CN110822302B - 获得均匀面光源的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种获得均匀面光源的方法，既能够获得均匀的面光源，而且还不需要增加原始光源功率，减小了体积和成本。一种获得均匀面光源的方法，包括：获取形成面光源的各个点光源在需要所述面光源照射的区域上的光强分布；基于所述光强分布，获取需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强；基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性；基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能；对所述光强均匀性性能进行优化，得到各个所述点光源的优化后的功率和/或间距。

Description

获得均匀面光源的方法

技术领域

本公开涉及光源领域，具体地，涉及一种获得均匀面光源的方法。

背景技术

目前，通常都是通过在表面或者特殊导光材料内执行漫反射的方式来实现均匀面光源。然而，在每次漫反射过程中都存在光功率损失，导致需要增大原始光源功率，而且还增大了体积和成本。

发明内容

本公开的目的是提供一种获得均匀面光源的方法，既能够获得均匀的面光源，而且还不需要增加原始光源功率，减小了体积和成本。

根据本公开的第一实施例，提供一种获得均匀面光源的方法，包括：获取形成面光源的各个点光源在需要所述面光源照射的区域上的光强分布；基于所述光强分布，获取需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强；基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性；基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能；对所述光强均匀性性能进行优化，得到各个所述点光源的优化后的功率和/或间距。

根据本公开的第二实施例，提供一种获得均匀面光源的装置，包括：光强分布获取模块，用于获取形成面光源的各个点光源在需要所述面光源照射的区域上的光强分布；光强获取模块，用于基于所述光强分布，获取需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强；光强均匀性确定模块，用于基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性；光强均匀性性能确定模块，用于基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能；优化模块，用于对所述光强均匀性性能进行优化，得到各个所述点光源的优化后的功率和/或间距。

上述技术方案具有以下有益效果：(1)利用单个点光源的光强分布获得需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，然后对该光强的均匀性和性能进行评估，最后通过对此评估进行调优，优化了面光源的光强分布，进而优化了面光源的结构和参数设计，例如优化了面光源中各个点光源的排布结构及其功率等。简言之，通过对点光源的发光特性进行建模，优化点光源的排布结构、功率等等参数，以实现均匀面光源。(2)与现有技术相比，不需要导光板或者反射结构，因此减小了光功率损失，提高了能效，简化了面光源的结构，减小了面光源的体积和成本。(3)能够利用高亮度、高发光率、窄光谱、小体积、一致性好的紫外LED灯作为单个点光源，因此最终实现的均匀面光源可以应用于便携设备中，不会影响设备的续航时间。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示出一种示例性的面光源结构示意图。

图2示出面光源以及需要被面光源照射的区域之间的位置关系示意图。

图3示出根据本公开一种实施例的获得均匀面光源的方法的流程图。

图4a和4b分别示出采用根据本公开实施例的获取均匀面光源的方法进行优化之前需要面光源照射的区域中的亮度一致性模拟结果。

图5a和5b分别示出采用根据本公开实施例的获取均匀面光源的方法进行优化之后需要面光源照射的区域中的亮度一致性模拟结果。

图6示出根据本公开一种实施例的获得均匀面光源的装置的示意框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

面光源是由许多点光源形成的光源。可以被用作点光源的光源包括激光、汞灯、LED等。图1示出一种示例性的面光源结构示意图，其中标号1表示点光源，标号2表示点光源1的光学中心，标号L表示点光源1之间的水平排列间距，标号h表示点光源1之间的竖直排列间距，标号WH表示需要被面光源照射的区域的宽度，标号WL表示需要被面光源照射的区域的高度，十字交叉的中心点表示需要被面光源照射的区域的中心。在图1所示的面光源结构中，点光源是对称分布的，但是本领域技术人员应当理解的是，本公开不限制面光源的具体结构，通过根据本公开实施例的获取面光源的方法和装置，不仅能够获得点光源对称分布的均匀面光源，还能够获得点光源非对称分布的面光源。

图2示出面光源以及需要被面光源照射的区域之间的位置关系示意图，其中，标号21表示面光源板，标号22表示面光源板21上的面光源，标号23表示目标表面，标号24表示目标表面23上需要被面光源22照射的区域，标号d表示面光源板21与目标表面23之间的垂直距离。

