CN112503434A - 可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构 - Google Patents

可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构，其中，所述可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，通过设定折射场景，并将折射场景和三维直角坐标系耦合，为后续透镜结构的配光提供三维空间坐标基础。通过将透镜结构中的每一个阵列单元分别在XOZ观测面和XOY观测面进行配光，使得生成的透镜结构能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度到48度的角度范围内自由配光，且配光的角度精确。

Description

可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构
技术领域
本申请涉及洗墙灯透镜技术领域，特别是涉及一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构。
背景技术
洗墙灯又称为线性LED投光灯，因为其外形为长条形，也有人将之称为LED线条灯。洗墙灯，顾名思义，让灯光像水一样洗过墙面，主要用于建筑的装饰与照明，还有用来勾勒大型建筑的轮廓，由于具有节能、光效高、色彩丰富、以及寿命长等特点，从而得到广泛使用。洗墙灯为达到不同的出光角度，因此一般通过装配具有不同角度配光功能的透镜结构。
传统的透镜结构一般绕着竖直轴旋转而得到，因而只能在一个空间维度上进行不同角度的配光。
发明内容
基于此，有必要针对传统可在48度内自由配光的透镜结构只能在一个空间维度上进行不同角度的配光的问题，提供一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其生成的透镜结构可在两个不同空间维度上均能在48度内自由配光。
本申请提供一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，所述可在48度内自由配光的透镜结构应用于洗墙灯，所述方法包括：
设定一个折射场景，所述折射场景包括点光源和透镜结构，所述透镜结构包括TIR透镜和阵列结构；所述TIR透镜包括透镜折射面，所述透镜底面为圆形，和阵列结构固定连接；所述阵列结构包括多个阵列单元；
以透镜底面的圆心为坐标原点构建三维直角坐标系，将所述折射场景和三维直角坐标系耦合，所述透镜结构包括XOZ面和XOY两个观测面；所述透镜底面即YOZ面；
对每一个阵列单元在XOZ观测面进行配光，以使经阵列单元的曲面射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元在XOZ观测面的截面图形；
对每一个阵列单元在XOY观测面进行配光，使得经阵列单元的曲面射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元在XOY观测面的截面图形；
依据每一个阵列单元在XOZ观测面的截面图形和在XOY观测面的截面图形，生成每一个阵列单元的结构，进而生成所述透镜结构，所述透镜结构能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度至48度内自由配光。
本申请还提供一种可在48度内自由配光的透镜结构，其特征在于，基于前述内容提及的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法制备而成。
本申请涉及一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法与透镜结构，通过设定折射场景，并将折射场景和三维直角坐标系耦合，为后续透镜结构的配光提供三维空间坐标基础。通过将透镜结构中的每一个阵列单元分别在XOZ观测面和XOY观测面进行配光，使得生成的透镜结构能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度到48度的角度范围内自由配光，且配光的角度精确。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法的流程示意图；
图2为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构中的折射场景的示意图；
图3为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，折射场景和三维直角坐标系耦合后的一个角度的示意图；
图4为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，折射场景和三维直角坐标系耦合后的另一个角度的示意图；
图5为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，阵列单元在XOZ观测面的配光示意图；
图6为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，阵列单元在XOY观测面的配光示意图；
图7为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构中的生成方法，未经半圆弧截取处理的阵列单元在XOY观测面的结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，经半圆弧截取处理的阵列单元在XOY观测面的结构示意图；
