本發(fā)明涉及非成像光學(xué)，特別地涉及一種基于量子度量非均勻的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著植物生理學(xué)、動(dòng)物學(xué)、光學(xué)技術(shù)、LED技術(shù)的急速發(fā)展以及中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)尤其是溫室和大棚數(shù)量以及大型養(yǎng)殖廠的不斷增加，大功率LED應(yīng)用到動(dòng)植物光照也越來(lái)越多。對(duì)于植物補(bǔ)光的情況下，需對(duì)普通植物光照LED燈具進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，以獲得合適的透鏡來(lái)滿足光學(xué)不均勻度的需求(因?yàn)楦鶕?jù)補(bǔ)光情況下，考慮太陽(yáng)光的照射，太陽(yáng)照射弱的地方，需要提供LED的光就會(huì)強(qiáng)，否則提供的光就會(huì)弱，這樣就需要光子照度的非均勻性設(shè)計(jì))。但是目前市面上所有進(jìn)行的二次光學(xué)設(shè)計(jì)均采用輻射度單位體系和光度單位體系，例如采用能量守恒定律，這種方法并沒(méi)有針對(duì)植物光照的采用量子度量系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。目前光度系統(tǒng)針對(duì)人眼而設(shè)計(jì)，并不適合動(dòng)物的光學(xué)設(shè)計(jì)，基于量子度量系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)相比較光度系統(tǒng)也更符合動(dòng)物光照的需求。大量資料表明，植物進(jìn)行光和作用光化學(xué)反應(yīng)時(shí)，吸收的光以其光子數(shù)目來(lái)計(jì)算，所以目前的二次光學(xué)設(shè)計(jì)的兩個(gè)衡量單位體系輻射度和光度還不能滿足植物光照燈具多色混光的二次光學(xué)設(shè)計(jì)的需求。需要建立一種基于量子度量的二次光學(xué)透鏡的非均勻性光照設(shè)計(jì)方法，此種方法可以滿足動(dòng)植物光照需求，產(chǎn)業(yè)化前景好，能隨著植物光照的不斷發(fā)展而進(jìn)行爆發(fā)期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于量子度量的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法滿足非均勻性光照設(shè)計(jì)，用于解決目前的光度系統(tǒng)針對(duì)人眼而設(shè)計(jì)，并不適合動(dòng)物的問(wèn)題以及解決二次光學(xué)設(shè)計(jì)的兩個(gè)衡量單位體系輻射度和光度還不能滿足植物光照燈具多色混光的二次光學(xué)設(shè)計(jì)的需求的問(wèn)題等。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種基于量子度量的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法，所述二次光學(xué)透鏡用于將光源發(fā)出的光折射至被照射面，其特征在于，包括：

S1、將被照射面按照光子照度需求劃分成至少一個(gè)網(wǎng)格，所述光子照度需求為非均勻光子照度；

S2、將光源劃分成與被照射面相同數(shù)量的網(wǎng)格，并與被照射面網(wǎng)格存在相對(duì)位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)光源出射的光子數(shù)滿足相對(duì)應(yīng)的被照射面的光子照度需求；

S3、根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及出射的光線方向與相對(duì)應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及所需的入射光線方向根據(jù)斯涅爾定律計(jì)算得到自由曲面，使得根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的每個(gè)位置上出射的光線與相對(duì)應(yīng)的根據(jù)被照射面劃分的網(wǎng)格的位置的入射光線的交叉點(diǎn)在該自由曲面上；

S4、填充自由曲面形成二次光學(xué)透鏡模型。

上述方案中，每條光線損失的光子數(shù)忽略不計(jì)。

上述方案中，所述一一對(duì)應(yīng)關(guān)系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格。

上述方案中，所述步驟S3包括：

S3.1、根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及出射的光線方向與相對(duì)應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及所需的入射光線方向根據(jù)斯涅爾定律計(jì)算得到控制網(wǎng)格；

S3.2、計(jì)算控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向量；

S3.3、根據(jù)控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向量計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的切向量；

