專利名稱：一種新型led光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種針對LED透鏡的自由曲面進行優(yōu)化的新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
由于LED相對于傳統(tǒng)照明光源具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，大功率LED照明技術(shù)引起了國內(nèi)外光源界的普遍關(guān)注，已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品，LED照明產(chǎn)品的開發(fā)、研制、生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。由于LED發(fā)出的光近似朗伯型，與傳統(tǒng)光源有較大不同，不能直接用于現(xiàn)有的照明系統(tǒng)。因此，為了更好的將LED作為照明光源，研究大功率LED光源的二次光學系統(tǒng)配光設(shè)計，合理分配LED芯片的光能顯得尤為迫切。在當前的LED自由曲面光學設(shè)計中，由于目標面平面與光源的距離遠遠大于光源的尺寸，光源的大小與光學系統(tǒng)相比也可忽略，所以常用點光源來近似代替實際光源；通過網(wǎng)格的細分，再結(jié)合邊緣光線理論，近似認為網(wǎng)格結(jié)點代表整個網(wǎng)格。通過這些近似，將實際的問題簡單化，最終建立起透鏡模型。對于大功率LED自由曲面光學設(shè)計，由于上述近似，實際得到的仿真結(jié)果與預(yù)期效果存在較大偏差。近來，為了減小這些偏差，獲得更好的結(jié)果，人們引入不同的反饋修正方法。但是，這些方法總體來說操作復雜，有的方法得到的結(jié)果也較差?！兑壕c顯示》期刊在2008年10月第23卷第5期的第589頁至593頁中刊登了一篇“自由曲面的LED路燈透鏡的設(shè)計”，該透鏡設(shè)計方法采用邊緣光線擴展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點矢量的精確計算方法。該計算方法結(jié)合了邊緣光線原理以及光源的擴展度守恒(Etendue Conservation)，光源經(jīng)過光學系統(tǒng)到達目標面是個數(shù)學映射關(guān)系。通過自由曲面的邊緣的那部分光線經(jīng)過映射后，也對應(yīng)于目標面的邊緣，自由曲面中間連續(xù)的部分，經(jīng)過映射后，也在目標面中間形成連續(xù)的分布。如果光學系統(tǒng)沒有損耗，則光學系統(tǒng)的光源及目標面的擴展度是守恒的，因此可將目標面與自由曲面分割成等量的網(wǎng)格，目標面的節(jié)點與自由曲面的節(jié)點一一對應(yīng)。再根據(jù)目標面節(jié)點的位置以及法線矢量就可以對應(yīng)的精確計算出自由曲面的控制網(wǎng)格的節(jié)點矢量，從而生成所需要的自由曲面。該設(shè)計方法雖然可以根據(jù)目標面來生成自由曲面，但在目標面的照度不一致，即照射亮度不均勻，使用效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中，針對LED透鏡的自由曲面的設(shè)計方法存在較大偏差及優(yōu)化方法過于復雜等問題，提出一種新型的LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法，這種方法操作簡單，用其設(shè)計的LED自由曲面可以很好的達到預(yù)期效果，并且適用于照明設(shè)計。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提出一種基于等差數(shù)列的新型反饋優(yōu)化方法，按照等差數(shù)列的分布形式修正光源或者目標面的網(wǎng)格劃分，從而改變各網(wǎng)格對應(yīng)的光通量，進而改變目標面的照度分布，與各種誤差對模型的影響相抵消，最終使得透鏡的自由曲面得到優(yōu)化，進而得到預(yù)期的效果。一種新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法，包括以下步驟
1)對已建立的透鏡模型的自由曲面和目標面進行網(wǎng)格劃分，在自由曲面和目標面上均生成M行、N列個網(wǎng)格，根據(jù)入射光線以及出射光線的對應(yīng)關(guān)系，將自由曲面網(wǎng)格與目標面網(wǎng)格進行對應(yīng)；