图9为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的结构示意图；
图10为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，阵列单元在XOZ观测面的基准点的横坐标的绝对值Di的示意图；
图11为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，Di、Li与R三者的关系示意图；
图12为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，阵列单元在XOZ观测面的高度Hi在XOZ观测面中的示意图；
图13为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，阵列单元在XOY观测面中，Wi、αik的最大值与Hi的关系示意图；
图14为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，对透镜结构进行仿真后的照度图；
图15为本申请一实施例提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法中，对透镜结构进行仿真后的极坐标系下的配光曲线的示意图。
附图标记：
10-点光源；20-透镜结构；210-TIR透镜；211-透镜底面；212-透镜折射面；
223-透镜反射面；220-阵列结构；221-阵列单元行；222-阵列单元；
223-曲面
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法。需要说明的是，本申请提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法可以生成一种可在48度内自由配光的透镜结构。所述可在48度内自由配光的透镜结构可以应用于洗墙灯。
此外，本申请提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法不限制其执行主体。可选地，本申请提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法的执行主体的可以为一种透镜结构处理终端。具体地，本申请提供的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法的执行主体可以为所述透镜结构处理终端中的一个或多个处理器。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法包括如下步骤S100至步骤S500：
S100，设定一个折射场景。所述折射场景包括点光源10和透镜结构20。所述透镜结构20包括TIR透镜210和阵列结构220。所述TIR透镜210包括透镜折射面212。所述透镜底面211为圆形。所述透镜底面211和所述阵列结构220固定连接。所述阵列结构220包括多个阵列单元222。
具体地，所述TIR透镜210包括透镜底面211、透镜折射面212和透镜反射面223。TIR透镜210的特性是能够使得经TIR透镜210射出的光线均为互相平行的直线，且方向与铅垂线平行。如图2所示，点光源10发出的光线射入所述透镜折射面212，发生折射，变为与铅垂线平行的直线射向透镜底面211，且保持方向不变从透镜底面211射出，射向阵列结构220。当位于TIR透镜210内部的光线照射到透镜反射面223时，光线不会射出TIR透镜210，而是会在透镜反射面223上发生全反射，反射后仍然变为与铅垂线平行的直线射向透镜底面211。
S200，以透镜底面211的圆心为坐标原点构建三维直角坐标系，将所述折射场景和三维直角坐标系耦合。所述透镜结构20包括XOZ面和XOY两个观测面。所述透镜底面211即YOZ面。
具体地，折射场景和三维直角坐标系耦合，可以为后续透镜结构20的配光提供三维空间坐标基础。如图3和图4所示，耦合之后，透镜结构20包括XOZ观测面和XOY观测面。
S300，对每一个阵列单元222在XOZ观测面进行配光，使得经从阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元222在XOZ观测面的截面图形。
具体地，如图5所示，为了使得经从阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，本步骤需要在XOZ观测面上进行配光。本质上是由阵列单元222在XOZ观测面的截面图形决定。
S400，对每一个阵列单元222在XOY观测面进行配光，使得经阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元222在XOY观测面的截面图形。
具体地，如图6所示，为了使得经从阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，本步骤需要在XOY观测面上进行配光。本质上是由阵列单元222在XOY观测面的截面图形决定。
S500，依据每一个阵列单元222在XOZ观测面的截面图形和在XOY观测面的截面图形，生成每一个阵列单元222的结构，进而生成所述透镜结构20，所述透镜结构20能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度至48度内自由配光。
