專利名稱：自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
非成像反射器(Non-imaging Reflector)被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能收集、汽車照明等領(lǐng)域。傳統(tǒng)非成像反射器的形態(tài)以平面、V型面、球面、拋物面等簡(jiǎn)單二次曲面為主，通過(guò)采用非成像光學(xué)的“邊緣光線原理”設(shè)計(jì)得到。隨著設(shè)計(jì)水平和制造能力的不斷提高，自由曲面等較復(fù)雜的形態(tài)也被引入反射器設(shè)計(jì)當(dāng)中。
傳統(tǒng)非成像反射器設(shè)計(jì)方法存在明顯缺陷。首先，由于平面或二次曲面結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，通常只需要數(shù)個(gè)參數(shù)就可以完全確定形狀，設(shè)計(jì)人員可以利用的自由度過(guò)小，不適用于一些具有復(fù)雜配光要求的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，例如汽車的前照燈。其次，傳統(tǒng)上采用試錯(cuò)的方式進(jìn)行非成像反射器的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員的工作量很大，并且產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)照明系統(tǒng)變量數(shù)目較多時(shí)，采用人工試錯(cuò)的方式幾乎不可能找到最優(yōu)化的反射器結(jié)構(gòu)。如果使用“邊緣光線原理”(Edge RayMethod，ERM)進(jìn)行反射器的設(shè)計(jì)，則必須要求設(shè)計(jì)人員具有較多的數(shù)學(xué)以及照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，并且“邊緣光線原理”方法本身也具有一些缺陷，例如存在截?cái)嗾`差等。
為了克服傳統(tǒng)非成像反射器設(shè)計(jì)方法的不足，需提供一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，其采用非均勻有理B樣條(Non-uniform-Rational-Basis-Splines，NURBS)描述算法來(lái)描述自由曲面反射器面型以及使用種群差異演化(Differential Evolution，DE)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自由曲面反射器的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)試錯(cuò)方法，可減小設(shè)計(jì)人員的工作量，設(shè)計(jì)人員只需要輸入諸如反射器尺寸以及配光要求等少量的數(shù)據(jù)即可以自動(dòng)生成反射器的面型。其次，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求很低，無(wú)需設(shè)計(jì)人員了解“邊緣光線原理”等非成像反射器設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)。此外，設(shè)計(jì)生成的反射器可以產(chǎn)生任意指定的光能分布，可廣泛應(yīng)用于含反射器的照明系統(tǒng)中。例如，用于使用發(fā)光二級(jí)管(LED)或冷陰極熒光燈(CCFL)做為光源的背光系統(tǒng)中，可以提高光能耦合效率；用于太陽(yáng)能聚光器的設(shè)計(jì)，則可以提高太陽(yáng)能的利用率。

發(fā)明內(nèi)容鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過(guò)采用非均勻有理B樣條(Non-uniform Rational Basis Spline，NURBS)描述算法以及種群差異演化(Differential Evolution，DE)算法實(shí)現(xiàn)自由曲面反射器的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
此外，還有必要提供一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)采用NURBS描述算法以及DE算法實(shí)現(xiàn)自由曲面反射器的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括一個(gè)用戶輸入接口、一個(gè)自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元以及一個(gè)自由曲面反射器輸出單元。所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元包括一個(gè)自由曲面描述模塊，用于根據(jù)用戶輸入的反射器尺寸以及配光要求相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)NURBS描述算法，該NURBS描述算法用于描述自由曲面反射器的面型；一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊，用于建立一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布與當(dāng)前照度值之間的差異；一個(gè)種群差異演化算法產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生一種適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的DE算法，該DE算法是一種全局優(yōu)化算法，用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型；一個(gè)自由曲面反射器模型建立模塊，用于根據(jù)上述產(chǎn)生的NURBS描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及DE算法建立一個(gè)自由曲面反射器模型，并將該自由曲面反射器模型輸出至所述自由曲面反射器輸出單元中。
