CN112287418B - 一种tir透镜优化设计的方法、终端及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质，该方法包括：在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标；对初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线；分析初始配光曲线的曲线状态，并在初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正初始光强分布及通过刺激值校正初始出射光角度，直至达到目标配光效果。本技术方案，其可有效解决传统TIR透镜设计方法无法平衡拓展光源和光学器件的混光混色等后加工结构造成的影响的技术问题。

Description

一种TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质

技术领域

本发明涉及TIR透镜优化设计技术领域，特别涉及一种TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质。

背景技术

传统TIR(Total Internal Reflection，全内反射)透镜设计方法为先基于点光源近似理论，运用迭代法计算TIR透镜自由曲面离散点得到自由曲线后3D建模，然后通过光学模拟软件模拟优化来完成目标TIR透镜的整个设计过程。然而，在实际设计过程中，我们发现，由于拓展光源和光学器件的混光混色结构对计算造成的干扰，采用此种方式设计出来的透镜，其配光曲线容易出现部分凸起较为尖锐或凹陷较为明显等现象，无法实现配光曲线的平滑过渡，即无法得到理想的配光效果。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质，其旨在解决传统TIR透镜设计方法无法平衡拓展光源和光学器件的混光混色等后加工结构造成的影响的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种TIR透镜优化设计的方法，所述方法包括以下步骤：在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据所述初始光强分布、所述初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标；对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线；分析所述初始配光曲线的曲线状态，并在所述初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正所述初始光强分布及通过刺激值校正所述初始出射光角度，直至达到目标配光效果。

可选地，所述入射光参数包括入射光角度，所述入射光角度为初始光线角度与TIR透镜的底部开孔的拔模斜度之差。

可选地，所述对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线的步骤包括：通过3D软件对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合，并在目标面绘制柔化光斑、光色的结构后，代入光学模拟软件中，用既定面光源对3D图档进行初次模拟，得到初始配光曲线。

可选地，所述波动缺陷包括所述初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起或所述初始配光曲线中心部分存在明显凹陷。

可选地，所述余弦函数y＝a*cos(2*π/λ*x)；其中，a为所述尖锐凸起或所述明显凹陷占总高的比例，且当所述初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起时，a为负数，当所述初始配光曲线中心部分存在明显凹陷时，a为正数；λ为所述尖锐凸起或所述明显凹陷的两侧角度差值的2倍，x为等分的100份目标角度。

可选地，所述通过余弦函数校正所述初始光强分布的过程包括以下步骤：对所述初始光强分布添加一个所述余弦函数，生成二次光强分布；根据所述二次光强分布、所述初始出射光角度及入射光参数求出二次后模自由曲线所有点坐标；根据所述二次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到二次配光曲线；分析所述二次配光曲线的曲线状态，并在所述二次配光曲线存在波动缺陷时重复上述各步骤，直至所述二次配光曲线消除所述波动缺陷为止。

可选地，所述通过刺激值校正所述初始出射光角度的过程包括以下步骤：对所述初始出射光角度添加一个所述刺激值，生成二次出射光角度，所述刺激值为可调整的定值；根据所述二次光强分布、所述二次出射光角度及入射光参数求出三次后模自由曲线所有点坐标；根据所述三次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到三次配光曲线；分析所述三次配光曲线的曲线状态，并在所述三次配光曲线存在中心失平滑缺陷时重复上述各步骤，直至所述三次配光曲线消除所述中心失平滑缺陷为止。

可选地，对所述初始出射光角度添加一个所述刺激值，生成二次出射光角度的过程具体为：σ＝(Ω^2+K^2)^0.5，其中，σ为二次出射光角度，Ω为初始出射光角度，K为刺激值。

此外，为实现上述目的，本发明实施例还提出一种终端，所述终端包括存储器、处理器、存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序以及用于实现所述处理器和所述存储器之间的连接通信的数据总线，所述程序被所述处理器执行时实现上述的方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明实施例还提出一种存储介质，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述的方法的步骤。