目標面上照度分布與光通量及照明面積的關(guān)系為E(i，j)=0 (i, j)/S(i, j)，其中，E(i, j)為第i行，第j列網(wǎng)格的照度值，Φ( ，j)為照射到該網(wǎng)格的光通量，S(i，j)為該網(wǎng)格的面積；
2)計算E(i, j),通過將透鏡模型放在TracePro中仿真分析，得到E (i, j),如果E (i, j) >平均值Etl,則減小對應(yīng)自由曲面的網(wǎng)格的面積或增大目標面的網(wǎng)格的面積，減小 Φ (i, j)的光通量，直到E (i，j) =平均值Etl ;如果E(i，j)〈平均值Etl，則增大對應(yīng)自由曲面的網(wǎng)格的面積或減小目標面的網(wǎng)格的面積，增大的光通量，直到E(i，j) =平均值Etl;
其中，步驟2中，當E (i，j)大于或小于平均值Etl時，在對目標面的網(wǎng)格調(diào)節(jié)時，采用以下方法
由于自由曲面的表面是曲面，因此目標面的照度變化是線性變化(連續(xù)變化)，當目標面的C方向上照度分布存在偏差時，引入等差數(shù)列作為反饋系數(shù)，該方向上的目標面的網(wǎng)格數(shù)為M，引入的等差數(shù)列為a1、a2、a3……aM;調(diào)整后目標面上各網(wǎng)格的面積為S' (1，」)=( 00- &-1))/ (10\5_，其中，5' (i，j)為優(yōu)化調(diào)整后目標面上第i行，第j
列網(wǎng)格的面積，P(k)是等差數(shù)列a1、a2、a3...... aM的如k項和，Smax為M個網(wǎng)格的面積總和；
如果需要調(diào)整的區(qū)域沿選定C方向由照度偏大變化到照度偏小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)為B1Mm,否則應(yīng)選取為a^aM。調(diào)節(jié)后，如果該方向上的照度還存在偏差，重復上述步驟，直到消除偏差或偏差在控制范圍內(nèi)，如1%以下。目標面網(wǎng)格調(diào)節(jié)后，根據(jù)自由曲面和目標面的對應(yīng)關(guān)系，對自由曲面進行優(yōu)化調(diào)
M
iF. O這里的C方向為某一任意方向，為方便理解這里標識為C方向。其中，步驟2中，當E(i，j)大于或小于平均值Etl時，在對自由曲面調(diào)節(jié)時，采用以下方法
由于自由曲面的表面是曲面，因此目標面的照度變化是線性變化，當目標面的A方向
上照度分布存在偏差時，該方向上的目標面的網(wǎng)格數(shù)為M,引入等差數(shù)列IDplvb3...... bM作
為反饋系數(shù)；由于目標面的網(wǎng)格與自由曲面的網(wǎng)格是一一對應(yīng)的，因此將目標面的A方向上M個網(wǎng)格對應(yīng)到自由曲面上的B方向上M個網(wǎng)格，調(diào)整后自由曲面的網(wǎng)格的光通量為Φ' α，]·)=(Ρ0Ο-Ρα-1))/Ρ(Μ)ΧΦ·^φ，Φ' (i，j)為優(yōu)化調(diào)整后光源劃分第 i 行，第j列網(wǎng)格的光通量，Φ_為M個網(wǎng)格的光通量之和，P(k)是等差數(shù)列b1、b2、b3……bM的前k項和；
如果需要調(diào)整的區(qū)域的照度沿B方向由大變小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)為^^否則應(yīng)選取為bpbp調(diào)節(jié)后，如果該方向上的照度還存在偏差，重復上述步驟，直到消除偏差或偏差在控制范圍內(nèi)，如1%以下。
這里A方向為目標面的任一方向，B方向為自由曲面上與A方向相對應(yīng)的一個方向。本發(fā)明的原理是反饋優(yōu)化設(shè)計就是通過目標面的照度分布，反過來調(diào)整網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系進而使目標面上的照度重新分布以達到預(yù)期要求，目標面上照度分布與光通量及照明面積的關(guān)系為E(i，j)=0 (i, j)/S(i, j)，其中，E(i，j)為第i行，第j列網(wǎng)格的照度值，Φ (i, j)為照射到該網(wǎng)格的光通量，S(i, j)為該網(wǎng)格的面積。例如目標面某個網(wǎng)格對應(yīng)的照度為E，而平均值為Etl,如果E〉^，就需要將對應(yīng)光源網(wǎng)格縮小以減少其光通量或者增大目標面的網(wǎng)格以增大照射面積從而降低該網(wǎng)格的照度值，反之，則需增大光源網(wǎng)格以增大其光通量或者減小目標面的網(wǎng)格以減小照射面積從而增大該網(wǎng)格的照度值。