一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟(a)接收所需生成的自由曲面反射器相關(guān)參數(shù)；(b)根據(jù)接收的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)用于描述自由曲面反射器面型的NURBS描述算法；(c)建立一個(gè)適用于所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和當(dāng)前照度值之間差異的評(píng)價(jià)函數(shù)；(d)產(chǎn)生一個(gè)找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型的DE算法；(e)根據(jù)上述產(chǎn)生的NURBS描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及DE算法產(chǎn)生一個(gè)自由曲面反射器模型；(f)根據(jù)所述的自由曲面反射器模型產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，設(shè)計(jì)人員只需要輸入諸如反射器尺寸以及配光要求等少量數(shù)據(jù)即可以自動(dòng)生成自由曲面反射器的面型。因設(shè)計(jì)人員無(wú)需了解“邊緣光線原理”等非成像反射器設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，從而減小了設(shè)計(jì)人員的工作量，并且生成的反射器可以產(chǎn)生任意指定的光能分布，可廣泛應(yīng)用于含反射器的照明系統(tǒng)中。

圖1是本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)較佳實(shí)施例的架構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法較佳實(shí)施例的流程圖。
圖3是利用邊緣光線原理產(chǎn)生的反射器在極坐標(biāo)系上的示意圖。
圖4是利用邊緣光線原理設(shè)計(jì)產(chǎn)生的ERM反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下YZ平面內(nèi)ERM反射器輪廓平面圖。
圖5是利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生的DE反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下YZ平面內(nèi)DE反射器輪廓平面圖。
圖6是在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下ERM反射器以及DE反射器產(chǎn)生的照度分布的垂直截面圖。
圖7是利用邊緣光線原理設(shè)計(jì)產(chǎn)生的ERM反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下YZ平面內(nèi)ERM反射器輪廓平面圖。
圖8是利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的DE反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下YZ平面內(nèi)DE反射器輪廓平面圖。
圖9是在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下ERM反射器以及DE反射器產(chǎn)生的照度分布的垂直截面圖。
圖10是利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的具有聚焦照度分布的NURBS反射器在YZ平面內(nèi)的反射器輪廓平面圖。
圖11是利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的NURBS反射器輪廓與橢球面反射器輪廓在YZ平面的反射器輪廓差異示意圖。
圖12是利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的NURBS反射器的相對(duì)照度分布的垂直截面圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，是本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)較佳實(shí)施例的架構(gòu)圖。該系統(tǒng)主要包括一個(gè)用戶輸入接口1、一個(gè)自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元2以及一個(gè)自由曲面反射器輸出單元3。所述的用戶輸入接口1用于接收用戶輸入所需反射器的尺寸以及配光要求等數(shù)據(jù)。