朗伯型，与传统光源有较大不同，不能直接用于现有的照明系统。因此，为了更好的将LED作为照明光源，研究大功率LED光源的二次光学系统配光设计，合理分配LED芯片的光能显得尤为迫切。在当前的LED自由曲面光学设计中，由于目标面平面与光源的距离远远大于光源的尺寸，光源的大小与光学系统相比也可忽略，所以常用点光源来近似代替实际光源；通过网格的细分，再结合边缘光线理论，近似认为网格结点代表整个网格。通过这些近似，将实际的问题简单化，最终建立起透镜模型。对于大功率LED自由曲面光学设计，由于上述近似，实际得到的仿真结果与预期效果存在较大偏差。近来，为了减小这些偏差，获得更好的结果，人们引入不同的反馈修正方法。但是，这些方法总体来说操作复杂，有的方法得到的结果也较差。

《液晶与显示》期刊在2008年10月第23卷第5期的第589页至593页中刊登了一篇“自由曲面的LED路灯透镜的设计”，该透镜设计方法采用边缘光线扩展度（Etendue）守恒的原理创建了一套自由曲面控制网络的节点矢量的精确计算方法。该计算方法结合了边缘光线原理以及光源的扩展度守恒（Etendue Conservation），光源经过光学系统到达目标面是个数学映射关系。通过自由曲面的边缘的那部分光线经过映射后，也对应于目标面的边缘，自由曲面中间连续的部分，经过映射后，也在目标面中间形成连续的分布。如果光学系统没有损耗，则光学系统的光源及目标面的扩展度是守恒的，因此可将目标面与自由曲面分割成等量的网格，目标面的节点与自由曲面的节点一一对应。再根据目标面节点的位置以及法线矢量就可以对应的精确计算出自由曲面的控制网格的节点矢量，从而生成所需要的自由曲面。该设计方法虽然可以根据目标面来生成自由曲面，但在目标面的照度不一致，即照射亮度不均匀，使用效果不佳。

发明内容

本发明为解决现有技术中，针对LED透镜的自由曲面的设计方法存在较大偏差及优化方法过于复杂等问题，提出一种新型的LED光学设计反馈优化方法，这种方法操作简单，用其设计的LED自由曲面可以很好的达到预期效果，并且适用于照明设计。

本发明所采用的技术方案是：提出一种基于等差数列的新型反馈优化方法，按照等差数列的分布形式修正光源或者目标面的网格划分，从而改变各网格对应的光通量，进而改变目标面的照度分布，与各种误差对模型的影响相抵消，最终使得透镜的自由曲面得到优化，进而得到预期的效果。

一种新型LED光学设计反馈优化方法，包括以下步骤：

1)      对已建立的透镜模型的自由曲面和目标面进行网格划分，在自由曲面和目标面上均生成M行、N列个网格，根据入射光线以及出射光线的对应关系，将自由曲面网格与目标面网格进行一一对应；

目标面上照度分布与光通量及照明面积的关系为：E(i,j)=Φ(i,j)/S(i,j)，其中，E(i,j)为第i行，第j列网格的照度值，Φ(i,j)为照射到该网格的光通量，S(i,j)为该网格的面积；

2)        计算E(i,j)，通过将透镜模型放在TracePro中仿真分析，得到E(i,j)，如果E(i,j)>平均值E₀，则减小对应自由曲面的网格的面积或增大目标面的网格的面积，减小Φ(i,j)的光通量，直到E(i,j)=平均值E₀；如果E(i,j)<平均值E₀，则增大对应自由曲面的网格的面积或减小目标面的网格的面积，增大Φ(i,j)的光通量，直到E(i,j)=平均值E₀；

其中，步骤2中，当E(i,j)大于或小于平均值E₀时，在对目标面的网格调节时，采用以下方法：

由于自由曲面的表面是曲面，因此目标面的照度变化是线性变化（连续变化），当目标面的C方向上照度分布存在偏差时，引入等差数列作为反馈系数，该方向上的目标面的网格数为M，引入的等差数列为a₁、a₂、a₃…… a_M；调整后目标面上各网格的面积为：S′(i,j)=(P(k)-P(k-1))/P(M)×S_max，其中，S′(i,j)为优化调整后目标面上第i行，第j列网格的面积，P(k)是等差数列a₁、a₂、a₃…… a_M的前k项和，S_max为M个网格的面积总和；如果需要调整的区域沿选定C方向由照度偏大变化到照度偏小，则等差数列的初值选取应为a₁>a_M，否则应选取为a₁<a_M。