图3示出根据本公开一种实施例的获得均匀面光源的方法的流程图。如图3所示，该方法包括步骤S31至S35。

在步骤S31中，获取形成面光源的各个点光源在需要面光源照射的区域上的光强分布。其中，单个点光源的光强分布可以利用诸如光强传感器之类的测量设备进行测量，也可以利用预先建立的光强分布模型来获得，还可以从供应商的测试数据中获得。

例如，可以预先建立半球面形、立方体形等等形状的点光源的光强分布模型。举例而言，半球面形点光源的光强分布模块可以为如下的公式(1)所示，利用该光强分布模型，就能够获得各个半球面形点光源在需要面光源照射的区域上的光强分布：

H_i(x,y,z)＝A_i/(2π((x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²)) (1)

其中，i表示第i个点光源；x_i,y_i,z_i表示在以需要面光源照射的区域的中心在面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第i个点光源的坐标，也即，假设需要面光源照射的区域的中心点为C，该中心点C在面光源上的投影为B，则所建立的坐标系是以B作为坐标原点；H_i(x,y,z)表示第i个点光源在需要面光源照射的区域上的、坐标为x,y,z位置处的光强；A_i表示第i个点光源的发光强度参数。

在步骤S32中，基于光强分布，获取需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强。例如，假设面光源包括n个点光源，则在需要面光源照射的区域上的某个位置F处的光强为：

其中，(x,y,z)表示位置F的坐标，H_i(x,y,z)表示第i个点光源在位置F处的光强。

在步骤S33中，基于需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性。

在步骤S34中，基于所确定的光强均匀性，确定面光源的光强均匀性性能。

在步骤S35中，对光强均匀性性能进行优化，得到各个点光源的优化后的功率和/或间距。

上述技术方案具有以下有益效果：(1)利用单个点光源的光强分布获得需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，然后对该光强的均匀性和性能进行评估，最后通过对此评估进行调优，优化了面光源的光强分布，进而优化了面光源的结构和参数设计，例如优化了面光源中各个点光源的排布结构及其功率等。简言之，通过对点光源的发光特性进行建模，优化点光源的排布结构、功率等等参数，以实现均匀面光源。(2)与现有技术相比，不需要导光板或者反射结构，因此减小了光功率损失，提高了能效，简化了面光源的结构，减小了面光源的体积和成本。(3)能够利用高亮度、高发光率、窄光谱、小体积、一致性好的紫外LED灯作为单个点光源，因此最终实现的均匀面光源可以应用于便携设备中，不会影响设备的续航时间。

在一种实施方式，步骤S33中所述的基于需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性，可以采用多种实现方式来实现。例如，可以计算需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的差的平方和，然后基于该平方和来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性。例如，基于平方和来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性可以利用以下公式来实现：

其中，x_n,y_n,z_n,A_n表示在以需要面光源照射的区域的中心在面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第n个点光源的坐标和发光强度参数，其发光强度参数可以包括发光功率等；H(x,y,z)表示需要面光源照射的区域上的、坐标为x,y,z位置处的光强；mean(H)表示需要面光源照射的整个区域上的平均光强；WH表示需要面光源照射的区域的宽度；WL表示需要面光源照射的区域的高度。另外，如果面光源到需要面光源照射的区域的垂直距离为d，则公式(3)中的z、z₁、z_n等可以替换为d。

通过采用上述技术方案，需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的差的平方和越小，说明面光源的均匀性越好。

再例如，也可以计算需要面光源照射的区域上的最大光强和最小光强的差值与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的比值，然后基于该比值来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性。例如，可以采用如下的公式(4)来实现：

D([x₁,y₁,z₁,A₁]…[x_n,y_n,z_n,A_n])＝(max(H)-min(H))/mean(H) (4)

其中，max(H)是需要面光源照射的区域上的最大光强，min(H)是需要面光源照射的区域上的最小光强，mean(H)是需要面光源照射的整个区域上的平均光强。

通过采用上述技术方案，需要面光源照射的区域上的最大光强和最小光强的差值与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的比值越小，说明面光源的均匀性越好。

在一种实施方式，步骤S34中所述的基于所确定的光强均匀性，确定面光源的光强均匀性性能，可以有多种多样的实现方式。例如，可以计算所确定的光强均匀性的开方、加上需要面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积，然后基于该乘积来确定面光源的光强均匀性性能，例如采用如下的公式(5)来实现：