正向反饋優(yōu)化方法是對光源的網(wǎng)格劃分不變，通過目標面網(wǎng)格的擴大與縮小來調(diào)整照度分布情況。比如說某一網(wǎng)格預(yù)期平均照度值是Etl，而實際是E，如果E^tl，就增大目標 面平面的該網(wǎng)格的面積，反之，則縮小該網(wǎng)格的面積。這是因為在光源網(wǎng)格劃分不變的情況下，與該網(wǎng)格對應(yīng)的光通量是不變的，通過改變目標面網(wǎng)格的面積可以調(diào)整該網(wǎng)格的照度分布。沿某一照度分布存在偏差的方向引入項數(shù)為M的等差數(shù)列a1、a2、a3……aM作為反饋系數(shù)，M為需要調(diào)整的區(qū)域沿選定方向劃分的網(wǎng)格數(shù)，調(diào)整后目標面上各網(wǎng)格的面積為S' (1，」)=( 00- &-1))/ (10\5_，其中，5' (i，j)為優(yōu)化調(diào)整后目標面上第i行，第j列網(wǎng)格的面積，P(k)是等差數(shù)列a1、a2、a3……aM的前k項和。若沿橫向方向調(diào)整優(yōu)化，則k=i，若沿縱向方向，則k=j。如果需要調(diào)整的區(qū)域沿選定方向由照度偏大變化到照度偏小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)為％>&Μ，否則應(yīng)選取為ai〈aM。逆向反饋優(yōu)化方法是對目標面的網(wǎng)格劃分不變，通過對光源網(wǎng)格劃分的改變來調(diào)整目標面的照度分布。在目標面網(wǎng)格照明面積不變情況下，通過改變照射到該網(wǎng)格的光通量可以調(diào)整其照度分布。比如說某一網(wǎng)格預(yù)期平均照度值是Etl，而實際是E，如果E^tl，那么就需要將其對應(yīng)的光源網(wǎng)格面積縮小以減少光通量，反之，則需增加光源網(wǎng)格面積以增大光通量。在沿某一照度分布存在偏差的方向引入項數(shù)為M的等差數(shù)列b1、b2、b3……bM作為反饋系數(shù)，調(diào)整后光源各網(wǎng)格的光通量為Φ' (i，j)= (P(k)-P(k-l))/P(M)XOmax，其中，Φ , (i, j)為優(yōu)化調(diào)整后光源劃分第i行，第j列網(wǎng)格的光通量，P(k)是等差數(shù)列bp b2、
b3...... bM的前k項和。若沿橫向方向調(diào)整優(yōu)化,則k=i,若沿縱向方向，則k=j。如果需要
調(diào)整的區(qū)域沿選定方向由照度偏大變化到照度偏小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)SbZbM，否則應(yīng)選取為bpbp前面所述正向反饋優(yōu)化方法與逆向反饋優(yōu)化方法所采取的原理基本相同，但采用不同的實施手段來完成優(yōu)化設(shè)計，我們可根據(jù)實際情況選取一種較易實現(xiàn)的方法，也可把這兩種方法結(jié)合使用以達到更好的優(yōu)化結(jié)果。本發(fā)明的有益效果
一、本發(fā)明所述反饋優(yōu)化設(shè)計方法根據(jù)偏差對照度分布連續(xù)影響的特點，引入以等差數(shù)列形式分布的反饋系數(shù)對設(shè)計進行優(yōu)化，相比于現(xiàn)有的優(yōu)化方法，本發(fā)明提供的優(yōu)化方法操作簡單，大幅減少設(shè)計過程的工作量。二、本發(fā)明所述反饋優(yōu)化設(shè)計方法通過目標面的照度分布，反過來調(diào)整網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系進而使目標面上的照度重新分布以達到預(yù)期要求，可以很好的達到預(yù)期效果，并且適用于大部分的照明設(shè)計。


圖1為目標面網(wǎng)格調(diào)整不意 圖2為自由曲面網(wǎng)格調(diào)整示意 圖3為自由曲面網(wǎng)格(a)與目標面網(wǎng)格(b)對應(yīng)示意 圖4為原始模型與正向及逆向優(yōu)化模型對比示意 圖5為原始模型(a)與正向優(yōu)化模型(b)及逆向優(yōu)化模型(C)的仿真結(jié)果對比示意圖。
具體實施例方式 下面結(jié)合圖1至圖5和實施例對本發(fā)明做進一步的詳述。實施例