调节后，如果该方向上的照度还存在偏差，重复上述步骤，直到消除偏差或偏差在控制范围内，如1%以下。

目标面网格调节后，根据自由曲面和目标面的对应关系，对自由曲面进行优化调整。

这里的C方向为某一任意方向，为方便理解这里标识为C方向。

其中，步骤2中，当E(i,j)大于或小于平均值E₀时，在对自由曲面调节时，采用以下方法：

由于自由曲面的表面是曲面，因此目标面的照度变化是线性变化，当目标面的A方向上照度分布存在偏差时，该方向上的目标面的网格数为M，引入等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M作为反馈系数；由于目标面的网格与自由曲面的网格是一一对应的，因此将目标面的A方向上M个网格对应到自由曲面上的B方向上M个网格，调整后自由曲面的网格的光通量为：Φ′(i,j)= (P(k)-P(k-1))/P(M)×Φ_max，其中，Φ′(i,j)为优化调整后光源划分第i行，第j列网格的光通量，Φ_max为M个网格的光通量之和，P(k)是等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M的前k项和；

如果需要调整的区域的照度沿B方向由大变小，则等差数列的初值选取应为b₁<b_M，否则应选取为b₁>b_M。

调节后，如果该方向上的照度还存在偏差，重复上述步骤，直到消除偏差或偏差在控制范围内，如1%以下。

这里A方向为目标面的任一方向，B方向为自由曲面上与A方向相对应的一个方向。

本发明的原理是：反馈优化设计就是通过目标面的照度分布，反过来调整网格对应关系进而使目标面上的照度重新分布以达到预期要求，目标面上照度分布与光通量及照明面积的关系为：E(i,j)=Φ(i,j)/S(i,j)，其中，E(i,j)为第i行，第j列网格的照度值，Φ(i,j)为照射到该网格的光通量，S(i,j)为该网格的面积。例如目标面某个网格对应的照度为E，而平均值为E₀，如果E>E₀，就需要将对应光源网格缩小以减少其光通量或者增大目标面的网格以增大照射面积从而降低该网格的照度值，反之，则需增大光源网格以增大其光通量或者减小目标面的网格以减小照射面积从而增大该网格的照度值。

正向反馈优化方法是对光源的网格划分不变，通过目标面网格的扩大与缩小来调整照度分布情况。比如说某一网格预期平均照度值是E₀，而实际是E，如果E>E₀，就增大目标面平面的该网格的面积，反之，则缩小该网格的面积。这是因为在光源网格划分不变的情况下，与该网格对应的光通量是不变的，通过改变目标面网格的面积可以调整该网格的照度分布。沿某一照度分布存在偏差的方向引入项数为M的等差数列a₁、a₂、a₃…… a_M作为反馈系数，M为需要调整的区域沿选定方向划分的网格数，调整后目标面上各网格的面积为：S′(i,j)=(P(k)-P(k-1))/P(M)×S_max，其中，S′(i,j)为优化调整后目标面上第i行，第j列网格的面积，P(k)是等差数列a₁、a₂、a₃…… a_M的前k项和。若沿横向方向调整优化，则k=i，若沿纵向方向，则k=j。如果需要调整的区域沿选定方向由照度偏大变化到照度偏小，则等差数列的初值选取应为a₁>a_M，否则应选取为a₁<a_M。

逆向反馈优化方法是对目标面的网格划分不变，通过对光源网格划分的改变来调整目标面的照度分布。在目标面网格照明面积不变情况下，通过改变照射到该网格的光通量可以调整其照度分布。比如说某一网格预期平均照度值是E₀，而实际是E，如果E>E₀，那么就需要将其对应的光源网格面积缩小以减少光通量，反之，则需增加光源网格面积以增大光通量。在沿某一照度分布存在偏差的方向引入项数为M的等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M作为反馈系数，调整后光源各网格的光通量为：Φ′(i,j)= (P(k)-P(k-1))/P(M)×Φ_max，其中，Φ′(i,j)为优化调整后光源划分第i行，第j列网格的光通量，P(k)是等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M的前k项和。 若沿横向方向调整优化，则k=i，若沿纵向方向，则k=j。如果需要调整的区域沿选定方向由照度偏大变化到照度偏小，则等差数列的初值选取应为b₁<b_M，否则应选取为b₁>b_M。