所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元2用于通過(guò)采用一種非均勻有理B樣條(Non-uniform Rational Basis Spline，NURBS)描述方法來(lái)描述自由曲面反射器面型，以及使用一個(gè)種群差異演化(Differential Evolution，DE)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自由曲面反射器的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器模型。該自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元2包括一個(gè)自由曲面(NURBS)描述模塊20、一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊21、一個(gè)種群差異演化(DE)算法產(chǎn)生模塊22以及一個(gè)自由曲面反射器模型建立模塊23。所述的自由曲面反射器輸出單元3用于根據(jù)所述的自由曲面反射器模型產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器。
所述的自由曲面描述模塊20用于根據(jù)用戶輸入的反射器尺寸以及配光要求等數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)NURBS曲面算法來(lái)描述自由曲面反射器的面型。該NURBS曲面算法已經(jīng)成為工業(yè)界描述自由曲面的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，具有許多優(yōu)良的特性。例如階次與控制頂點(diǎn)的數(shù)量無(wú)關(guān)，用于非成像反射器的設(shè)計(jì)中可以提供足夠的自由度以滿足復(fù)雜的配光要求，從根本上克服了傳統(tǒng)二次曲面反射器設(shè)計(jì)自由度不夠的缺點(diǎn)。所述的NURBS算法還具有局部支撐特性，通過(guò)改變一個(gè)控制頂點(diǎn)參數(shù)只影響局部曲面形狀，根據(jù)該局部支撐特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面形狀進(jìn)行局部修改。因此，有利于實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜配光要求的反射器設(shè)計(jì)。NURBS曲線方程為
C→(u)=Σi=0nNi,p(u)wiPi→Σi=0nNi,p(u)wi,0≤u≤1,---(1)]]>其中， 為參數(shù)方程向量，Ni，p(u)是B樣條基函數(shù)， 是控制頂點(diǎn)向量，u是參數(shù)，wi是第i個(gè)控制頂點(diǎn)的權(quán)重值，p是基函數(shù)的階數(shù)，n+1是控制頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。
該NURBS曲線的方程在二維坐標(biāo)系中(2D空間)定義了兩個(gè)參數(shù)方程，其分別定義在每一坐標(biāo)軸上，每一個(gè)參數(shù)方程是有關(guān)參數(shù)u的函數(shù)。每一個(gè)控制頂點(diǎn)都有一個(gè)權(quán)重值，改變?cè)摽刂祈旤c(diǎn)的權(quán)重值也會(huì)對(duì)反射器的面型產(chǎn)生影響。在本實(shí)施例中，在2D空間中將采用NURBS曲線的四個(gè)控制頂點(diǎn)來(lái)描述反射器的曲面輪廓，第一個(gè)控制頂點(diǎn)和最后一個(gè)控制頂點(diǎn)分別為NURBS曲線的首端點(diǎn)與末端點(diǎn)，將曲線沿坐標(biāo)軸進(jìn)行拉伸，即可生成3D空間內(nèi)的反射器。
所述的評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊21用于建立一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的評(píng)價(jià)函數(shù)。所述的評(píng)價(jià)函數(shù)用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和當(dāng)前照度值之間的差異，該評(píng)價(jià)函數(shù)定義如下F=Σi=1mΣj=1nWij(Eij-Eij′)2,---(2)]]>其中，Wij是一個(gè)光照區(qū)塊編號(hào)為(i，j)的權(quán)重值，Eij和Eij’分別是光照區(qū)塊編號(hào)為(i，j)的當(dāng)前照度值以及該光照區(qū)塊的期望照度值。每個(gè)光照區(qū)塊的照度值可由一個(gè)光分析工具(例如LightTools軟件)測(cè)試分析得到。如果用戶需要在光照區(qū)塊上得到均勻的照度分布，則將該評(píng)價(jià)函數(shù)中的Eij’用一個(gè)常量值E0來(lái)取代。
所述的種群差異演化算法產(chǎn)生模塊22用于產(chǎn)生一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的種群差異演化(DE)算法。該DE算法是一種高效的全局優(yōu)化算法，用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型。在本實(shí)施例中，將DE算法結(jié)合NURBS曲面描述方法來(lái)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)出自由曲面反射器，該DE算法具體闡述如下
