CN106641793B - 一种基于光量子度量非均匀照射的二次光学透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，满足非均匀性光子照度需求，包括：将光源与被照射面划分网格，找到光源与被照射面之间的对应关系，计算得出自由曲面法向量，根据法向量方向构建自由曲面，并填充成为透镜，代入光学模拟软件，进行模拟计算，如果得到被照射面的光子照度非均匀度不能满足要求，重复以上步骤，并修改网格参数，直到被照射面的非均匀光子照度满足要求。

Description

一种基于光量子度量非均匀照射的二次光学透镜设计方法

技术领域

本发明涉及非成像光学，特别地涉及一种基于光量子度量非均匀的二次光学透镜的设计方法。

背景技术

随着植物生理学、动物学、光学技术、LED技术的急速发展以及中国设施农业尤其是温室和大棚数量以及大型养殖厂的不断增加，大功率LED应用到动植物光照也越来越多。对于植物补光的情况下，需对普通植物光照LED灯具进行二次光学设计，以获得合适的透镜来满足光学不均匀度的需求(因为根据补光情况下，考虑太阳光的照射，太阳照射弱的地方，需要提供LED的光就会强，否则提供的光就会弱，这样就需要光子照度的非均匀性设计)。但是目前市面上所有进行的二次光学设计均采用辐射度单位体系和光度单位体系，例如采用能量守恒定律，这种方法并没有针对植物光照的采用光量子度量系统的二次光学设计。目前光度系统针对人眼而设计，并不适合动物的光学设计，基于光量子度量系统的二次光学设计相比较光度系统也更符合动物光照的需求。大量资料表明，植物进行光和作用光化学反应时，吸收的光以其光子数目来计算，所以目前的二次光学设计的两个衡量单位体系辐射度和光度还不能满足植物光照灯具多色混光的二次光学设计的需求。需要建立一种基于光量子度量的二次光学透镜的非均匀性光照设计方法，此种方法可以满足动植物光照需求，产业化前景好，能随着植物光照的不断发展而进行爆发期。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，该方法满足非均匀性光照设计，用于解决目前的光度系统针对人眼而设计，并不适合动物的问题以及解决二次光学设计的两个衡量单位体系辐射度和光度还不能满足植物光照灯具多色混光的二次光学设计的需求的问题等。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，所述二次光学透镜用于将光源发出的光折射至被照射面，其特征在于，包括：

S1、将被照射面按照光子照度需求划分成至少一个网格，所述光子照度需求为非均匀光子照度；

S2、将光源划分成与被照射面相同数量的网格，并与被照射面网格存在相对位置的一一对应关系，使得每个网格内光源出射的光子数满足相对应的被照射面的光子照度需求；

S3、根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需的入射光线方向根据斯涅尔定律计算得到自由曲面，使得根据光源划分的网格的每个位置上出射的光线与相对应的根据被照射面划分的网格的位置的入射光线的交叉点在该自由曲面上；

S4、填充自由曲面形成二次光学透镜模型。

上述方案中，每条光线损失的光子数忽略不计。

上述方案中，所述一一对应关系符合边缘光线原理，即光源划分的网格的边缘网格对应照射面划分的网格的边缘网格，光源划分的网格的中心网格对应照射面划分的网格的中心网格。

上述方案中，所述步骤S3包括：

S3.1、根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需的入射光线方向根据斯涅尔定律计算得到控制网格；

S3.2、计算控制网格节点的法向量；

S3.3、根据控制网格节点的法向量计算出网格节点的切向量；

S3.4、根据网格节点的切向量连接形成自由曲面。

上述方案中，所述步骤S4之后还包括：

S5、模拟光源通过步骤S4获得的二次光学透镜模型照射到被照射面，判断被照射面是否达到非均匀光子照度分布需求；若未达到非均匀光子照度分布需求，则前进到步骤S6，否则结束；