前面所述正向反馈优化方法与逆向反馈优化方法所采取的原理基本相同，但采用不同的实施手段来完成优化设计，我们可根据实际情况选取一种较易实现的方法，也可把这两种方法结合使用以达到更好的优化结果。

本发明的有益效果

一、本发明所述反馈优化设计方法根据偏差对照度分布连续影响的特点，引入以等差数列形式分布的反馈系数对设计进行优化，相比于现有的优化方法，本发明提供的优化方法操作简单，大幅减少设计过程的工作量。

二、本发明所述反馈优化设计方法通过目标面的照度分布，反过来调整网格对应关系进而使目标面上的照度重新分布以达到预期要求，可以很好的达到预期效果，并且适用于大部分的照明设计。

附图说明：

图1为目标面网格调整示意图；

图2为自由曲面网格调整示意图；

图3为自由曲面网格（a）与目标面网格(b)对应示意图；

图4为原始模型与正向及逆向优化模型对比示意图；

图5为原始模型（a）与正向优化模型(b)及逆向优化模型(c)的仿真结果对比示意图。

具体实施方式：

下面结合图1至图5和实施例对本发明做进一步的详述。

实施例：

一种新型LED光学设计反馈优化方法：包括以下步骤：

1、对透镜的自由曲面与目标面进行网格划分，采取图3所示划分方式对自由曲面和目标面进行网格划分，建立相应网格点的对应关系（φ_i,θ_j）——（x_i,y_j）， 其中，φ角为光线方向与LED芯片平面法线方向（即Z轴正向）的夹角，θ角为光线在XOY平面上的投影与X轴正向的夹角。

2.按照建立的对应关系进行表面数据点的迭代求解，将数据点导入三维制图软件SolidWorks中得到初始透镜模型，并对所建模型在TracePro中仿真分析，仿真结果如图5（a）所示。在本实施例的仿真中选用科锐公司XPG系列的LED芯片作为光源，其发光面的尺寸约为1mm,具有近似朗伯型的发光面，透镜材料选用PMMA，其折射率约为1.49。

3.将分析仿真结果与预期效果对比分析，确定具体优化方案。本实施例中由图5（a）可以看出初始模型的照度公布为中心部分比较暗，而向边缘部分逐渐增强。优化时，可以采用以下两种方案。

1）采用正向反馈优化方法，按等差数列的分布方式重新划分目标面网格面积r,在光通量划分不变的情况下，减小中心部分对应网格的照明面积而增大边缘部分对应网格的照明面积，并且使对应网格的照明面积由中心向边缘逐渐递增。如果沿中心至边缘的某一方向的所对应的目标面的网格划分为M个，故引入项数为M的等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M,取b₁=0.6，b_M=1.4，则重新划分的网格面积为r′(i)=r′(i-1)+(p(i)-p(i-1))/p(M) ×r_max，其中，r′(1)为最边缘部分的网格面积，r′(M)为中心网格的面积，P(i)为等差数列中前i项之和，r_max为M个网格的面积之和。由此可得到新的目标面网格坐标。如图1所示，实线为目标面开始划分的网格，虚线为目标面调整后划分的网格。

2）采用逆向反馈优化方法，按等差数列的分布方式重新划分光线方向与LED芯片平面法线方向（即Z轴正向）的夹角φ，在目标面划分不变的情况下增大中心部分的光通量而减小边缘部分的光通量，并且使光通量由中心向边缘逐渐递减。如果沿中心至边缘的某一方向的网格划分为M个，故引入项数为M的等差数列a₁、a₂、a₃…… a_M，取a₁=1.5，a_M=0.5，则重新划分的φ′(i)为：φ′(i)= φ′(i-1)+( p(i)-p(i-1))/p(M) ×φ_max，其中，φ′(1)为最边缘部分的网格面积，φ′(M)为该方向上的中心网格的面积，P(i)为等差数列中前i项之和，φ_max为M个网格的面积之和。由此可得到新的自由曲面的网格坐标。如图2所示，实线为自由曲面开始划分的网格，虚线为自由曲面调整后划分的网格。