一種新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法包括以下步驟1、對透鏡的自由曲面與目標面進行網(wǎng)格劃分，采取圖3所示劃分方式對自由曲面和目標面進行網(wǎng)格劃分，建立相應(yīng)網(wǎng)格點的對應(yīng)關(guān)系(Φ ，θ j)——(Xi, y」)，其中，Φ角為光線方向與LED芯片平面法線方向(即Z軸正向)的夾角，Θ角為光線在XOY平面上的投影與X軸正向的夾角。2.按照建立的對應(yīng)關(guān)系進行表面數(shù)據(jù)點的迭代求解，將數(shù)據(jù)點導入三維制圖軟件Solidfforks中得到初始透鏡模型,并對所建模型在TracePro中仿真分析，仿真結(jié)果如圖5(a)所示。在本實施例的仿真中選用科銳公司XPG系列的LED芯片作為光源，其發(fā)光面的尺寸約為1_，具有近似朗伯型的發(fā)光面，透鏡材料選用PMMA，其折射率約為1. 49。3.將分析仿真結(jié)果與預(yù)期效果對比分析，確定具體優(yōu)化方案。本實施例中由圖5(a)可以看出初始模型的照度公布為中心部分比較暗，而向邊緣部分逐漸增強。優(yōu)化時，可以采用以下兩種方案。I)采用正向反饋優(yōu)化方法，按等差數(shù)列的分布方式重新劃分目標面網(wǎng)格面積r，在光通量劃分不變的情況下，減小中心部分對應(yīng)網(wǎng)格的照明面積而增大邊緣部分對應(yīng)網(wǎng)格的照明面積，并且使對應(yīng)網(wǎng)格的照明面積由中心向邊緣逐漸遞增。如果沿中心至邊緣的某一方向的所對應(yīng)的目標面的網(wǎng)格劃分為M個，故引入項數(shù)為M的等差數(shù)列bp b2、b3……bM,取 Id1=O. 6, bM=l. 4,則重新劃分的網(wǎng)格面積為 r' (i)=r/ (1-1) + (p (i) -p (1-1)) /p (M)Xrmax，其中，r' (I)為最邊緣部分的網(wǎng)格面積，r' (M)為中心網(wǎng)格的面積，P(i)為等差數(shù)列中前i項之和，!".為M個網(wǎng)格的面積之和。由此可得到新的目標面網(wǎng)格坐標。如圖1所示，實線為目標面開始劃分的網(wǎng)格，虛線為目標面調(diào)整后劃分的網(wǎng)格。2)采用逆向反饋優(yōu)化方法，按等差數(shù)列的分布方式重新劃分光線方向與LED芯片平面法線方向(即Z軸正向)的夾角Φ，在目標面劃分不變的情況下增大中心部分的光通量而減小邊緣部分的光通量，并且使光通量由中心向邊緣逐漸遞減。如果沿中心至邊緣的某
一方向的網(wǎng)格劃分為M個,故引入項數(shù)為M的等差數(shù)列a1、a2、a3...... &111,取B1=L 5,aM=0. 5,
則重新劃分的 Φ '⑴為Φ' (i)= Φ' (1-l) + ( p ⑴-p (1-1))/p (M) ΧΦ_，其中，Φ , (I)為最邊緣部分的網(wǎng)格面積，Φ , (M)為該方向上的中心網(wǎng)格的面積，P⑴為等差數(shù)列中前i項之和，Φ_為M個網(wǎng)格的面積之和。由此可得到新的自由曲面的網(wǎng)格坐標。如圖2所示，實線為自由曲面開始劃分的網(wǎng)格，虛線為自由曲面調(diào)整后劃分的網(wǎng)格。4.分別按照步驟I)和2)的劃分方式重新建立網(wǎng)格點正向優(yōu)化的對應(yīng)關(guān)系以及逆向優(yōu)化的對應(yīng)關(guān)系(Φi, θ P— (X' i, y'」)和(Φ, , θ ' j)— (χ, i, y' P，按照新建立的對應(yīng)關(guān)系進行表面數(shù)據(jù)點的迭代求解，得到優(yōu)化后的透鏡模型，并在相同條件下對所建模型仿真分析，正向優(yōu)化與逆向優(yōu)化的仿真結(jié)果分別如圖5 (b)和5 (c)所示。結(jié)果表明，本發(fā)明所提出的LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法操作簡單，用其設(shè)計的LED自由曲面可以很好的達到預(yù)期效果。以上僅是本申請的較佳實施例，在此基礎(chǔ)上的等同技術(shù)方案仍落入申請保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法，其特征在于其包括以下步驟 對已建立的透鏡模型的自由曲面和目標面進行網(wǎng)格劃分，在自由曲面和目標面上均生成M行、N列個網(wǎng)格，根據(jù)入射光線以及出射光線的對應(yīng)關(guān)系，將自由曲面網(wǎng)格與目標面網(wǎng)格進行對應(yīng)； 目標面上照度分布與光通量及照明面積的關(guān)系為E(i，j)=0(i，j)/S(i，j)，其中，E(i，j)為第i行，第j列網(wǎng)格的照度值，為照射到該網(wǎng)格的光通量，S(i，j)為該網(wǎng)格的面積； 計算E (i, j)，如果E (i, j) >平均值Etl,則減小對應(yīng)自由曲面的網(wǎng)格的面積或增大目標面的網(wǎng)格的面積，減小Φ (i, j)的光通量，直到E (i，j) =平均值Etl ;如果E(i，j)〈平均值E。