第一步驟，種群初始化在取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成初始種群中每個(gè)染色體的基因，該初始種群為X(0)＝(X1(0)，X2(0)，Λ，XN(0))，其中N為種群規(guī)模，置演化代數(shù)t＝0，記初始種群中最優(yōu)染色體為Xbest(0)。
第二步驟，變異記Vi(t)為第i個(gè)父代染色體，可由下式計(jì)算得到Vi(t)＝Xi(t)+λ[Xbest(t)-Xi(t)]+β[Xr2(t)-Xr1(t)]i＝1，2，Λ，N，(3)＝(V1，V2，Λ，Vj，ΛVM)T其中，r1和r2是[1，N]之間兩個(gè)隨機(jī)整數(shù)，λ和β是變異參數(shù)，M是變量個(gè)數(shù)，Vj是第i個(gè)染色體的第j個(gè)基因。
第三步驟，交叉記第i個(gè)子代染色體記為Ui(t)，由下式得到Ui(t)＝(u1，u2，Λ，uM)Ti＝1，2，Λ，N。
記第i個(gè)子代染色體的第j個(gè)基因?yàn)閡j，其可由下式得到u‾j=V‾j,randij≤CRorj=Rndi[Xi(t)]j,others,j=1,2,Λ,M,---(4)]]>其中，CR是交叉概率，CR∈
，randij是0到1之間的隨機(jī)小數(shù)，Rndi是1到M間的隨機(jī)整數(shù)。
第四步驟，選擇計(jì)算子代染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值并與初始染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值比較，假如子代染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值小于相應(yīng)初始染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值，就用子代染色體替換父代染色體，即Xi(t+1)=Ui(t)if F(Ui(t))<F(Xi(t))Xi(t)others,i=1,2,Λ,N---(5)]]>其中，F(xiàn)是由上述評(píng)價(jià)函數(shù)(2)式得到。
第五步驟，終止檢驗(yàn)新一代的種群記X(t+1)，其可由下式得到X(t+1)＝(X1(t+1)，X2(t+1)，Λ XN(t+1))，并記X(t+1)中最優(yōu)染色體為Xbest(t+1)。
最后，重復(fù)第一步驟到第五步驟直至最優(yōu)染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值達(dá)到期望評(píng)價(jià)函數(shù)值，或者是最優(yōu)染色體的演化代數(shù)已達(dá)到最大代數(shù)。
所述的自由曲面反射器模型建立模塊23用于根據(jù)上述NURBS曲面算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及結(jié)合DE算法產(chǎn)生一個(gè)自由曲面反射器模型，并將該自由曲面反射器模型輸出至自由曲面反射器輸出單元3中。
如圖2所示，是本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法較佳實(shí)施例的流程圖。用戶輸入接口1接收用戶輸入所需產(chǎn)生的自由曲面反射器的相關(guān)參數(shù)，例如反射器尺寸以及配光要求等數(shù)據(jù)(步驟S21)。自由曲面描述模塊20根據(jù)用戶輸入的反射器尺寸以及配光要求等數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)NURBS描述算法來(lái)描述非成像反射器的曲面面型(步驟S22)。評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊21建立一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)用于估算期望照度分布和當(dāng)前反射器產(chǎn)生的照度值之間的差異(步驟S23)。種群差異演化算法產(chǎn)生模塊22產(chǎn)生一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的DE算法，該DE算法是一種高效的全局優(yōu)化算法，用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型(步驟S24)。自由曲面反射器模型建立模塊23根據(jù)上述NURBS描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及結(jié)合DE算法產(chǎn)生一個(gè)自由曲面反射器模型，并將該自由曲面反射器模型輸出至自由曲面反射器輸出單元3中(步驟S25)。自由曲面反射器輸出單元3根據(jù)所述的自由曲面反射器模型產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器(步驟S26)。
如圖3所示，是利用邊緣光線原理產(chǎn)生的反射器在極坐標(biāo)系上的示意圖。以下簡(jiǎn)略地描述利用“邊緣光線原理”(Edge Ray Method，ERM)生成的自由曲面反射器的產(chǎn)生原理，其主要是采用R.Winston算法設(shè)計(jì)出來(lái)。參照?qǐng)D3所示，該算法表示如下B=cos2(θ)[tan(θ)+1]φ(θ)=θ+arccosB2-1B2+1R(θ)=(B2+1)2cos2(θ)B,θT≤θ≤0,---(6)]]>為了更進(jìn)一步地說(shuō)明本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，以下通過(guò)三個(gè)具體例子說(shuō)明如何產(chǎn)生自由曲面反射器，并與通過(guò)傳統(tǒng)的“邊緣光線原理”設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的自由曲面反射器作比較。以下簡(jiǎn)稱按照“邊緣光線原理”生成的自由曲面反射器ERM反射器，而使用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法優(yōu)化生成的由曲面反射器稱為DE反射器。