4. 分别按照步骤1）和2）的划分方式重新建立网格点正向优化的对应关系以及逆向优化的对应关系（φ_i,θ_j）---（x′_i,y′_j）和（φ′_i,θ′_j）---（x′_i,y′_j），按照新建立的对应关系进行表面数据点的迭代求解，得到优化后的透镜模型，并在相同条件下对所建模型仿真分析，正向优化与逆向优化的仿真结果分别如图5（b）和5（c）所示。

结果表明，本发明所提出的LED光学设计反馈优化方法操作简单，用其设计的LED自由曲面可以很好的达到预期效果。

以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (2)

1.一种新型LED光学设计反馈优化方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1）：对已建立的透镜模型的自由曲面和目标面进行网格划分，在自由曲面和目标面上均生成M行、N列个网格，根据入射光线以及出射光线的对应关系，将自由曲面网格与目标面网格进行一一对应；

目标面上照度分布与光通量及照明面积的关系为：E(i,j)=Φ(i,j)/S(i,j)，其中，E(i,j)为第i行，第j列网格的照度值，Φ(i,j)为照射到该网格的光通量，S(i,j)为该网格的面积；

步骤2）：计算E(i,j)，如果E(i,j)>平均值E₀，则减小对应自由曲面的网格的面积或增大目标面的网格的面积，减小Φ(i,j)的光通量，直到E(i,j)=平均值E₀；如果E(i,j)<平均值E₀，则增大对应自由曲面的网格的面积或减小目标面的网格的面积，增大Φ(i,j)的光通量，直到E(i,j)=平均值E₀；

调节透镜的自由曲面；根据目标面的网格与自由曲面的网格对应关系调节透镜的自由曲面，或根据自由曲面的网格大小的改变，调节透镜的自由曲面；

步骤2）中，当E(i,j)大于或小于平均值E₀时，在对目标面网格调节时，采用以下方法：

当目标面的C方向上照度分布存在偏差时，引入等差数列作为反馈系数，该方向上的目标面的网格数为M，引入的等差数列为a₁、a₂、a₃…… a_M；调整后目标面上各网格的面积为：S′(i,j)=(P(k)-P(k-1))/P(M)×S_max，其中，S′(i,j)为优化调整后目标面上第i行，第j列网格的面积，P(k)是等差数列a₁、a₂、a₃…… a_M的前k项和，S_max为M个网格的面积总和；如果需要调整的区域的照度沿选定C方向由大变小，则等差数列的初值选取应为a₁>a_M，否则应选取为a₁<a_M；C方向为某一任意方向；

调节后，如果该方向上的照度还存在偏差，重复上述步骤，直到消除偏差或偏差在控制范围内；

目标面网格调节后，根据自由曲面和目标面的对应关系，对自由曲面进行优化调整。

2.根据权利要求1所述的一种新型LED光学设计反馈优化方法，其特征在于：步骤2）中，当E(i,j)大于或小于平均值E₀时，在对自由曲面调节时，采用以下方法：

当目标面的A方向上照度分布存在偏差时，该方向上的目标面的网格数为M，引入等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M作为反馈系数；由于目标面的网格与自由曲面的网格是一一对应的，因此将目标面的A方向上M个网格对应到自由曲面上的B方向上M个网格，调整后自由曲面的网格的光通量为：Φ′(i,j)= (P(k)-P(k-1))/P(M)×Φ_max，其中，Φ′(i,j)为优化调整后光源划分第i行，第j列网格的光通量，Φ_max为M个网格的光通量之和，P(k)是等差数列b₁、b₂、b₃…… b_M的前k项和；这里A方向为目标面的任一方向，B方向为自由曲面上与A方向相对应的一个方向；

如果需要调整的区域的照度沿B方向由大变小，则等差数列的初值选取应为b₁<b_M，否则应选取为b₁>b_M；调节后，如果该方向上的照度还存在偏差，重复上述步骤，直到消除偏差或偏差在控制范围内。