S3.4、根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的切向量連接形成自由曲面。

上述方案中，所述步驟S4之后還包括：

S5、模擬光源通過(guò)步驟S4獲得的二次光學(xué)透鏡模型照射到被照射面，判斷被照射面是否達(dá)到非均勻光子照度分布需求；若未達(dá)到非均勻光子照度分布需求，則前進(jìn)到步驟S6，否則結(jié)束；

S6、改變劃分光源與被照射面的網(wǎng)格參數(shù)，返回步驟S1，所述網(wǎng)格參數(shù)包括網(wǎng)格密度和網(wǎng)格形狀。

(三)有益效果

本發(fā)明相比較輻射度量和光度量的二次光學(xué)設(shè)計(jì)在植物光照燈具光學(xué)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域更加精確，使得植物光照燈具的使用面上的光子照度特定非均勻性更準(zhǔn)確，而不是其使用面上光照度和光輻射度特定非均勻性更準(zhǔn)確，更能滿足植物對(duì)補(bǔ)光和動(dòng)物對(duì)補(bǔ)光和誘光的需求，更有利于動(dòng)植物的生長(zhǎng)，使用廣泛，可以應(yīng)用于大型養(yǎng)殖廠、溫室、大棚補(bǔ)光燈或者植物工廠等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種量子度量的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的將被照射面和光源劃分網(wǎng)格并確定一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的計(jì)算得出自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)法向量的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的通過(guò)分析自由曲面的節(jié)點(diǎn)法向量而形成曲面的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于量子度量的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法，滿足光子數(shù)和/或光子通量守恒定律、邊緣光線定理、光束擴(kuò)展度守恒定理、幾何光學(xué)原理。所述量子度量包括光子數(shù)、光子通量、光子照度、光子強(qiáng)度、光子亮度以及光子出射度。

光子數(shù)守恒定律是考慮從光源到被照射面，每條光線所走過(guò)的路線差與走過(guò)的路線長(zhǎng)度相比可以忽略不計(jì)，所以假定每條光線損失的光子數(shù)目或者損失的光子數(shù)目差別忽略不計(jì)。

光子通量守恒定律是考慮從光源到被照射面，每條光線所走過(guò)的路線差與走過(guò)的路線長(zhǎng)度相比可以忽略不計(jì)，所以假定單位時(shí)間內(nèi)每條光線損失的光子數(shù)目或者損失的光子數(shù)目差別忽略不計(jì)。

邊緣光線定理是考慮光源劃分的網(wǎng)格與被照射面劃分的網(wǎng)格存在相對(duì)位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格。

光束擴(kuò)展度守恒定理指的是，每條出射光的光束擴(kuò)展度隨著光線的延伸而不會(huì)發(fā)生變化。

幾何光學(xué)原理指的是，光源的光經(jīng)過(guò)透鏡到達(dá)被照平面要滿足折射定律和光的獨(dú)立傳播定律和光的直線傳播定律。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種量子度量的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法的流程圖。

如圖所示，在步驟S1，劃分被照射面網(wǎng)格。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，將被照射面按照光子照度需求劃分成至少一個(gè)網(wǎng)格，所述光子照度需求為非均勻光子照度。在本發(fā)明實(shí)施例中，所述將被照射面按照光子照度需求劃分成至少一個(gè)網(wǎng)格包括按照光子照度需求將被照射面劃分成形狀大小各異的網(wǎng)格。例如可以是多角形的網(wǎng)格，可以是梯形分布的網(wǎng)格，本發(fā)明不限制網(wǎng)格的形狀和大小以及分布。例如，如圖2所示，包括光源8、被照射面7以及一一對(duì)應(yīng)關(guān)系6。將被照射面7劃分成5x5的25個(gè)網(wǎng)格711，按照光子照度需求，最外圈的16個(gè)網(wǎng)格所需光子數(shù)相同，中間一圈的8個(gè)網(wǎng)格712所需光子數(shù)相同，但是最外圈與中間一圈以及最中心的一個(gè)網(wǎng)格之間所需的光子數(shù)不相同。