實(shí)例1，ERM反射器與DE反射器均可在-0.513≤θ≤0.513角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻照明的反射器設(shè)計(jì)如圖4所示，是ERM反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下YZ平面內(nèi)的ERM反射器輪廓平面圖。模擬該ERM反射器所用的光源是長(zhǎng)度為300mm，高度為2mm的朗伯面光源，在100mm遠(yuǎn)處放置接收器?？梢缘玫剑揈RM反射器在-0.513≤θ≤0.513范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的照度分布。
如圖5所示，是DE反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下YZ平面內(nèi)的DE反射器輪廓平面圖。該DE反射器的首端點(diǎn)與末端點(diǎn)位置固定，其坐標(biāo)分別等于ERM反射器輪廓的首端點(diǎn)坐標(biāo)與末端點(diǎn)坐標(biāo)，在YZ平面上分別表示為(1，0)及(2.01，0.89)。在本實(shí)施例中，使用與ERM反射器模擬中同樣的光源和接收器，表格1描述了DE反射器所需的光源、接收器以及DE算法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)表格1
用戶按照表格1輸入相關(guān)參數(shù)，通過(guò)本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法優(yōu)化生成的DE反射器，其也能夠在-0.513≤θ≤0.513范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的照度分布。
如圖6所示，是在截?cái)嘟铅萒＝-0.513情況下ERM反射器與DE反射器產(chǎn)生的照度分布的垂直截面圖，該兩個(gè)反射器均可以在-0.513≤θ≤0.513產(chǎn)生均勻的照度分布。由上述結(jié)果可以看出，在使用相同光源以及接收器與反射器尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，優(yōu)化生成的DE反射器具有ERM反射器相同的光學(xué)性能，在-0.513≤θ≤0.513角度范圍內(nèi)都實(shí)現(xiàn)均勻照明，兩者照度垂直剖面線上39個(gè)點(diǎn)的平均誤差只有3％。
實(shí)例2，ERM反射器與DE反射器均可在-0.733≤θ≤0.733角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻照明的反射器設(shè)計(jì)如圖7所示，是ERM反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下YZ平面內(nèi)的ERM反射器輪廓平面圖。該ERM反射器輪廓的首端點(diǎn)坐標(biāo)與末端點(diǎn)坐標(biāo)在YZ平面上分別表示為(1，0)及(12.32，10.98)。模擬該ERM反射器所用的光源是長(zhǎng)度為300mm，高度為2mm的朗伯面光源，在100mm遠(yuǎn)處放置接收器?？梢缘玫剑揈RM反射器在-0.733≤θ≤0.733內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的照度分布。
如圖8所示，是DE反射器在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下YZ平面內(nèi)的DE反射器輪廓平面圖。在本實(shí)施例中，僅固定DE反射器的首端點(diǎn)位置，其余控制頂點(diǎn)均設(shè)為變量。使用與ERM反射器模擬中同樣的光源和接收器，表格2描述了DE反射器所需的光源、接收器以及DE算法優(yōu)化相關(guān)參數(shù)表格2
用戶按照表格2輸入相關(guān)參數(shù)，通過(guò)本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法優(yōu)化生成的DE反射器，其也能夠在-0.733≤θ≤0.733范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的照度分布。
如圖9所示，是在截?cái)嘟铅萒＝-0.733情況下ERM反射器以及DE反射器產(chǎn)生照度分布的垂直截面圖，該兩個(gè)反射器均可以在-0.733≤θ≤0.733產(chǎn)生均勻的照度分布。由上述結(jié)果可以看出，在使用相同光源以及接收器并且反射器尺寸也相當(dāng)?shù)那闆r下，優(yōu)化生成的DE反射器具有同ERM反射器相同的光學(xué)性能，在-0.733≤θ≤0.733角度范圍內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了均勻照明，兩者照度垂直剖面線上39個(gè)點(diǎn)的平均誤差只有5％。