具体地，依据步骤S300可以得到每一个阵列单元222在XOZ观测面的截面图形，依据步骤S400可以得到每一个阵列单元222在XOY观测面的截面图形，因此，可以得到每一个阵列单元222的整体结构，进而生成所述透镜结构20，该透镜结构20即为可在48度内自由配光的结构，具体能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在48度内自由配光。
本实施例中，通过设定折射场景，并将折射场景和三维直角坐标系耦合，为后续透镜结构20的配光提供三维空间坐标基础。通过将透镜结构20中的每一个阵列单元222分别在XOZ观测面和XOY观测面进行配光，使得生成的透镜结构20能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度到48度的角度范围内自由配光，且配光的角度精确
在本申请的一实施例中，所述阵列结构220包括M个阵列单元行221。每个阵列单元行221包括多个结构相同的阵列单元222。不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同。M为大于5的正整数。
具体地，不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同，可以通过在XOZ观测面显示为多个不同形状的阵列单元222的截面图形而体现。每个阵列单元行221包括多个结构相同的阵列单元222，可以通过在XOY观测面多个相同形状的阵列单元222的截面图形而体现。
本实施例中，通过设置M个阵列单元行221，每个阵列单元行221包括多个结构相同的阵列单元222。不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同，使得整个阵列结构220的结构简单，且可以实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度到48度的角度范围内自由配光。
在本申请的一实施例中，所述步骤S300包括如下步骤S310至步骤S340：
S310，设置每一个阵列单元222在XOZ观测面的截面图形，由一条弧线、一条垂直于OZ轴的直线、以及OZ轴包围形成。不同截面图形中弧线的弧度不同。阵列单元222在XOZ观测面的截面图形的数量为M个。
本实施例中，由于阵列结构220由多个阵列单元222构成，因此，整个阵列结构220在XOZ观测面中呈现为多个封闭的截面图形。每一个截面图形对应一个阵列单元222。
如图5所示，所述XOZ观测面可以理解为所述阵列结构220的侧视图，可以理解，即M个阵列单元行221的侧视图。每一个截面图形为一个阵列单元行221的侧视图。
具体地，每一个截面图形由一条弧线，一条垂直于OZ轴的直线，以及OZ轴包围形成。上述实施例已经说明，不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同，可以理解，多个截面图形之间的形状不同，具体体现在不同截面图形之间的弧线的弧度不同。所述阵列结构220由M个阵列单元行221构成，可以理解，所述阵列单元222在XOZ观测面的截面图形的数量为M个。
S320，对每一个阵列单元222在XOZ观测面进行配光，使得每一个阵列单元222的第一配光角度θi归属于一个出射角度范围
Figure BDA0002809895500000081
i为阵列单元222的序号。i＝1，2,3...M。
Figure BDA0002809895500000082
为第一配光角度的最小值。
Figure BDA0002809895500000083
为第一配光角度的最大值。且满足公式1。第一配光角度θi为经阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角。
Figure BDA0002809895500000084
其中，θi为第一配光角度。i为阵列单元222的序号。且i＝1，2，3...M。M为阵列单元222在XOZ观测面的截面图形的数量。Qi为第一配光角度归属的集合。Qσ为目标集合。
Figure BDA0002809895500000085
为第一配光角度的最小值。
Figure BDA0002809895500000086
为第一配光角度的最大值。
具体地，如图5所示，每一个阵列单元222的底面与所述TIR透镜210的透镜底面211固定连接，顶面为一个曲面223。所述阵列单元222的曲面223在XOZ观测面即呈现为截面图形中的弧线。定义第一配角度θi为经该曲面223射出的光线，在XOZ观测面上与OZ轴的夹角。
为使整个透镜结构20能够在XOZ观测面在0度到48度的角度范围内自由配光，需要对每一个阵列单元222进行第一配光角度的配光。出射角度范围
Figure BDA0002809895500000087
Figure BDA0002809895500000088
为，大于等于
Figure BDA0002809895500000089
且小于等于
Figure BDA00028098955000000810
的角度范围。
本实施例中通过公式1定义每一个阵列单元222的第一配光角度的角度范围，不但能够使得每一个阵列单元222的第一配光角度处于0度到48度的出射角度范围内，而且可以为每一个阵列单元222配置一个特定出射角度范围的第一配光角度，使得光线通过不同的阵列单元222能够出射为不同角度的光。具体例子如下表1所示。
表1-第一配光角度配置表
阵列单元序号 1 2 3 4 5 6
第一配光角度 0°-5° 3°-10° 5°-15° 10°-20° 15°-25° 20°-48°
阵列单元序号 7 8 9 10 11 12
第一配光角度 0°-5° 3°-10° 5°-15° 10°-20° 15°-25° 20°-48°