其中，λ是预设参数，可以作为性能优化的超参数。另外，虽然公式(5)是以光强均匀性函数E作为示例，但是其也可以被替换成光强均匀性函数D。

通过上述技术方案，就能建立用于确定面光源光强均匀性性能的函数。然后，通过对光强均匀性性能函数进行优化，就能够得到优化后的点光源排布结构和发光功率等。

再例如，还可以计算所确定的光强均匀性、加上需要面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积，然后基于该乘积确定面光源的光强均匀性性能，例如采用下面的公式(6)来实现：

Delta([x₁,y₁,z₁,A₁]…[x_n,y_n,z_n,A_n],mean(H))＝D+λ/mean(H) (6)

另外，虽然公式(6)是以光强均匀性函数D作为示例，但是其也可以被替换成光强均匀性函数E。

在一种实施方式中，步骤S35中所述的对光强均匀性性能进行优化，可以包括：使光强均匀性性能的值最小化。也即，通过最小化前述光强均匀性性能函数Cost或Delta的值，来优化面光源中各个点光源的排布结构(包括点光源之间的水平排列间距、垂直排列间距等)、发光功率等参数。

接下来举例说明如何进行面光源的优化，以获得均匀度好的面光源。

在第一示例中，可以首先在需要面光源照射的整个区域中，等间距地采集N个点[xp₁,yp₁]…[xp_n,yp_n]。然后，计算这N个点中每个点处的光强，例如利用公式(2)来计算。然后，按照行展开整个面上的亮度值，得到整个面光源在需要面光源照射的区域中的亮度分布曲线。然后，计算面光源的光强均匀性性能Delta，例如利用公式(5)来计算。然后对亮度分布曲线进行分析，增大亮度高的位置附近处点光源的间距(例如水平间距、垂直间距中的至少一者)，也可以减小亮度高的位置附近处点光源的发光功率，同时检测光强均匀性性能函数Delta的变化，一直调整到光强均匀性性能函数Delta的函数值不再减小为止，这样就得到了面光源的优化参数，也即点光源的排布结构优化以及发光功率优化。

在第二示例中，可以首先在需要面光源照射的整个区域中，等间距地采集N个点[xp₁,yp₁]…[xp_n,yp_n]。然后，计算这N个点中每个点处的光强，例如利用公式(2)来计算。然后，确定这N个点处的光强均匀性，例如采用公式(3)或(4)来实现。以前述的光强均匀性E为例，可以将公式(3)中的积分改为累加和，把mean(H)作为固定优化参数，得到如下的公式(7)：

然后将所确定的新的光强均匀性代入光强均匀性性能函数中，例如代入上述的公式(5)或(6)中，用采样点[xp₁,yp₁]…[xp_n,yp_n]作为输入，利用光强均匀性性能函数建立深度学习框架(例如TensorFlow)的优化目标函数，利用深度学习优化器(例如M-BGD，BGD等)进行参数优化，使得光强均匀性性能函数的函数值得到最小值。这样，就得到了面光源的优化参数，也即点光源的排布结构优化以及发光功率优化。

图4a和4b分别示出采用根据本公开实施例的获取均匀面光源的方法进行优化之前需要面光源照射的区域中的亮度一致性模拟结果。图5a和5b分别示出采用根据本公开实施例的获取均匀面光源的方法进行优化之后需要面光源照射的区域中的亮度一致性模拟结果。可见，通过采用根据本公开实施例的方法，所获取的面光源的均匀性更好。

图6示出根据本公开一种实施例的获得均匀面光源的装置的示意框图。如图6所示，该装置包括：光强分布获取模块61，用于获取形成面光源的各个点光源在需要面光源照射的区域上的光强分布；光强获取模块62，用于基于光强分布，获取需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强；光强均匀性确定模块63，用于基于需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性；光强均匀性性能确定模块64，用于基于所确定的光强均匀性，确定面光源的光强均匀性性能；优化模块65，用于对光强均匀性性能进行优化，得到各个点光源的优化后的功率和/或间距。

上述技术方案具有以下有益效果：(1)利用单个点光源的光强分布获得需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强，然后对该光强的均匀性和性能进行评估，最后通过对此评估进行调优，优化了面光源的光强分布，进而优化了面光源的结构和参数设计，例如优化了面光源中各个点光源的排布结构及其功率等。简言之，通过对点光源的发光特性进行建模，优化点光源的排布结构、功率等等参数，以实现均匀面光源。(2)与现有技术相比，不需要导光板或者反射结构，因此减小了光功率损失，提高了能效，简化了面光源的结构，减小了面光源的体积和成本。(3)能够利用高亮度、高发光率、窄光谱、小体积、一致性好的紫外LED灯作为单个点光源，因此最终实现的均匀面光源可以应用于便携设备中，不会影响设备的续航时间。

