基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计

摘要

本发明涉及一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，包括：在一三维直角坐标系Oxyz中根据LED点光源及其在接收面所形成的照明视场获得自由曲面的一系列数据点，包括：坐标值Q

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED自由曲面照明系统设计，尤其涉及一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计。

背景技术

现有的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中，一般是先通过“微分方程法”获得自由曲面内一系列离散点的数据点（包括坐标值和法向量），进而根据所述数据点通过最小二乘法进行曲面拟合，最后获得所述自由曲面并进一步构建该自由曲面的透镜实体，进而获得所述LED自由曲面照明系统。该方法虽然可以最大程度地满足坐标值，但往往无法确保更为关键的法向量得到满足，故，通常存在较大的偏差。这种偏差无疑会对照明的均匀性造成巨大的影响。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种具有高均匀性的LED自由曲面照明系统设计。

一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，包括以下步骤：

S10：在一三维直角坐标系Oxyz中根据一LED点光源及其在一接收面所形成的照明视场获得一自由曲面的一系列数据点，其中，所述LED点光源所发射的光线经过所述自由曲面在所述照明视场实现均匀照明，每一数据点括一坐标值Q_i=(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,…,n)和一法向量N_i=(u_i,v_i,-1)(i=1,2,…,n)，所述自由曲面的表达式为：；

S11：获得所述坐标值Q_i=(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,…,n)与所述自由曲面在z方向坐标差值的平方和，其中，；

S12：获得所述数据点的法向量N_i=(u_i,v_i,-1)(i=1,2,…,n)与所述自由曲面法向量n_i的矢量差的模值的平方和，其中，；

S13：获得评价函数，其中，w为权重且大于0；

S14：选择不同的权重w，并令所述评价函数的梯度，从而获得多组不同的P及其对应的多个自由曲面面形z=f(x,y;P)；

S15：获得具有最佳的成像质量的最终自由曲面面形Ω_opt；以及

S16：根据所述最终自由曲面面形Ω_opt构建一自由曲面透镜实体，从而获得所述LED自由曲面照明系统。

与现有技术相较，本发明提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，通过综合考量各数据点的坐标值及法向量，从而能够同时使得坐标值和法向量得到不同程度的满足，并将这两方面的偏差都控制在可接受的范围之内，从而获取均匀的照明质量。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中所述LED自由曲面照明系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中使用LightTools构建的自由曲面进行光线追迹的仿真结果图。

图3为本发明实施例1提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的矩形照明视场的照明效果图。

图4为本发明实施例1提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的矩形照明视场的在x轴和y轴上的照度分布图。

图5为本发明实施例2提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中使用LightTools构建的自由曲面进行光线追迹的仿真结果图。

图6为本发明实施例2提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的方形照明视场的照明效果图。

图7为本发明实施例2提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的方形照明视场的在x轴和y轴上的照度分布图。

图8为本发明实施例3提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中所述LED自由曲面照明系统的结构示意图。

图9为本发明实施例3提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的圆形照明视场的照明效果图。

图10为本发明实施例3提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计中获得的自由曲面所形成的圆形照明视场的在x轴和y轴上的照度分布图。

主要元件符号说明

LED自由曲面照明系统100、200LED点光源10透镜实体12、22自由曲面122、222接收面14照明视场142、144

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

本发明实施例提供一种LED自由曲面照明系统设计，包括一下步骤：

S10：在一三维直角坐标系Oxyz中根据一LED点光源及其在一接收面所形成的照明视场获得一自由曲面的一系列数据点，其中，所述LED点光源所发射的光线经过所述自由曲面在所述照明视场实现均匀照明，每一数据点包括一坐标值Q_i=(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,…,n)和一法向量N_i=(u_i,v_i,-1)(i=1,2,…,n)，所述自由曲面的表达式为：；

S11：获得所述坐标值Q_i=(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,…,n)与所述自由曲面在z方向坐标差值的平方和，其中，；