在表1所示的实施例中，阵列结构220中包括12个阵列单元222，每一个阵列单元222的第一配光角度归属于一个出射角度范围。每一个阵列单元222的第一配光角度都是处于0度到48度的大范围的，但是彼此之间是有区别的，但是12个出射角度范围的并集为0度到48度，表明12个出射角度范围覆盖了整个0度到48度的总角度范围。这样能够使得光线通过不同的阵列单元222能够出射为不同角度的光，出射光线与OX轴(即铅垂线)的角度多样化。
S330，以每一个截面图形的弧线为母线，以OZ轴为旋转轴旋转180度形成的曲面223与所述透镜底面211包围形成一个封闭几何体。所述封闭几何体在所述透镜底面211的上方，得到M个封闭几何体。
具体地，OZ轴的方向可以理解为水平方向。本实施例通过以OZ轴为旋转轴旋转180度，形成在所述透镜底面211的上方的封闭几何体，使得阵列单元222的曲面223形成，阵列单元222的整个三维结构也随之形成。
S340，将所述封闭几何体作为所述阵列单元222的结构，所述封闭几何体在XOY观测面的截面图形的形状为一条半圆弧和OY轴包围形成的半圆形。
具体地，可以理解，半圆形的半径即，阵列单元222在XOZ观测面的截面图形在三维直角坐标系中纵坐标最大的点的纵坐标的绝对值，这个点刚好是弧线的最高点。
本实施例中，通过设置每一个阵列单元222在XOZ观测面的截面图形，为由一条弧线、一条垂直于OZ轴的直线、以及OZ轴包围形成的图形，并依据该截面图形的结构特点结合折射场景进行分析，从而实现对每一个阵列单元222在XOZ观测面上均在0度到48度的角度范围内的配光，从而使得每一个阵列单元222具有一个特定出射角度范围的第一配光角度，使得光线通过不同的阵列单元222的曲面223能够出射为不同角度的光。
在本申请的一实施例中，所述步骤S400包括如下步骤：
S410，对每一个阵列单元222在XOY观测面进行配光，使得每一个阵列单元222的的第二配光角度αi归属于一个出射角度范围(0，48°)。i为阵列单元222的序号。i＝1，2,3...M。第二配光角度αi为经阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角。
具体地，本步骤的原理与步骤S310的原理是类似的。区别在于，本步骤是在XOY观测面进行配光，属于另一个不同的空间维度。所述出射角度范围(0，48°)为大于等于0度，且小于等于48度的角度范围。
可以理解，每一个阵列单元222在XOY观测面中也呈现为一个封闭的截面图形。如图6所示，该截面图形的形状为一条半圆弧和OY轴包围形成的半圆形。在XOY观测面中，阵列单元222的曲面223的呈现为一条半圆弧。那么经该曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角，即第二配光角度，需要进行0度到48度的配光。
本实施例中，通过对每一个阵列单元222在XOZ观测面上均进行0度到48度的出射角度范围内的配光，使得使得光线通过不同的阵列单元222的曲面223出射的光均处于0度到48度的出射角度范围内。
在本申请的一实施例中，所述步骤S500包括如下步骤S510至步骤S520：
S510，从M个阵列单元222选取一个阵列单元222，将该阵列单元222沿与OY轴平行的直线方向执行多次复制操作，直至超出透镜底面211的边缘，去除超出透镜底面211边缘的部分，形成一个具有多个相同阵列单元222的阵列单元行221。
S520，反复执行所述步骤S510，得到M个阵列单元行221，所述M个阵列单元行221构成所述透镜结构20。
具体地，不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同。M个阵列单元222中的每一个结构都是不同的，那么本步骤以一个阵列单元222为基础因子，沿OY轴平行的直线方向执行多次复制操作，形成多个具有多个相同阵列单元222的阵列单元行221。去除超出透镜底面211边缘的部分是为了让整个阵列结构220的底面形状与所述透镜底面211的形状相同，进而使得所述TIR透镜210和所述阵列结构220固定连接更紧密，同时也防止TIR透镜210射向阵列结构220的光可以完全的照射至阵列结构220，不会出现漏光现象。
可以理解，一个阵列单元行221在XOY观测面中呈现为多个封闭的截面图形。每一个截面图形对应一个阵列单元222。所述XOY观测面可以理解为所述阵列结构220的正视图，可以理解，即M个阵列单元行221的正视图。每一个截面图形为一个阵列单元行221的侧视图。
具体地，每一个截面图形由一条弧线，一条垂直于OZ轴的直线，以及OZ轴包围形成。上述实施例已经说明，不同阵列单元行221之间阵列单元222的结构不同，可以理解，多个截面图形之间的形状不同，具体体现在不同截面图形之间的弧线的弧度不同。所述阵列结构220由M个阵列单元行221构成，可以理解，所述阵列单元222在XOZ观测面的截面图形的数量为M个。在XOY观测面中，阵列单元222的曲面223呈现为一条半圆弧。因此，一个阵列单元行221在XOY观测面中，呈现为多个并列排布的半圆弧，每一个半圆弧的形状相同。
本实施例中，通过基于一个阵列单元222的多次复制生成一个阵列单元行221，可以快速得到XOZ观测面和XOY观测面均进行过配光的阵列结构220。
在本申请的一实施例中，所述步骤S410包括如下步骤S411至步骤S418：
S411，获取空气折射率和阵列结构材料折射率。所述空气折射率为0，所述阵列结构材料折射率为1.4935。