本发明提供的TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质，其在TIR透镜设计时，先通过传统透镜设计方法获取得到初始配光曲线，即先在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标后，再对初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，以得到初始配光曲线。接着，与传统透镜设计方法不同，本TIR透镜优化设计的方法会对初始配光曲线的曲线状态进行分析，并在初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正初始光强分布及通过刺激值校正初始出射光角度，直至达到目标配光效果。可见，本技术方案，其可有效解决传统TIR透镜设计方法无法平衡拓展光源和光学器件的混光混色等后加工结构造成的影响的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一TIR透镜优化设计的方法的流程框图。

图2为图1所示TIR透镜优化设计的方法中通过余弦函数校正初始光强分布的过程的流程框图。

图3为图1所示TIR透镜优化设计的方法中通过刺激值校正初始出射光角度的过程的流程框图。

图4为本发明实施例二TIR透镜具体设计案例中的初始后模自由曲线的示意图。

图5为图4所示初始后模自由曲线下的配光模拟状态图。

图6为本发明实施例二TIR透镜具体设计案例中的初始配光曲线的示意图。

图7为图4所示初始配光曲线下的配光模拟状态图。

图8为本发明实施例二TIR透镜具体设计案例中的最终得到的配光曲线的示意图。

图9为图4所示最终得到的配光曲线下的配光模拟状态图。

图10为本发明实施例三终端的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供一种TIR透镜优化设计的方法，该检测方法包括以下步骤：

步骤S110：在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标。

具体地，要设计一个TIR透镜需已知TIR透镜的相关尺寸数据(包括TIR透镜的外形尺寸、法兰厚度、法兰宽度、底部开孔半径、底部开孔拔模斜度)、TIR透镜材料(可确定TIR透镜的折射率)以及TIR透镜出射光的目标角度。

此时，便可基于这些已知参数在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，具体为：可先假定光源光角度100等分，则相应映射100份到目标面，根据光源光通量计算公式(Φ＝(sinθ)^2(朗伯分布的光的光通量近似计算))，再通过相邻角度的差值即可计算等分角度(即每个夹角)内的光通量；根据等光强下对应角度映射的平面照度与对应角度的余弦平方呈线性关系，由点光源下的初始光强分布(等光强分布)即可得到目标角度下出射光对应的初始照度分布比例，同时，根据相应单元的光通量占比和照度占比，根据Φ＝E*S(Φ为光通量，E为照度，S为面积)求出相应的面积占比，进而求出相应出射光的半径，并在将光学器件视为点光源的条件下，求出相应的初始出射光角度。

当得到目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度后，便可根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标。具体为：将光源光角度100等分，已知入射光均经过原点(即TIR透镜的底部开孔圆心)，同时，TIR透镜的底部开孔的拔模斜度和半径已知，则TIR透镜所有光线的方程式和底部开孔的方程式既定。此时，根据初始光线角度α(其为点光源划分的光线与水平方向的夹角)和拔模斜度β，即可求出相应入射光角度λ＝α-β，根据折射定律求出折射后角度η，该折射光线即为后模自由曲面部分的入射光线，与水平方夹角γ＝η+β。则IN_X＝cosγ，IN_Y＝sinγ，即IN＝(cosγ，sinγ)；后模自由曲面部分的出射光角度ρ可根据初始出射光角度和前模出射面斜度，通过折射定律求出，则OUT_X＝-sinρ，OUT_Y＝cosρ，即OUT＝(-sinρ，cosρ)。根据已知TIR透镜后模自由曲线第一个点的坐标(X1，Z1)，即求相邻点坐标(X2，Z2),根据T＝(X2-X1,Z2-Z1)，则通过等式N*T＝0建立关于第二点(X2,Z2)的第一等式；根据后模自由曲线上第二个点(X2，Z2)与光源入射光与TIR透镜的底部开孔的第二个交点(x2，z2)连线为第二条后模自由曲面的入射光，那么根据第二条入射光与水平方夹角γ2可得TANγ2＝(Z2-z2)/(X2-x2)，以此建立关于第二点(X2,Z2)的第二个等式；通过以上两个等式解二元一次方程即可求出相邻点坐标，以此关系迭代，即可求出初始后模自由曲线所有点坐标。

