基于向量重構曲面的透鏡設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于向量重構曲面的透鏡設計方法，包括下述步驟：步驟一.對光源球面空間進行網格劃分，對地面進行網格劃分；根據能量守恒定律確定地面區(qū)域和光源區(qū)域對應關系；步驟二.經過步驟一中對光源區(qū)域和地面區(qū)域離散化以后，計算離散點的法向量；步驟三.根據待求曲面離散點法向量構建剖面線；步驟四.利用三維作圖軟件把以上多個剖面線光滑拼接起來就可以得到需要的曲面造型。利用該方法，能夠在計算機上實現(xiàn)自動化計算，大大方便了設計過程。
【專利說明】基于向量重構曲面的透鏡設計方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及照明領域，尤其是一種LED光學透鏡的設計方法。

【背景技術】
[0002] 隨著LED光源技術的發(fā)展和進步，人們對照明技術的要求也不斷提高，在一些場 合，往往需要特殊形式的照明。如路燈照明需要方形或者橢圓光斑的均勻照明，要求更高的 地方還需要偏心光斑。因此，對LED光源的二次配光透鏡提出了更高的要求。二次透鏡的 功能是將LED光源的發(fā)光角度再次匯聚光成5°至160°之間的任意想要的角度，光場的分 布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形。


【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于向量重構曲面的透鏡設計方法，適用于設計對稱 光斑和偏心光斑，方便設計者實現(xiàn)自動化計算。本發(fā)明采用的技術方案是：
[0004] 一種基于向量重構曲面的透鏡設計方法，包括下述步驟：
[0005] 步驟一.對光源球面空間進行網格劃分，對地面進行網格劃分；根據能量守恒定 律確定地面區(qū)域和光源區(qū)域對應關系；
[0006] 步驟二.經過步驟一中對光源區(qū)域和地面區(qū)域離散化以后，計算離散點的法向 量；
[0007] 步驟三.根據待求曲面離散點法向量構建剖面線；
[0008] 步驟四.利用三維作圖軟件把以上多個剖面線光滑拼接起來就能夠得到需要的 曲面造型。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明對于LED光源的二次配光透鏡的外表面的設計方法進行了 詳細的闡述，利用該方法，能夠在計算機上實現(xiàn)自動化計算，大大方便了設計過程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明的地面網格劃分示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明的光源網格劃分示意圖。
[0012] 圖3為本發(fā)明的光通過透鏡傳播示意圖。
[0013] 圖4為本發(fā)明的曲線造型示意圖。
[0014] 圖5為本發(fā)明的流程圖。

【具體實施方式】
[0015] 下面結合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0016] 本發(fā)明所提出的基于向量重構曲面的透鏡設計方法，包括下述步驟：
[0017] 步驟一.對光源球面空間進行網格劃分，對地面進行網格劃分；根據能量守恒定 律確定地面區(qū)域和光源區(qū)域對應關系；
[0018] LED光源的光線傳播路徑為：從光源出發(fā)，經過透鏡球形內表面，按照原方向射入 透鏡外表面，改變方向后出射到地面上預定位置形成地面上的光斑。在圖2中，光源置于球 坐標原點。透鏡外表面是待求自由曲面。
[0019] 首先對光源球面空間進行網格劃分，使用球坐標系，如圖2所示，光源以Z軸為中 心軸，Θ角為入射光的天頂角，ψ角為入射光的方位角；其次對地面進行網格劃分，以矩形 光斑為例，如圖1所示，地面以y〇為中心分割成同心矩形，其長寬比相等。光源0°?θ° 范圍內的光全部出射到地面半長為X，半寬為（y-y〇)的矩形區(qū)域。
[0020] 即可根據能量守恒定律建立方程：
[0021]

【權利要求】
1. 一種基于向量重構曲面的透鏡設計方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟一.對光源球面空間進行網格劃分，對地面進行網格劃分；根據能量守恒定律確 定地面區(qū)域和光源區(qū)域對應關系； 步驟二.經過步驟一中對光源區(qū)域和地面區(qū)域離散化以后，計算離散點的法向量； 步驟三.根據待求曲面離散點法向量構建剖面線； 步驟四.利用三維作圖軟件把以上多個剖面線光滑拼接起來就能夠得到需要的曲面 造型。
2. 如權利要求1所述的基于向量重構曲面的透鏡設計方法，其特征在于： 所述步驟一具體包括： 首先對光源球面空間進行網格劃分，使用球坐標系，光源以Z軸為中心軸，Θ角為入射 光的天頂角，Ψ角為入射光的方位角；對地面的矩形光斑進行網格劃分，地面以y〇為中心 分割成同心矩形，其長寬比相等。光源〇°?θ°范圍內的光全部出射到地面半長為X，半 寬為（y-y〇)的矩形區(qū)域； 根據能量守恒定律建立方程：
(la) 其中光強分布函數為
為單位球面上立體角對 應面積，E為地面照度，_
為對應地面面積；a, b為矩形光斑長、寬； 對公式（la)進行微分得到光源區(qū)域（201)對應地面區(qū)域（101)的關系，可建立方程：
(1) 對公式（1)微分得到光源區(qū)域子單元（202)和地面區(qū)域子單元（102)的對應關系，以 此建立分段方程：
⑵。
3. 如權利要求2所述的基于向量重構曲面的透鏡設計方法，其特征在于： 所述步驟二具體包括： 定義光源入射到待求曲面一點的入射光向量（301)為：
(3) 待求曲面法向量（302)為： Θ '角為&與2軸夾角，角為&與XZ平面夾角； (4) (5) 出射光向量（303)為： 公式（5)中，X，y為出射光線照到地面的坐標，z為光源高度； 三維空間折射定律為：
(6) η為介質（304)折射率，i為入射光與待求曲面法向量夾角，i'為出射光與待求曲面法 向量夾角； 根據向量夾角公式有
（7) 聯(lián)立公式（1)?（7)解得待求曲面對應點法向量。
4.如權利要求3所述的基于向量重構曲面的透鏡設計方法，其特征在于： 所述步驟三具體包括： 選取在同一個剖面上的離散點，由法向量能夠計算出這些離散點在此剖面上的切矢 量，即在該平面上的斜率，選取一個離散點為初始點，其他點坐標可以通過每個點的斜率平 滑地連接起來，此條線即為所求的剖面線； 任一個離散點的計算方法如下所述，在剖面內的入射光線（301)與剖面曲線（402)交 點的曲線切線（401)為向量；三維空間中曲線切線（401)必在該點的切平面上，所以必與曲 面在該點的法向量（302)垂直；綜上所述，令曲線切線（401)向量為：
(8) 9k角為曲線切線（401)與Z軸夾角； 在剖面局部坐標系中有
Xd z為剖面內的離散點坐標值，γ為曲線切線401與Xl軸夾角；公式（9)計算曲線切 線（401)的斜率；
(10) 為便于計算把曲線切線（401)斜率由直角坐標系轉換成極坐標系，聯(lián)立公式（1)? (10)，就能夠得到微分方程數值解，即為剖面曲線（402)離散點的坐標值。
【文檔編號】G06T19/20GK104091371SQ201410349167
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權日:2014年7月21日
【發(fā)明者】鐘功榮, 謝一明 申請人:無錫安邦電氣有限公司