S12：获得所述数据点的法向量N_i=(u_i,v_i,-1)(i=1,2,…,n)与所述自由曲面法向量n_i的矢量差的模值的平方和，其中，；

S13：获得评价函数，其中，w为权重且大于0；

S14：选择不同的权重w，并令所述评价函数的梯度，从而获得多组不同的P及其对应的多个自由曲面面形z=f(x,y;P)；

S15：获得具有最佳的成像质量的最终自由曲面面形Ω_opt；以及

S16：根据所述最终自由曲面面形Ω_opt构建一自由曲面透镜实体，从而获得所述LED自由曲面照明系统。

在步骤S10中，所述自由曲面的多个数据点可以通过微分方程法或其他方法获得。由于该多个数据点的获得可以根据各种现有技术获得，因此不再累述。

为了同时满足计算精度及计算方便，优选的，以三阶XY多项式曲面、四阶XY多项式曲面、五阶XY多项式曲面或六阶XY多项式曲面为原型。

所述LED点光源的发光半角优选地小于等于20°，更优选的，小于等于10°。可以理解，当所述LED点光源的发光半角过大会影响照明的均匀性。

在步骤S13中，提出评价函数的目的是综合考察e₁(P)和e₂(P)，从而提出一综合评价指标。

在步骤S14中，所述梯度为0时，可以使评价函数最小。由于评价函数最小，因此，可以使得e₁(P)和e₂(P)同时得到限制。评价函数的梯度，由此可以获得。

所述步骤S15进一步包括：

S151，获得该不同的自由曲面面形z=f(x,y;P)的弥散斑均方根半径；以及

S152，选择具有最小弥散斑均方根半径的自由曲面面形z=f(x,y;P)为最终自由曲面面形Ω_opt。

实施例1

请参照图1，假设以LED点光源10为原点O，建立所述三维直角坐标系Oxyz；所述自由曲面122与z轴交于C=(0,0,10mm)；所述LED点光源10发出的以+z轴为中心、以10°为半孔径角的圆锥形成像光束，经所述自由曲面122后在所述接收面14上形成一长为30mm，宽为20mm的矩形照明视场142。所述接收面14平行于xy平面且与z轴交于T=(0,0,50mm)。根据上述条件，通过微分方程法获得所述自由曲面122上的一系列数据点，进一步地，用四阶的XY多项式为原型进行拟合，其中，所述四阶的XY多项式的表达式为：；获得所述四阶的XY多项式的系数分别为：P₀=10，P₁=0.0767，P₂=-0.0130，P₃=-0.0088，P₄=0.0235，P₅=-0.0041；其中，权重w为…；最后，根据所述最终自由曲面面形构建一自由曲面透镜实体12，从而获得所述LED自由曲面照明系统100。所述自由曲面透镜实体12的材料为PMMA，且折射率为1.4918。

请参照图2-4，图2为使用LightTools构建此自由曲面122并进行光线追迹的仿真结果图；图3所述自由曲面122所形成的矩形照明视场142的照明效果图；图4为所述自由曲面122所形成的矩形照明视场142的在x轴和y轴上的照度分布图。从图可看出，照明视场142的均匀性非常好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且所述LED自由曲面照明系统100的能量利用率可达99.892%，照明视场142的均匀性可达1672.0lux/1815.8lux=92.08%。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，形成一边长为20mm的方形照明视场；由此获得所述四阶的XY多项式的系数分别为：P₀=10，P₁=-0.0095，P₂=-0.0095，P₃=-0.0047，P₄=0.0222，P₅=-0.0047；且，权重w为10。

请参照图5-7，图5为使用LightTools构建此自由曲面并进行光线追迹的仿真结果图；图6所述自由曲面所形成的矩形照明视场的照明效果图；图7为所述自由曲面所形成的矩形照明视场的在x轴和y轴上的照度分布图。从图可看出，照明视场的均匀性非常好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且系统的能量利用率可达99.892%，照明视场的均匀性可达91.2%。

实施例3

请参照图8，假设以LED点光源10为原点O，建立所述三维直角坐标系Oxyz；所述自由曲面222与z轴交于C=(0,0,10mm)；所述LED点光源10发出的以+z轴为中心、以10°为半孔径角的圆锥形成像光束，经所述自由曲面122后在所述接收面14上形成一半径为10mm的矩形照明视场144。所述接收面14平行于xy平面且与z轴交于T=(0,0,50mm)。根据上述条件，通过微分方程法获得所述自由曲面222上的一系列数据点，进一步的用四阶的XY多项式拟合，其中，所述四阶的XY多项式拟合的表达式为：；进而获得所述四阶的XY多项式的系数分别为：P₀=10，P₁=-0.11944，P₂=-0.11961，P₃=-0.0011174，P₄=3.2382e-005，P₅=-0.0010470；其中，权重w为…；最后，根据所述最终自由曲面面形构建一自由曲面透镜实体22，从而获得所述LED自由曲面照明系统200。其中，所述自由曲面透镜实体22的材料与所述自由曲面透镜实体12的材料相同。

请参照图9-10，图9所述自由曲面222所形成的矩形照明视场144的照明效果图；图10为所述自由曲面222所形成的矩形照明视场144的在x轴和y轴上的照度分布图。从图可看出，照明视场144的均匀性非常好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且所述LED自由曲面照明系统200的能量利用率可达99.994%，照明视场144的均匀性可达99.88%。

本发明实施例提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，通过综合考量各数据点的坐标值及法向量，从而能够同时使得坐标值和法向量得到不同程度的满足，并将这两方面的偏差都控制在可接受的范围之内，从而获取均匀的照明效果，并提高能量利用率。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。