在步驟S2，劃分光源網(wǎng)格。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，將光源劃分成與被照射面相同數(shù)量的網(wǎng)格，并與被照射面網(wǎng)格存在相對(duì)位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)光源出射的光子數(shù)滿足相對(duì)應(yīng)的被照射面的光子照度需求。所述一一對(duì)應(yīng)關(guān)系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對(duì)應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格。在本發(fā)明實(shí)施例中，將一次封裝后的光源8近似一條含特定特小立體角出射與被照射面7的某一特定區(qū)域設(shè)定一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。滿足光子數(shù)守恒定律和邊緣光線原理。例如，如圖2所示，包括光源8、被照射面7以及一一對(duì)應(yīng)關(guān)系6。將光源8劃分為與被照射面7數(shù)量相同的25個(gè)網(wǎng)格，光源8劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格16個(gè)即最外圈圓環(huán)中的網(wǎng)格811，對(duì)應(yīng)被照射面7劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格16個(gè)即矩形最外圈的網(wǎng)格711，光源8劃分的網(wǎng)格的中間圈網(wǎng)格8個(gè)即中間圈圓環(huán)中的網(wǎng)格812，對(duì)應(yīng)被照射面7劃分的網(wǎng)格的中間網(wǎng)格8個(gè)即矩形中間圈的網(wǎng)格712，如圖2中對(duì)應(yīng)關(guān)系6所示；光源8劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格1個(gè)即最內(nèi)圈圓表示的網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)被照射面7劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格1個(gè)即矩形最中心1x1表示的網(wǎng)格，如圖2中對(duì)應(yīng)關(guān)系6所示。如圖2所示，光源最外圈與中間一圈以及中心圓的網(wǎng)格出射的光子數(shù)不同，用不同的填充線表示。

在步驟S3，計(jì)算得到自由曲面。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及出射的光線方向與相對(duì)應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及所需照射的光線方向根據(jù)斯涅爾定律計(jì)算得到自由曲面。所述計(jì)算得到自由曲面包括：根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及出射的光線方向與相對(duì)應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)、位置以及所需照射的光線方向根據(jù)斯涅爾定律得到控制網(wǎng)格；計(jì)算得到控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向量；根據(jù)控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的法向量計(jì)算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的切向量；根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的切向量連接形成自由曲面。例如，如圖3所示，包括被照射面7、光源8、控制網(wǎng)格9、入射光線10、出射光線11以及控制網(wǎng)格法向量12。根據(jù)光源8的各個(gè)網(wǎng)格的出射光線11以及被照射面7的相對(duì)應(yīng)的各個(gè)網(wǎng)格入射光線12的交接點(diǎn)以及斯涅爾定律確定控制網(wǎng)格9。結(jié)合斯涅爾定律確定出射光線11到入射光線12需要的折射角度，以此確定控制網(wǎng)絡(luò)9的法向量12。如圖4所示，包括控制網(wǎng)格法向量12、控制網(wǎng)格切向量13。將控制網(wǎng)格法向量12轉(zhuǎn)化為控制網(wǎng)格切向量13，并連接控制網(wǎng)格切向量13形成自由曲面。

在步驟S4，填充自由曲面形成二次光學(xué)透鏡。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，將自由曲面填充透鏡形成二次光學(xué)透鏡或二次光學(xué)透鏡模型。

在步驟S5，建造模型，判斷被照射面是否達(dá)到非均勻光子照度分布需求。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，利用tracepro、lighttools等光學(xué)模擬軟件根據(jù)上述所得到的透鏡模型建模并結(jié)合光源特性進(jìn)行模擬計(jì)算，如果計(jì)算被照射面非均勻光子照度分布不能滿足要求，則進(jìn)行步驟S6，否則結(jié)束。

在步驟S6，調(diào)整網(wǎng)格密度。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，若被照射面非均勻光子照度分布不滿足需求，則重新調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，包括調(diào)整網(wǎng)格密度和網(wǎng)格形狀等，重復(fù)步驟S1至S5。例如，如果被照射面的非均勻光子照度分布還未滿足所需的分布標(biāo)準(zhǔn)，則增加劃分網(wǎng)格的密度。所述網(wǎng)格形狀不限定為正方形，還可以是多邊形，不規(guī)則圖形等。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，如果上述設(shè)計(jì)的透鏡已經(jīng)滿足被照射面非均勻光子照度分布需求，則認(rèn)為二次光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。后續(xù)可以工業(yè)加工上述二次光學(xué)透鏡以制成成品。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。