可选地，在点光源为半球面形点光源的情况下，光强分布获取模块61通过下述公式获得各个点光源在需要面光源照射的区域上的光强分布：

H_i(x,y,z)＝A_i/(2π((x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²))

其中，i表示第i个点光源；x_i,y_i,z_i表示在以需要面光源照射的区域的中心在面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第i个点光源的坐标；H_i(x,y,z)表示第i个点光源在需要面光源照射的区域上的、坐标为x,y,z位置处的光强；A_i表示第i个点光源的发光强度参数。

可选地，光强均匀性确定模块63还用于：计算需要面光源照射的区域上的各个位置处的光强与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的差的平方和，并基于该平方和来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性。

可选地，光强均匀性确定模块63可以利用以下公式来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性：

其中，x_n,y_n,z_n,A_n表示在以需要面光源照射的区域的中心在面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第n个点光源的坐标和发光强度参数；H(x,y,z)表示需要面光源照射的区域上的、坐标为x,y,z位置处的光强；mean(H)表示需要面光源照射的整个区域上的平均光强；WH表示需要面光源照射的区域的宽度；WL表示需要面光源照射的区域的高度。

可选地，光强均匀性确定模块63还用于：计算需要面光源照射的区域上的最大光强和最小光强的差值与需要面光源照射的整个区域上的平均光强的比值，并基于该比值来确定需要面光源照射的区域上的光强均匀性。

可选地，光强均匀性性能确定模块64还用于：计算所确定的光强均匀性的开方、加上需要面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积，并基于该乘积来确定面光源的光强均匀性性能。

可选地，光强均匀性性能确定模块64还用于：计算所确定的光强均匀性、加上需要面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积，并基于该乘积确定面光源的光强均匀性性能。

可选地，优化模块65还用于：使光强均匀性性能的值最小化。

根据本公开实施例的获取均匀面光源的装置中各个模块所执行操作的具体实现方式已经在根据本公开实施例的有关方法中进行了详细描述，此处不再赘述。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种获得均匀面光源的方法，其特征在于，包括：

获取形成面光源的各个点光源在需要所述面光源照射的区域上的光强分布；

基于所述光强分布，获取需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强；

基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性；

基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能；

对所述光强均匀性性能进行优化，得到各个所述点光源的优化后的功率和/或间距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述点光源为半球面形点光源的情况下，各个点光源在需要所述面光源照射的区域上的光强分布通过下述公式获得：

H_i(x，y，z)＝A_i/(2π((x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²))

其中，i表示第i个点光源；x_i，y_i，z_i表示在以需要所述面光源照射的区域的中心在所述面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第i个点光源的坐标；H_i(x，y，z)表示第i个点光源在需要所述面光源照射的区域上的、坐标为x，y，z位置处的光强；A_i表示第i个点光源的发光强度参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性，包括：

计算需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强与需要所述面光源照射的整个区域上的平均光强的差的平方和；

基于所述平方和确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述平方和确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性，利用以下公式来实现：

其中，x_n，y_n，z_n，A_n表示在以需要所述面光源照射的区域的中心在所述面光源上的投影作为坐标原点的坐标系中，第n个点光源的坐标和发光强度参数；H(x，y，z)表示需要所述面光源照射的区域上的、坐标为x，y，z位置处的光强；mean(H)表示需要所述面光源照射的整个区域上的平均光强；WH表示需要所述面光源照射的区域的宽度；WL表示需要所述面光源照射的区域的高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于需要所述面光源照射的区域上的各个位置处的光强，确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性，包括：

计算需要所述面光源照射的区域上的最大光强和最小光强的差值与需要所述面光源照射的整个区域上的平均光强的比值；

基于所述比值来确定需要所述面光源照射的区域上的光强均匀性。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能，包括：

计算所确定的光强均匀性的开方、加上需要所述面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积；

基于所述乘积，确定所述面光源的光强均匀性性能。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述基于所确定的光强均匀性，确定所述面光源的光强均匀性性能，包括：

计算所确定的光强均匀性、加上需要所述面光源照射的整个区域上的平均光强的倒数与预设系数的乘积；以及

基于所述乘积，确定所述面光源的光强均匀性性能。

8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述对所述光强均匀性性能进行优化，包括：使所述光强均匀性性能的值最小化。

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