S412，选取一个阵列单元222，在XOY观测面中的该阵列单元222中，对光经过阵列单元222的曲面223发生折射，进而射出阵列单元222这一折射场景进行折射分析，依据折射定律得到公式2。
Figure BDA0002809895500000121
其中，n0为空气折射率。n1为阵列结构材料折射率。i为阵列单元222的序号。
Figure BDA0002809895500000122
为入射角的角度。
Figure BDA0002809895500000123
为出射角的角度。所述入射角为在XOY观测面中，照射到阵列单元222的曲面223的入射光线与法线的夹角。所述出射角为在XOY观测面中，照射到阵列单元222的曲面223的入射光线经曲面223折射后，出射光线与法线的夹角。
具体地，公式2就是折射定律的公式。
S413，将
Figure BDA0002809895500000124
的数值取90度，代入至公式2中，计算入射角
Figure BDA0002809895500000125
得到入射角的临界角度
Figure BDA0002809895500000126
所述入射角的临界角度
Figure BDA0002809895500000127
为42度。所述入射角的临界角度
Figure BDA0002809895500000128
为使得照射到阵列单元222的曲面223的入射光线不发生全反射的入射角的最大角度。
具体地，由于优先从光密介质到光疏介质发生全反射而不是折射存在一个临界角，临界角的角度即出射角
Figure BDA0002809895500000131
为90度时的对应的入射角
Figure BDA0002809895500000132
的角度。经过计算，所述入射角的临界角度
Figure BDA0002809895500000133
为42度，也即入射角
Figure BDA0002809895500000134
的最大角度值为42度。如果入射角的角度
Figure BDA0002809895500000135
超过42度，在阵列结构220的曲面223上就会发生全反射，光线就无法射出阵列结构220的曲面223。因此，我们要控制入射角的角度
Figure BDA0002809895500000136
大于等于0，且小于等于42度。
S414，继续对所述折射场景进行折射分析，得到第二配光角度αi与入射角的角度
Figure BDA0002809895500000137
之间的关系式，如公式3。所述第二配光角度αi为经阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角。
Figure BDA0002809895500000138
其中，αi为第二配光角度。
Figure BDA0002809895500000139
为入射角的角度。n0为空气折射率。n1为阵列结构材料折射率。i为阵列单元222的序号。
具体地，本步骤是具体的XOY观测面的配光过程。如图6所示，根据折射定律，入射角为入射光线与法线的夹角。入射光线为与OX轴平行的直线，即铅垂线。法线为与折射面垂直的直线。入射角的角度即
Figure BDA00028098955000001310
第二配光角度为经阵列单元222的曲面223射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角的角度，即αi。出射角的角度，即法线与经阵列单元222的曲面223射出的光线的角的角度为
Figure BDA00028098955000001311
通过折射分析可以得到公式3。
S415，将入射角的角度的数值取临界角度
Figure BDA00028098955000001312
的数值，带入公式3，计算得到第二配光角度的最大值
Figure BDA00028098955000001313
Figure BDA00028098955000001314
为48度。
具体地，前述步骤S413已经计算得出入射角的临界角度
Figure BDA00028098955000001315
为42度，那么将
Figure BDA00028098955000001316
等于
Figure BDA00028098955000001317
等于42度代入公式3，可以得到第二配光角度的最大值
Figure BDA00028098955000001318
为48度。因此阵列单元222可以实现在XOY观测面中0到48度的配光，这是因为要防止入射光线在曲面223上发生全反射。当然，根据阵列结构材料折射率的变化，
Figure BDA0002809895500000141
和
Figure BDA0002809895500000142
都会产生细微变化。
S416，对XOY观测面中阵列单元222的半圆弧进行截取处理，去除导致入射角的角度大于
Figure BDA0002809895500000143
的部分。
具体地，如图7所示，在XOY观测面中，阵列单元222的截面图形是一个轴对称图形，在半圆弧中，越远离对称轴的折射点，其入射角的角度
Figure BDA0002809895500000144
越大。
本步骤对半圆弧进行截取处理，就是要去除导致入射角的角度
Figure BDA0002809895500000145
大于临界角度
Figure BDA0002809895500000146
的折射点，防止大于48度导致光线在曲面223上发生全反射的现象发生。
S417，过经截取处理后保留的圆弧的两个端点，分别向OY轴做垂线，得到两条线段。将经截取处理后保留的圆弧、两条线段与OY轴包围形成的图形作为该阵列单元222在XOY观测面的截面图形。
具体地，经截取处理后保留的圆弧如图8所示。