S6、改变划分光源与被照射面的网格参数，返回步骤S1，所述网格参数包括网格密度和网格形状。

(三)有益效果

本发明相比较辐射度量和光度量的二次光学设计在植物光照灯具光学设计等领域更加精确，使得植物光照灯具的使用面上的光子照度特定非均匀性更准确，而不是其使用面上光照度和光辐射度特定非均匀性更准确，更能满足植物对补光和动物对补光和诱光的需求，更有利于动植物的生长，使用广泛，可以应用于大型养殖厂、温室、大棚补光灯或者植物工厂等领域。

附图说明

图1是本发明实施例的一种光量子度量的二次光学透镜的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例的将被照射面和光源划分网格并确定一一对应关系的示意图；

图3是本发明实施例的计算得出自由曲面控制网格的节点法向量的示意图；

图4为本发明实施例的通过分析自由曲面的节点法向量而形成曲面的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明实施例提供的一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，满足光子数和/或光子通量守恒定律、边缘光线定理、光束扩展度守恒定理、几何光学原理。所述光量子度量包括光子数、光子通量、光子照度、光子强度、光子亮度以及光子出射度。

光子数守恒定律是考虑从光源到被照射面，每条光线所走过的路线差与走过的路线长度相比可以忽略不计，所以假定每条光线损失的光子数目或者损失的光子数目差别忽略不计。

光子通量守恒定律是考虑从光源到被照射面，每条光线所走过的路线差与走过的路线长度相比可以忽略不计，所以假定单位时间内每条光线损失的光子数目或者损失的光子数目差别忽略不计。

边缘光线定理是考虑光源划分的网格与被照射面划分的网格存在相对位置的一一对应关系；即光源划分的网格的边缘网格对应照射面划分的网格的边缘网格，光源划分的网格的中心网格对应照射面划分的网格的中心网格。

光束扩展度守恒定理指的是，每条出射光的光束扩展度随着光线的延伸而不会发生变化。

几何光学原理指的是，光源的光经过透镜到达被照平面要满足折射定律和光的独立传播定律和光的直线传播定律。

图1是本发明实施例的一种光量子度量的二次光学透镜的设计方法的流程图。

如图所示，在步骤S1，划分被照射面网格。根据本发明实施例，将被照射面按照光子照度需求划分成至少一个网格，所述光子照度需求为非均匀光子照度。在本发明实施例中，所述将被照射面按照光子照度需求划分成至少一个网格包括按照光子照度需求将被照射面划分成形状大小各异的网格。例如可以是多角形的网格，可以是梯形分布的网格，本发明不限制网格的形状和大小以及分布。例如，如图2所示，包括光源8、被照射面7以及一一对应关系6。将被照射面7划分成5x5的25个网格711，按照光子照度需求，最外圈的16个网格所需光子数相同，中间一圈的8个网格712所需光子数相同，但是最外圈与中间一圈以及最中心的一个网格之间所需的光子数不相同。

在步骤S2，划分光源网格。根据本发明实施例，将光源划分成与被照射面相同数量的网格，并与被照射面网格存在相对位置的一一对应关系，使得每个网格内光源出射的光子数满足相对应的被照射面的光子照度需求。所述一一对应关系符合边缘光线原理，即光源划分的网格的边缘网格对应照射面划分的网格的边缘网格，光源划分的网格的中心网格对应照射面划分的网格的中心网格。在本发明实施例中，将一次封装后的光源8近似一条含特定特小立体角出射与被照射面7的某一特定区域设定一一对应关系。满足光子数守恒定律和边缘光线原理。例如，如图2所示，包括光源8、被照射面7以及一一对应关系6。将光源8划分为与被照射面7数量相同的25个网格，光源8划分的网格的边缘网格16个即最外圈圆环中的网格811，对应被照射面7划分的网格的边缘网格16个即矩形最外圈的网格711，光源8划分的网格的中间圈网格8个即中间圈圆环中的网格812，对应被照射面7划分的网格的中间网格8个即矩形中间圈的网格712，如图2中对应关系6所示；光源8划分的网格的中心网格1个即最内圈圆表示的网格，对应被照射面7划分的网格的中心网格1个即矩形最中心1x1表示的网格，如图2中对应关系6所示。如图2所示，光源最外圈与中间一圈以及中心圆的网格出射的光子数不同，用不同的填充线表示。