步骤S120：对初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线。

具体地，当通过上述方法步骤得到初始后模自由曲线所有点坐标后，可通过3D软件进行曲线拟合，然后在目标面绘制珠面、鱼鳞面或砂面等柔化光斑、光色的结构，最后，代入光学模拟软件中，用既定面光源对3D图档进行初次模拟，得到初始配光曲线。

步骤S130：分析初始配光曲线的曲线状态，并在初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正初始光强分布及通过刺激值校正初始出射光角度，直至达到目标配光效果。

具体地，由于获取初始配光曲线计算过程中，是基于点光源计算，实际是采用面光源模拟和使用，因而，会对计算产生干扰，同时，光学器件的混光混色结构(包括目标面的珠面、鱼鳞面或砂面等柔滑光斑、光色的结构)亦会对计算产生干扰，所以初始配光曲线会有波动性及失平滑性。

因而，当通过上述方法步骤得到初始配光曲线后，需分析初始配光曲线的曲线状态，并在初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，依次通过余弦函数校正初始光强分布及通过刺激值校正初始出射光角度，确保最终得到的配光曲线消除波动缺陷及中心失平滑缺陷。

即首先要解决波动性问题，上述提到的波动缺陷具体包括初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起或初始配光曲线中心部分存在明显凹陷。要解决此问题，我们需给初始光强分布添加一个余弦函数，以通过该余弦函数校正初始光强分布，来消除上述调到的波动缺陷。该余弦函数y＝a*cos(2*π/λ*x)；其中，a为尖锐凸起或明显凹陷占总高的比例，且当初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起时，a为负数，当初始配光曲线中心部分存在明显凹陷时，a为正数；λ为尖锐凸起或明显凹陷的两侧角度差值的2倍，x为等分的100份目标角度。

如图2所示，通过余弦函数校正初始光强分布的过程包括以下步骤：

步骤S11：对初始光强分布添加一个余弦函数，生成二次光强分布。

步骤S12：根据二次光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出二次后模自由曲线所有点坐标。

步骤S13：根据二次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到二次配光曲线。

步骤S14：分析二次配光曲线的曲线状态，并在二次配光曲线存在波动缺陷时重复上述各步骤，直至二次配光曲线消除波动缺陷为止。

当重新生成的二次配光曲线仍然存在波动缺陷时，将现有的二次光强分布作为初始光强分布，添加新的余弦函数(该余弦函数基于重新生成的二次配光曲线)，以生成新的二次光强分布，再根据新的二次光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出新的二次后模自由曲线所有点坐标，接着，根据新的二次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到新的二次配光曲线。最后，分析新的二次配光曲线的曲线状态，并在新的二次配光曲线存在波动缺陷时再次重复上述各步骤，直至新的二次配光曲线消除波动缺陷为止。初始光强分布添加余弦函数，近似填补或割除原光强分布曲线落差较大的情况，调整后的二次配光曲线仍存在不平整性，但大体趋于平滑。