，則增大對應(yīng)自由曲面的網(wǎng)格的面積或減小目標面的網(wǎng)格的面積，增大的光通量，直到E(i，j) =平均值Etl; 調(diào)節(jié)透鏡的自由曲面；根據(jù)目標面的網(wǎng)格與自由曲面的網(wǎng)格對應(yīng)關(guān)系調(diào)節(jié)透鏡的自由曲面，或根據(jù)自由曲面的網(wǎng)格大小的改變，調(diào)節(jié)透鏡的自由曲面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法，其特征在于步驟2)中，當E(i，j)大于或小于平均值Etl時，在對目標面網(wǎng)格調(diào)節(jié)時，采用以下方法 當目標面的C方向上照度分布存在偏差時，引入等差數(shù)列作為反饋系數(shù),該方向上的目標面的網(wǎng)格數(shù)為M，引入的等差數(shù)列為a1、a2、a3……aM ;調(diào)整后目標面上各網(wǎng)格的面積為S' (1，」)=( 00- &-1))/ (10\5_，其中，5' (i，j)為優(yōu)化調(diào)整后目標面上第i行，第j列網(wǎng)格的面積，P(k)是等差數(shù)列apa2、a3...... aM的如k項和,Smax為M個網(wǎng)格的面積總和；如果需要調(diào)整的區(qū)域的照度沿選定C方向由大變小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)為ai>aM，否則應(yīng)選取為a^aM ； 調(diào)節(jié)后，如果該方向上的照度還存在偏差，重復上述步驟，直到消除偏差或偏差在控制范圍內(nèi)； 目標面網(wǎng)格調(diào)節(jié)后，根據(jù)自由曲面和目標面的對應(yīng)關(guān)系，對自由曲面進行優(yōu)化調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法，其特征在于步驟2)中，當E (i，j)大于或小于平均值Etl時，在對自由曲面調(diào)節(jié)時，采用以下方法 當目標面的A方向上照度分布存在偏差時，該方向上的目標面的網(wǎng)格數(shù)為M，引入等差數(shù)列V b2、b3……bM作為反饋系數(shù)；由于目標面的網(wǎng)格與自由曲面的網(wǎng)格是一一對應(yīng)的，因此將目標面的A方向上M個網(wǎng)格對應(yīng)到自由曲面上的B方向上M個網(wǎng)格，調(diào)整后自由曲面的網(wǎng)格的光通量為Φ' (1，」)=( 00- &-1))/ (厘)\0_，其中，0' (i，j)為優(yōu)化調(diào)整后光源劃分第i行，第j列網(wǎng)格的光通量，Φ_為M個網(wǎng)格的光通量之和，P (k)是等差數(shù)列bp b2、b3...... bM的前k項和； 如果需要調(diào)整的區(qū)域的照度沿B方向由大變小，則等差數(shù)列的初值選取應(yīng)為1^〈1^否則應(yīng)選取為bPW ;調(diào)節(jié)后，如果該方向上的照度還存在偏差，重復上述步驟，直到消除偏差或偏差在控制范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種針對LED透鏡的自由曲面進行優(yōu)化的新型LED光學設(shè)計反饋優(yōu)化方法。該方法包括1)對已建立的透鏡模型的自由曲面和目標面進行網(wǎng)格劃分，2)計算目標面的照度分布，3)引入等差數(shù)列并根據(jù)計算的實際照度調(diào)節(jié)目標面網(wǎng)格或自由曲面網(wǎng)格大小，4)調(diào)節(jié)LED透鏡的自由曲面。本發(fā)明根據(jù)偏差對照度連續(xù)影響的特點，引入以等差數(shù)列形式分布的反饋系數(shù)對設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)化方法操作簡單，大幅減少設(shè)計過程的工作量。
文檔編號F21Y101/02GK103020386SQ20121058241
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者石智偉, 閆國棟, 鄧國強, 祝炳忠, 梁鳴娟 申請人:東莞勤上光電股份有限公司, 廣東工業(yè)大學