在步骤S3，计算得到自由曲面。根据本发明实施例，根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需照射的光线方向根据斯涅尔定律计算得到自由曲面。所述计算得到自由曲面包括：根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需照射的光线方向根据斯涅尔定律得到控制网格；计算得到控制网格节点的法向量；根据控制网格节点的法向量计算出网格节点的切向量；根据网格节点的切向量连接形成自由曲面。例如，如图3所示，包括被照射面7、光源8、控制网格9、入射光线10、出射光线11以及控制网格法向量12。根据光源8的各个网格的出射光线11以及被照射面7的相对应的各个网格入射光线12的交接点以及斯涅尔定律确定控制网格9。结合斯涅尔定律确定出射光线11到入射光线12需要的折射角度，以此确定控制网络9的法向量12。如图4所示，包括控制网格法向量12、控制网格切向量13。将控制网格法向量12转化为控制网格切向量13，并连接控制网格切向量13形成自由曲面。

在步骤S4，填充自由曲面形成二次光学透镜。根据本发明实施例，将自由曲面填充透镜形成二次光学透镜或二次光学透镜模型。

在步骤S5，建造模型，判断被照射面是否达到非均匀光子照度分布需求。根据本发明实施例，利用tracepro、lighttools等光学模拟软件根据上述所得到的透镜模型建模并结合光源特性进行模拟计算，如果计算被照射面非均匀光子照度分布不能满足要求，则进行步骤S6，否则结束。

在步骤S6，调整网格密度。根据本发明实施例，若被照射面非均匀光子照度分布不满足需求，则重新调整网格参数，包括调整网格密度和网格形状等，重复步骤S1至S5。例如，如果被照射面的非均匀光子照度分布还未满足所需的分布标准，则增加划分网格的密度。所述网格形状不限定为正方形，还可以是多边形，不规则图形等。

根据本发明实施例，如果上述设计的透镜已经满足被照射面非均匀光子照度分布需求，则认为二次光学透镜设计已经完成。后续可以工业加工上述二次光学透镜以制成成品。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，所述二次光学透镜用于将光源发出的光折射至被照射面，其特征在于，包括：

S1、将被照射面按照光子照度需求划分成至少一个形状大小各异的网格，所述光子照度需求为非均匀光子照度；

S2、将光源划分成与被照射面相同数量的网格，并与被照射面网格存在相对位置的一一对应关系，使得每个网格内光源出射的光子数满足相对应的被照射面的光子照度需求；

S3、根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需的入射光线方向根据斯涅尔定律计算得到控制网格，计算控制网格节点的法向量，根据控制网格节点的法向量计算出网格节点的切向量，根据网格节点的切向量连接形成自由曲面，使得根据光源划分的网格的每个位置上出射的光线与相对应的根据被照射面划分的网格的位置的入射光线的交叉点在该自由曲面上；

S4、填充自由曲面形成二次光学透镜模型。

2.根据权利要求1所述的基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，其特征在于，每条光线损失的光子数忽略不计。

3.根据权利要求1所述的基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，其特征在于，所述一一对应关系符合边缘光线原理，即光源划分的网格的边缘网格对应照射面划分的网格的边缘网格，光源划分的网格的中心网格对应照射面划分的网格的中心网格。

4.根据权利要求1所述的基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：

S5、模拟光源通过步骤S4获得的二次光学透镜模型照射到被照射面，判断被照射面是否达到非均匀光子照度分布需求；若未达到非均匀光子照度分布需求，则前进到步骤S6，否则结束；

S6、改变划分光源与被照射面的网格参数，返回步骤S1，所述网格参数包括网格密度和网格形状。

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