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

背景技術：

隨著植物生理學、動物學、光學技術、LED技術的急速發(fā)展以及中國設施農業(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應用到動植物光照也越來越多。對于植物補光的情況下，需對普通植物光照LED燈具進行二次光學設計，以獲得合適的透鏡來滿足光學不均勻度的需求(因為根據(jù)補光情況下，考慮太陽光的照射，太陽照射弱的地方，需要提供LED的光就會強，否則提供的光就會弱，這樣就需要光子照度的非均勻性設計)。但是目前市面上所有進行的二次光學設計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，這種方法并沒有針對植物光照的采用量子度量系統(tǒng)的二次光學設計。目前光度系統(tǒng)針對人眼而設計，并不適合動物的光學設計，基于量子度量系統(tǒng)的二次光學設計相比較光度系統(tǒng)也更符合動物光照的需求。大量資料表明，植物進行光和作用光化學反應時，吸收的光以其光子數(shù)目來計算，所以目前的二次光學設計的兩個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設計的需求。需要建立一種基于量子度量的二次光學透鏡的非均勻性光照設計方法，此種方法可以滿足動植物光照需求，產業(yè)化前景好，能隨著植物光照的不斷發(fā)展而進行爆發(fā)期。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

基于上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提出一種基于量子度量的二次光學透鏡的設計方法，該方法滿足非均勻性光照設計，用于解決目前的光度系統(tǒng)針對人眼而設計，并不適合動物的問題以及解決二次光學設計的兩個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設計的需求的問題等。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種基于量子度量的二次光學透鏡的設計方法，所述二次光學透鏡用于將光源發(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網格，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)量的網格，并與被照射面網格存在相對位置的一一對應關系，使得每個網格內光源出射的光子數(shù)滿足相對應的被照射面的光子照度需求；

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

S4、填充自由曲面形成二次光學透鏡模型。

上述方案中，每條光線損失的光子數(shù)忽略不計。

上述方案中，所述一一對應關系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網格的邊緣網格對應照射面劃分的網格的邊緣網格，光源劃分的網格的中心網格對應照射面劃分的網格的中心網格。

上述方案中，所述步驟S3包括：

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

S3.2、計算控制網格節(jié)點的法向量；

S3.3、根據(jù)控制網格節(jié)點的法向量計算出網格節(jié)點的切向量；

S3.4、根據(jù)網格節(jié)點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、模擬光源通過步驟S4獲得的二次光學透鏡模型照射到被照射面，判斷被照射面是否達到非均勻光子照度分布需求；若未達到非均勻光子照度分布需求，則前進到步驟S6，否則結束；

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

(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設計在植物光照燈具光學設計等領域更加精確，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確，更能滿足植物對補光和動物對補光和誘光的需求，更有利于動植物的生長，使用廣泛，可以應用于大型養(yǎng)殖廠、溫室、大棚補光燈或者植物工廠等領域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的一種量子度量的二次光學透鏡的設計方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例的將被照射面和光源劃分網格并確定一一對應關系的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的計算得出自由曲面控制網格的節(jié)點法向量的示意圖；

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

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

根據(jù)本發(fā)明實施例提供的一種基于量子度量的二次光學透鏡的設計方法，滿足光子數(shù)和/或光子通量守恒定律、邊緣光線定理、光束擴展度守恒定理、幾何光學原理。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，每條光線所走過的路線差與走過的路線長度相比可以忽略不計，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。

光子通量守恒定律是考慮從光源到被照射面，每條光線所走過的路線差與走過的路線長度相比可以忽略不計，所以假定單位時間內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。

邊緣光線定理是考慮光源劃分的網格與被照射面劃分的網格存在相對位置的一一對應關系；即光源劃分的網格的邊緣網格對應照射面劃分的網格的邊緣網格，光源劃分的網格的中心網格對應照射面劃分的網格的中心網格。

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

幾何光學原理指的是，光源的光經過透鏡到達被照平面要滿足折射定律和光的獨立傳播定律和光的直線傳播定律。

圖1是本發(fā)明實施例的一種量子度量的二次光學透鏡的設計方法的流程圖。

如圖所示，在步驟S1，劃分被照射面網格。根據(jù)本發(fā)明實施例，將被照射面按照光子照度需求劃分成至少一個網格，所述光子照度需求為非均勻光子照度。在本發(fā)明實施例中，所述將被照射面按照光子照度需求劃分成至少一個網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格。例如可以是多角形的網格，可以是梯形分布的網格，本發(fā)明不限制網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以及一一對應關系6。將被照射面7劃分成5x5的25個網格711，按照光子照度需求，最外圈的16個網格所需光子數(shù)相同，中間一圈的8個網格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網格之間所需的光子數(shù)不相同。

在步驟S2，劃分光源網格。根據(jù)本發(fā)明實施例，將光源劃分成與被照射面相同數(shù)量的網格，并與被照射面網格存在相對位置的一一對應關系，使得每個網格內光源出射的光子數(shù)滿足相對應的被照射面的光子照度需求。所述一一對應關系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網格的邊緣網格對應照射面劃分的網格的邊緣網格，光源劃分的網格的中心網格對應照射面劃分的網格的中心網格。在本發(fā)明實施例中，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)域設定一一對應關系。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以及一一對應關系6。將光源8劃分為與被照射面7數(shù)量相同的25個網格，光源8劃分的網格的邊緣網格16個即最外圈圓環(huán)中的網格811，對應被照射面7劃分的網格的邊緣網格16個即矩形最外圈的網格711，光源8劃分的網格的中間圈網格8個即中間圈圓環(huán)中的網格812，對應被照射面7劃分的網格的中間網格8個即矩形中間圈的網格712，如圖2中對應關系6所示；光源8劃分的網格的中心網格1個即最內圈圓表示的網格，對應被照射面7劃分的網格的中心網格1個即矩形最中心1x1表示的網格，如圖2中對應關系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格出射的光子數(shù)不同，用不同的填充線表示。

在步驟S3，計算得到自由曲面。根據(jù)本發(fā)明實施例，根據(jù)光源劃分的網格的節(jié)點、位置以及出射的光線方向與相對應的被照射面劃分的網格的節(jié)點、位置以及所需照射的光線方向根據(jù)斯涅爾定律計算得到自由曲面。所述計算得到自由曲面包括：根據(jù)光源劃分的網格的節(jié)點、位置以及出射的光線方向與相對應的被照射面劃分的網格的節(jié)點、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格；計算得到控制網格節(jié)點的法向量；根據(jù)控制網格節(jié)點的法向量計算出網格節(jié)點的切向量；根據(jù)網格節(jié)點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、控制網格9、入射光線10、出射光線11以及控制網格法向量12。根據(jù)光源8的各個網格的出射光線11以及被照射面7的相對應的各個網格入射光線12的交接點以及斯涅爾定律確定控制網格9。結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，以此確定控制網絡9的法向量12。如圖4所示，包括控制網格法向量12、控制網格切向量13。將控制網格法向量12轉化為控制網格切向量13，并連接控制網格切向量13形成自由曲面。

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

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

在步驟S6，調整網格密度。根據(jù)本發(fā)明實施例，若被照射面非均勻光子照度分布不滿足需求，則重新調整網格參數(shù)，包括調整網格密度和網格形狀等，重復步驟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準，則增加劃分網格的密度。所述網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)明實施例，如果上述設計的透鏡已經滿足被照射面非均勻光子照度分布需求，則認為二次光學透鏡設計已經完成。后續(xù)可以工業(yè)加工上述二次光學透鏡以制成成品。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。