当波动性问题解决后，便可接着解决失平滑性问题，如图3所示，通过刺激值校正初始出射光角度的过程包括以下步骤：

步骤S21：对初始出射光角度添加一个刺激值，生成二次出射光角度，刺激值为可调整的定值。

步骤S22：根据二次光强分布、二次出射光角度及入射光参数求出三次后模自由曲线所有点坐标。

步骤S23：根据三次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到三次配光曲线。

步骤S24：分析三次配光曲线的曲线状态，并在三次配光曲线存在中心失平滑缺陷时重复上述各步骤，直至三次配光曲线消除中心失平滑缺陷为止。

当重新生成的三次配光曲线仍然存在中心失平滑缺陷时，调整刺激值的数值，生成新的二次出射光角度，再根据二次光强分布、二次出射光角度及入射光参数求出新的三次后模自由曲线所有点坐标。接着，根据新的三次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到新的三次配光曲线。最后，分析新的三次配光曲线的曲线状态，并在新的三次配光曲线存在中心失平滑缺陷时重复上述各步骤，直至新的三次配光曲线消除中心失平滑缺陷为止。对初始出射光角度添加一个刺激值，生成二次出射光角度的过程具体为：σ＝(Ω^2+K^2)^0.5，其中，σ为二次出射光角度，Ω为初始出射光角度，K为刺激值。其算法为原有每一束出射光的偏折角度与一个固定角度(刺激值数值)搭建一个直角三角形，其斜边长度值为新生成的出射光角度σ＝(Ω^2+K^2)^0.5，对σ-Ω一阶求导，其结果为单调递减函数，可得：随着原出射光角度的增大刺激值的影响会越来越小，即刺激值的作用主要体现在中心光部分的光束整形，且不会对余光产生明显的增幅，即刺激值的作用不仅能改变透镜主光斑的光分布，同时会避免造成副光斑过大的问题。通过逐步调整刺激值的大小，即可实现曲线的平滑过渡，最终实现目标角度和光分布，以达到目标配光效果。

实施例二

本发明实施例二提出一种TIR透镜的具体设计案例，已知待设计的TIR透镜的目标外形尺寸为Φ40xH23mm，光源发光面齐平TIR透镜的底孔开孔，法兰厚度为1.8mm，法兰宽度为2mm，底部开孔的半径为6mm，底部开孔的拔模斜度为2度，即：光学部分R＝18MM，r＝6mm，H₁＝21.2mm，α＝2°，材料为PMMA(Polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，又称做压克力、亚克力)。

此时，便可基于这些已知参数在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标，同时，还对初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合，得到如图4所示的后模自由曲线，同时，对当前的初始初始配光曲线进行光线模拟(此时，暂不添加珠面)操作，得到如图5所示配光模拟状态图，此时，计算初始所得角度(即TIR透镜的实际模拟角度)为17.5°，曲线重合度不高，此时光斑中心非常亮、外围偏黄，整体过渡较硬，需添加珠面柔化光斑、光色，可通过3D软件进行曲线拟合，然后在目标面绘制珠面、鱼鳞面或砂面等柔滑光斑、光色的结构，最后，代入光学模拟软件中，用既定面光源对3D图档进行初次模拟，得到如图6所示的初始配光曲线，及图7所示的配光模拟状态图，此时，添加珠面后所得角度(即TIR透镜的实际模拟角度)为19.1度，配光曲线中心尖锐，实际角度仍偏小，光斑中心较亮，需调整光强补量(即添加余弦函数)和刺激值。当调整光强补量为0.02，刺激值为5的时候，得到如图8所示的最终得到的配光曲线，及图9所示的配光模拟状态图，此时，TIR透镜的实际模拟角度为24.1度，光强曲线平滑过渡，光形光色基本符合要求。同时，从配光曲线上看刺激值等参量的引入明显改变了中心部分光分布，余光分布没有明显变化。

实施例三

如图10所示，本发明实施例三提出一种终端20，该终端20包括存储器21、处理器22、存储在该存储器上并可在该处理器上运行的程序以及用于实现处理器21和存储器22之间的连接通信的数据总线23，该程序被该处理器执行时，以实现上述实施例一中TIR透镜优化设计的方法的步骤，具体如上所述，此处不再赘述。

需要说明的是，本发明实施例的终端20实施例与方法实施例一属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例一，且方法实施例一中的技术特征在终端20实施例中均对应适用，这里不再赘述。