實(shí)例3，產(chǎn)生聚焦光能分布的自由曲面反射器設(shè)計(jì)NURBS描述算法最大的特點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確的描繪出二次曲線、圓以及自由曲面。本實(shí)施例中，在立體空間中將采用NURBS曲面中4個(gè)控制頂點(diǎn)來(lái)描述自由曲面反射器輪廓，該4個(gè)控制頂點(diǎn)為坐標(biāo)組合成的集合為{Pi}＝{(0，0)，(2b0，0)，(2b0，2a0)，(0，2a0)}，其中a0＞b0，即可由自由曲面描述模塊20描述出自由曲面反射器模型(以下簡(jiǎn)稱NURBS反射器)。如果將一個(gè)點(diǎn)光源放置于橢球面反射器的一個(gè)焦點(diǎn)處，光源將在另一個(gè)焦點(diǎn)處聚焦。因此，不僅可以產(chǎn)生均勻照度分布的自由曲面反射器，還可以產(chǎn)生聚焦分布的自由曲面反射器。
如圖10所示，是在YZ平面內(nèi)的聚焦照度分布的NURBS反射器輪廓示意圖。為了將通過(guò)本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生的NURBS反射器與橢球面反射器的光學(xué)性能做比較，采用光分析工具(例如LightTools軟件)建立橢球面反射器模型，其橢球方程為y225+(z-10)2100=1,]]>其中a0＝10，b0＝5。
如果在左焦點(diǎn)處放置點(diǎn)光源，在右焦點(diǎn)處放置尺寸為10×10mm的接收器，并將該接收器上的測(cè)試屏分為11×11個(gè)光照區(qū)塊，則得到相應(yīng)的照度分布，并將此照度分布數(shù)據(jù)作為優(yōu)化目標(biāo)值。使用與橢球反射器模擬中相同的光源和接收器，從而優(yōu)化得到在YZ平面內(nèi)的聚焦照度分布的NURBS反射器輪廓。
如圖11所示，是NURBS反射器輪廓與橢球面反射器輪廓在YZ平面內(nèi)的反射器輪廓差異示意圖。如圖12所示，NURBS反射器產(chǎn)生的相對(duì)照度分布的垂直截面圖。因此，根據(jù)圖11以及圖12可知該NURBS反射器產(chǎn)生的照度分布的中心照度峰值達(dá)到橢球面反射器的89％。
利用本發(fā)明自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，設(shè)計(jì)人員只需要輸入諸如反射器尺寸以及配光要求等少量的數(shù)據(jù)，即可以自動(dòng)生成一個(gè)具有復(fù)雜配光要求的自由曲面反射器面型。該生成的自由曲面反射器可以產(chǎn)生任意指定的光能分布，其可以廣泛應(yīng)用于含有反射器的照明系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，包括一個(gè)用戶輸入接口、一個(gè)自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元以及一個(gè)自由曲面反射器輸出單元，其特征在于，所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元包括自由曲面描述模塊，用于根據(jù)用戶輸入的反射器尺寸以及配光要求相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)非均勻有理B樣條描述算法，該非均勻有理B樣條描述算法用于描述自由曲面反射器的面型；評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊，用于建立一個(gè)適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和當(dāng)前照度值之間的差異；種群差異演化算法產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生一種適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)自由曲面反射器的種群差異演化算法，該種群差異演化算法是一種全局優(yōu)化算法，用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型；自由曲面反射器模型建立模塊，用于根據(jù)上述產(chǎn)生的非均勻有理B樣條描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及種群差異演化算法建立一個(gè)自由曲面反射器模型，并將該自由曲面反射器模型輸出至所述自由曲面反射器輸出單元中。
2.如權(quán)利要求1所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的用戶輸入接口用于接收所需自由曲面反射器的尺寸以及配光要求相關(guān)數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述的自由曲面反射器輸出單元用于根據(jù)所述的自由曲面反射器模型產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器。
4.一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括如下步驟接收所需生成的自由曲面反射器相關(guān)參數(shù)；根據(jù)接收的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生一個(gè)用于描述自由曲面反射器面型的非均勻有理B樣條描述算法；建立一個(gè)用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和當(dāng)前照度值之間差異的評(píng)價(jià)函數(shù)；產(chǎn)生一個(gè)用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型的種群差異演化算法；根據(jù)上述產(chǎn)生的非均勻有理B樣條描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)以及種群差異演化算法產(chǎn)生一個(gè)自由曲面反射器模型。