S418，反复执行所述步骤S411至步骤S417，直至所有的阵列单元222均进行了半圆弧的截取处理。
本实施例中，通过对所有的阵列单元222进行半圆弧的截取处理，从而使得光线照射到阵列单元222的曲面223后，不会发生全反射，而是通过折射的方式射出曲面223，从而使得整个透镜结构20能够实现正常的照明功能。
在本申请的一实施例中，所述步骤S510包括如下步骤：
S511，从M个截取处理后的阵列单元222中选取一个阵列单元222，将该阵列单元222沿与OY轴平行的直线方向执行多次复制操作，直至超出透镜底面211的边缘。进一步地，去除超出透镜底面211边缘的部分，形成一个具有多个相同阵列单元222的阵列单元行221。
具体地，本步骤的工作原理在前述步骤S510中已做出过详细解释，此处不再赘述。需要说明的是，本步骤S511是基于已经进行过半圆弧截取处理的阵列单元222进行的多次复制操作。最终形成的透镜结构20如图9所示。
在本申请的一实施例中，所述步骤S510还包括如下步骤S512至步骤S517：
S512，获取每一个阵列单元222在XOZ观测面的宽度di。
具体地，本实施例中的步骤S512至步骤S517是具体阐述设置一个阵列单元行221中阵列单元222的数量的过程。
步骤S512，先获取预先设置好的每一个阵列单元222在XOZ观测面的宽度di。
S513，依据每一个阵列单元222在XOZ观测面的宽度di，计算所述阵列单元222在XOZ观测面的基准点的横坐标的绝对值Di。所述阵列单元222在XOZ观测面的基准点，为该阵列单元222中垂直于OZ轴的直线与OZ的交点。
具体地，如图10所示，Di本质上是阵列单元222的设置位置与OZ轴的直线距离。
S514，依据公式4计算所述阵列单元222所在的阵列单元行221沿OY轴方向的长度Li。
Figure BDA0002809895500000151
其中，Li为所述阵列单元222所在的阵列单元行221沿OY轴方向的长度。R为所述透镜底面211的半径。Di为所述阵列单元222在XOZ观测面的基准点的横坐标的绝对值。i为阵列单元222的序号。
具体地，如图11所示，图11为阵列结构220的俯视图。那么在俯视图的角度可以得知，Di、Li与R的关系满足勾股定理，因此可以求出Li。
S515，获取所述阵列单元222在XOZ观测面的高度Hi。所述阵列单元222在XOZ观测面的高度Hi为该阵列单元222在XOZ观测面中，纵坐标最大的坐标点的纵坐标的绝对值。
具体地，如图12所示，阵列单元222的在XOY观测面的半径也即，阵列单元222在XOZ观测面的截面图形在三维直角坐标系中纵坐标最大的点的纵坐标的绝对值，这个点刚好是弧线的最高点。
S516，依据公式5计算所述阵列单元222在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离Wi。
Figure BDA0002809895500000161
其中，Wi为所述阵列单元222在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离。Li为所述阵列单元222所在的阵列单元行221沿OY轴方向的长度。Hi为所述阵列单元222在XOZ观测面的高度。
Figure BDA0002809895500000162
为入射角的临界角度。i为阵列单元222的序号。
具体地，如图13所示，可以根据圆弧的折射特性，对经截取处理后的半圆弧进行折射分析，可以依据公式5计算所述阵列单元222在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离Wi。由于圆弧已经做过截取处理，因此，两个端点处的对应的入射角应当就是入射角的临界角度42度。因此可以求取1/2Wi，进而求取Wi。
S517，依据公式5计算所述阵列单元222所在的阵列单元行221中，所述阵列单元222的数量Ni。
Figure BDA0002809895500000163
其中，Ni为所述阵列单元222所在的阵列单元行221中，所述阵列单元222的数量。Wi为所述阵列单元222在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离。i为阵列单元222的序号。
具体地，通过公式6，可以计算每一个阵列单元行221具体设置了几个相同结构的阵列单元222。
本实施例可以精确，快速的计算出计算每一个阵列单元行221具体设置了几个相同结构的阵列单元222，至此，整个阵列结构220的所有结构参数均已计算完毕。透镜结构20生成完毕。
在本申请的一实施例中，在所述步骤S500之后，所述可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法还包括：
S600，基于线追迹软件TracePro对所述透镜结构20进行仿真，生成仿真结果并存储。
具体地，步骤S600是对前述生成的可在48度内自由配光的透镜结构进行仿真的过程，仿真的作用是进一步排除误差。
可选地，首先设置仿真场景。可以设置一个6000毫米乘以2000毫米的矩形接收板作为透镜结构20照射出的光斑的实际接收面。在距离矩形接收板45毫米的地方放置所述透镜结构20，配上合适的点光源10。
其次，将上述实施例得到的可在48度内自由配光的透镜结构直接导入线追迹软件TracePro中进行仿真，仿真过程中，使用了CREE公司XPE-WW TracePro-OSLO-ASCII-Format-100-K-rays.dat光源文件，总光线数量为99989根。仿真结果如图至图所示。