实施例四

本发明实施例四提出一种存储介质，用于计算机可读存储，该存储介质存储有一个或者多个程序，该一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述实施例一中TIR透镜优化设计的方法的具体步骤。

需要说明的是，上述存储介质与方法实施例一属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例一，且方法实施例一中的技术特征在存储介质实施例中均对应适用，这里不再赘述。

本发明实施例中的TIR透镜优化设计的方法、终端及存储介质，其在TIR透镜设计时，先通过传统透镜设计方法获取得到初始配光曲线，即先在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据初始光强分布、初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标后，再对初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，以得到初始配光曲线。接着，与传统透镜设计方法不同，本TIR透镜优化设计的方法会对初始配光曲线的曲线状态进行分析，并在初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正初始光强分布及通过刺激值校正初始出射光角度，直至达到目标配光效果。可见，本技术方案，其可有效解决传统TIR透镜设计方法无法平衡拓展光源和光学器件的混光混色等后加工结构造成的影响的技术问题。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种TIR透镜优化设计的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在点光源下计算目标角度对应的初始光强分布与初始出射光角度，并根据所述初始光强分布、所述初始出射光角度及入射光参数求出初始后模自由曲线所有点坐标；

对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线；

分析所述初始配光曲线的曲线状态，并在所述初始配光曲线出现波动缺陷及中心失平滑缺陷时，分别通过余弦函数校正所述初始光强分布及通过刺激值校正所述初始出射光角度，直至达到目标配光效果；

所述波动缺陷包括所述初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起或所述初始配光曲线中心部分存在明显凹陷；

所述余弦函数y＝a*cos(2*π/λ*x)；其中，a为所述尖锐凸起或所述明显凹陷占总高的比例，且当所述初始配光曲线中心部分存在尖锐凸起时，a为负数，当所述初始配光曲线中心部分存在明显凹陷时，a为正数；λ为所述尖锐凸起或所述明显凹陷的两侧角度差值的2倍，x为等分的100份目标角度；

所述通过余弦函数校正所述初始光强分布的过程包括以下步骤：对所述初始光强分布添加一个所述余弦函数，生成二次光强分布；根据所述二次光强分布、所述初始出射光角度及入射光参数求出二次后模自由曲线所有点坐标；根据所述二次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到二次配光曲线；分析所述二次配光曲线的曲线状态，并在所述二次配光曲线存在波动缺陷时重复上述各步骤，直至所述二次配光曲线消除所述波动缺陷为止；

所述通过刺激值校正所述初始出射光角度的过程包括以下步骤：对所述初始出射光角度添加一个所述刺激值，生成二次出射光角度，所述刺激值为可调整的定值；根据所述二次光强分布、所述二次出射光角度及入射光参数求出三次后模自由曲线所有点坐标；根据所述三次后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到三次配光曲线；分析所述三次配光曲线的曲线状态，并在所述三次配光曲线存在中心失平滑缺陷时重复上述各步骤，直至所述三次配光曲线消除所述中心失平滑缺陷为止；

对所述初始出射光角度添加一个所述刺激值，生成二次出射光角度的过程具体为：σ＝(Ω^2+K^2)^0.5，其中，σ为二次出射光角度，Ω为初始出射光角度，K为刺激值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射光参数包括入射光角度，所述入射光角度为初始光线角度与TIR透镜的底部开孔的拔模斜度之差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合及光学模拟操作，得到初始配光曲线的步骤包括：

通过3D软件对所述初始后模自由曲线所有点坐标进行曲线拟合，并在目标面绘制柔化光斑、光色的结构后，代入光学模拟软件中，用既定面光源对3D图档进行初次模拟，得到初始配光曲线。

4.一种终端，其特征在于，包括：存储器、处理器、存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序以及用于实现所述处理器和所述存储器之间的连接通信的数据总线，所述程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的方法的步骤。

5.一种存储介质，用于计算机可读存储，其特征在于，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-3任一所述的方法的步骤。