5.如權(quán)利要求4所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法還包括根據(jù)所述的自由曲面反射器模型產(chǎn)生并輸出一個(gè)自由曲面反射器的步驟。
6.如權(quán)利要求4所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的自由曲面反射器相關(guān)參數(shù)包括自由曲面反射器的尺寸以及配光要求相關(guān)數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求4所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的非均勻有理B樣條描述算法用于描述自由曲面反射器面型的曲線方程定義如下C→(u)=Σi=0nNi,p(u)wiP→iΣi=0nNi,p(u)wi0≤u≤1,]]>其中， 為參數(shù)方程向量，Ni，p(u)是B樣條基函數(shù)， 是控制頂點(diǎn)向量，u是參數(shù)，wi是第i個(gè)控制頂點(diǎn)的權(quán)重值，p是基函數(shù)的階數(shù)，n+1是控制頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。
8.如權(quán)利要求4所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的評(píng)價(jià)函數(shù)定義如下F=Σi=1mΣj=1nWij(Eij-Eij′)2,]]>其中，Wij是一個(gè)光照區(qū)塊編號(hào)為(i，j)的權(quán)重值，Eij和Eij’分別是光照區(qū)塊編號(hào)為(i，j)的當(dāng)前照度值以及該光照區(qū)塊的期望照度值。
9.如權(quán)利要求8所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，如果需要在所有光照區(qū)塊上得到均勻的照度分布，則將該評(píng)價(jià)函數(shù)中的Eij’用一個(gè)常量值E0來(lái)取代。
10.如權(quán)利要求4所述的自由曲面反射器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的產(chǎn)生種群差異演化算法包括如下步驟(a)在指定的取值范圍內(nèi)隨機(jī)生成初始種群中每個(gè)染色體的基因；(b)計(jì)算第i個(gè)父代染色體的第j個(gè)基因；(c)計(jì)算第i個(gè)子代染色體的第j個(gè)基因；(d)計(jì)算子代染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值并與初始染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值作比較，如果子代染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值小于初始染色體的評(píng)價(jià)函數(shù)值，則用子代染色體替換父代染色體；(e)獲得新一代的種群中最優(yōu)化染色體；(f)重復(fù)步驟(a)到步驟(e)直至達(dá)到最優(yōu)化染色體的期望評(píng)價(jià)函數(shù)值，或者是最優(yōu)化染色體的演化代數(shù)已達(dá)到最大代數(shù)。
全文摘要
一種自由曲面反射器設(shè)計(jì)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括用戶輸入接口、自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元以及自由曲面反射器輸出單元。該自由曲面反射器設(shè)計(jì)單元包括自由曲面描述模塊，用于根據(jù)接收的相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一種用于描述自由曲面反射器面型的非均勻有理B樣條描述算法；評(píng)價(jià)函數(shù)建立模塊，用于建立一個(gè)估算期望照度分布與當(dāng)前照度值之間差異的評(píng)價(jià)函數(shù)；種群差異演化算法產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生一種用于找出最優(yōu)化自由曲面反射器面型的種群差異演化算法；自由曲面反射器模型建立模塊，用于根據(jù)非均勻有理B樣條描述算法、評(píng)價(jià)函數(shù)和種群差異演化算法建立一個(gè)自由曲面反射器模型。利用本發(fā)明，用戶只需要輸入少量數(shù)據(jù)，即可自動(dòng)生成具有復(fù)雜配光要求的自由曲面反射器面型。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101038598SQ20061003454
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者楊波, 嚴(yán)瑛白, 楊興朋, 金國(guó)藩 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司