图14为照度图。图15为在极坐标系下的配光曲线。如图15所示，透镜结构20在0度方向上，出射光线与铅垂线的夹角大小为30度，透镜结构20在90度方向上，出射关系与铅垂线的夹角大小为30度，均处于0度到48度的角度范围内，因此可以认为没有误差。
本实施例中，通过对可在48度内自由配光的透镜结构20进行仿真，进一步排除透镜结构20的误差，能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度到48度的角度范围内自由配光，且配光的角度精确，避免在后续生产中生产出误差件。
本申请还提供一种可在48度内自由配光的透镜结构。
在本申请的一实施例中，所述可在48度内自由配光的透镜结构，基于前述多个实施例中任意一个所提及的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法制备而成。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述可在48度内自由配光的透镜结构应用于洗墙灯，所述方法包括：
S100，设定一个折射场景，所述折射场景包括点光源和透镜结构，所述透镜结构包括TIR透镜和阵列结构；所述TIR透镜包括透镜底面，所述透镜底面为圆形，和所述阵列结构固定连接；所述阵列结构包括多个阵列单元；
S200，以透镜底面的圆心为坐标原点构建三维直角坐标系，将所述折射场景和三维直角坐标系耦合，所述透镜结构包括XOZ面和XOY两个观测面；所述透镜底面位于YOZ面上；
S300，对每一个阵列单元在XOZ观测面进行配光，以使经阵列单元的曲面射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元在XOZ观测面的截面图形；
S400，对每一个阵列单元在XOY观测面进行配光，使得经阵列单元的曲面射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角大于等于0度且小于等于48度，得到每一个阵列单元在XOY观测面的截面图形；
S500，依据每一个阵列单元在XOZ观测面的截面图形和在XOY观测面的截面图形，生成每一个阵列单元的结构，进而生成所述透镜结构，所述透镜结构能够实现在XOZ面和XOY两个观测面上均在0度至48度内自由配光。
2.根据权利要求1所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述阵列结构包括M个阵列单元行，每个阵列单元行包括多个结构相同的阵列单元，不同阵列单元行之间阵列单元的结构不同；M为大于5的正整数。
3.根据权利要求2所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
S310，设置每一个阵列单元在XOZ观测面的截面图形，由一条弧线、一条垂直于OZ轴的直线、以及OZ轴包围形成，且不同截面图形中弧线的弧度不同；阵列单元在XOZ观测面的截面图形的数量为M个；
S320，对每一个阵列单元在XOZ观测面进行配光，使得每一个阵列单元的的第一配光角度θi归属于一个出射角度范围
Figure FDA0002809895490000021
i为阵列单元的序号，i＝1，2,3...M，
Figure FDA0002809895490000022
为第一配光角度的最小值，
Figure FDA0002809895490000023
为第一配光角度的最大值，且满足公式1；第一配光角度θi为经阵列单元的曲面射出的光线，在XOZ观测面上与OX轴的夹角；
Figure FDA0002809895490000024
其中，θi为第一配光角度，i为阵列单元的序号，且i＝1，2，3...M，M为阵列单元在XOZ观测面的截面图形的数量，Qi为第一配光角度归属的集合，Qσ为目标集合，
Figure FDA0002809895490000025
为第一配光角度的最小值，
Figure FDA0002809895490000026
为第一配光角度的最大值；
S330，以每一个截面图形的弧线为母线，以OZ轴为旋转轴旋转180度形成的曲面与所述透镜底面包围形成一个封闭几何体，且所述封闭几何体在所述透镜底面的上方，得到M个封闭几何体；
S340，将所述封闭几何体作为所述阵列单元的结构，所述封闭几何体在XOY观测面的形状为一条半圆弧和OY轴包围形成的半圆形。
4.根据权利要求3所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S400包括：
S410，对每一个阵列单元在XOY观测面进行配光，使得每一个阵列单元的的第二配光角度αi归属于一个出射角度范围(0，48°)，i为阵列单元的序号，i＝1，2，3...M；第二配光角度αi为经阵列单元的曲面射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角。
5.根据权利要求4所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S500包括：
S510，从M个阵列单元选取一个阵列单元，将该阵列单元沿与OY轴平行的直线方向执行多次复制操作，直至超出透镜底面的边缘，去除超出透镜底面边缘的部分，形成一个具有多个相同阵列单元的阵列单元行；
S520，反复执行所述步骤S510，得到M个阵列单元行，所述M个阵列单元行构成所述透镜结构。
6.根据权利要求5所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S410包括：
S411，获取空气折射率和阵列结构材料折射率；所述空气折射率为0，所述阵列结构材料折射率为1.4935；
S412，选取一个阵列单元，在XOY观测面中的该阵列单元中，对光经过阵列单元的曲面发生折射，进而射出阵列单元这一折射场景进行折射分析，依据折射定律得到公式2；
Figure FDA0002809895490000031
其中，n0为空气折射率，n1为阵列结构材料折射率，i为阵列单元的序号，
Figure FDA0002809895490000032
为入射角的角度，
Figure FDA0002809895490000033
为出射角的角度；所述入射角为在XOY观测面中，照射到阵列单元的曲面的入射光线与法线的夹角；所述出射角为在XOY观测面中，照射到阵列单元的曲面的入射光线经曲面折射后，出射光线与法线的夹角；
S413，将
Figure FDA0002809895490000038
的数值取90度，代入至公式2中，计算入射角
Figure FDA0002809895490000034
得到入射角的临界角度
Figure FDA0002809895490000035
所述入射角的临界角度
Figure FDA0002809895490000036
为42度；所述入射角的临界角度
Figure FDA0002809895490000037
为使得照射到阵列单元的曲面的入射光线不发生全反射的入射角的最大角度；
S414，继续对所述折射场景进行折射分析，得到第二配光角度αi与入射角的角度
Figure FDA0002809895490000041
之间的关系式，如公式3；所述第二配光角度αi为经阵列单元的曲面射出的光线，在XOY观测面上与OX轴的夹角；
Figure FDA0002809895490000042
其中，αi为第二配光角度，
Figure FDA0002809895490000043
为入射角的角度，n0为空气折射率，n1为阵列结构材料折射率，i为阵列单元的序号；
S415，将入射角的角度的数值取临界角度
Figure FDA0002809895490000044
的数值，带入公式3，计算得到第二配光角度的最大值
Figure FDA0002809895490000045
为48度；
S416，对XOY观测面中阵列单元的半圆弧进行截取处理，去除导致入射角的角度大于
Figure FDA0002809895490000046
的部分；
S417，过经截取处理后保留的圆弧的两个端点，分别向OY轴做垂线，得到两条线段，将经截取处理后保留的圆弧、两条线段与OY轴包围形成的图形作为该阵列单元在XOY观测面的截面图形；
S418，反复执行所述步骤S411至步骤S417，直至所有的阵列单元均进行了半圆弧的截取处理。
7.根据权利要求6所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S510包括：
S511，从M个截取处理后的阵列单元选取一个阵列单元，将该阵列单元沿与OY轴平行的直线方向执行多次复制操作，直至超出透镜底面的边缘，去除超出透镜底面边缘的部分，形成一个具有多个相同阵列单元的阵列单元行。
8.根据权利要求7所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，所述步骤S510还包括：
S512，获取每一个阵列单元在XOZ观测面的宽度di；
S513，依据每一个阵列单元在XOZ观测面的宽度di，计算所述阵列单元在XOZ观测面的基准点的横坐标的绝对值Di；所述阵列单元在XOZ观测面的基准点，为该阵列单元中垂直于OZ轴的直线与OZ的交点；
S514，依据公式3计算所述阵列单元所在的阵列单元行沿OY轴方向的长度Li；
Figure FDA0002809895490000051
其中，Li为所述阵列单元所在的阵列单元行沿OY轴方向的长度，R为所述透镜底面的半径，Di为所述阵列单元在XOZ观测面的基准点的横坐标的绝对值，i为阵列单元的序号；
S515，获取所述阵列单元在XOZ观测面的高度Hi，所述阵列单元在XOZ观测面的高度Hi为该阵列单元在XOZ观测面中，纵坐标最大的坐标点的纵坐标的绝对值；
S516，依据公式4计算所述阵列单元在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离Wi；
Figure FDA0002809895490000052
其中，Wi为所述阵列单元在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离，Li为所述阵列单元所在的阵列单元行沿OY轴方向的长度，Hi为所述阵列单元在XOZ观测面的高度，
Figure FDA0002809895490000053
为入射角的临界角度，i为阵列单元的序号；
S517，依据公式5计算所述阵列单元所在的阵列单元行中，所述阵列单元的数量Ni；
Figure FDA0002809895490000054
其中，Ni为所述阵列单元所在的阵列单元行中，所述阵列单元的数量，Wi为所述阵列单元在XOY观测面中，两条线段之间的直线距离，i为阵列单元的序号。
9.根据权利要求8所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法，其特征在于，在所述步骤S500之后，所述方法还包括：
S600，基于线追迹软件TracePro对所述透镜结构进行仿真，生成仿真结果并存储。
10.一种可在48度内自由配光的透镜结构，其特征在于，基于权利要求1-9中任意一项所述的可在48度内自由配光的透镜结构的生成方法制备而成。
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