[发明专利]一种基于光量子度量非均匀照射的二次光学透镜设计方法

说明书

本发明公开了一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，满足非均匀性光子照度需求，包括：将光源与被照射面划分网格，找到光源与被照射面之间的对应关系，计算得出自由曲面法向量，根据法向量方向构建自由曲面，并填充成为透镜，代入光学模拟软件，进行模拟计算，如果得到被照射面的光子照度非均匀度不能满足要求，重复以上步骤，并修改网格参数，直到被照射面的非均匀光子照度满足要求。

技术领域

本发明涉及非成像光学，特别地涉及一种基于光量子度量非均匀的二次光学透镜的设计方法。

背景技术

随着植物生理学、动物学、光学技术、LED技术的急速发展以及中国设施农业尤其是温室和大棚数量以及大型养殖厂的不断增加，大功率LED应用到动植物光照也越来越多。对于植物补光的情况下，需对普通植物光照LED灯具进行二次光学设计，以获得合适的透镜来满足光学不均匀度的需求(因为根据补光情况下，考虑太阳光的照射，太阳照射弱的地方，需要提供LED的光就会强，否则提供的光就会弱，这样就需要光子照度的非均匀性设计)。但是目前市面上所有进行的二次光学设计均采用辐射度单位体系和光度单位体系，例如采用能量守恒定律，这种方法并没有针对植物光照的采用光量子度量系统的二次光学设计。目前光度系统针对人眼而设计，并不适合动物的光学设计，基于光量子度量系统的二次光学设计相比较光度系统也更符合动物光照的需求。大量资料表明，植物进行光和作用光化学反应时，吸收的光以其光子数目来计算，所以目前的二次光学设计的两个衡量单位体系辐射度和光度还不能满足植物光照灯具多色混光的二次光学设计的需求。需要建立一种基于光量子度量的二次光学透镜的非均匀性光照设计方法，此种方法可以满足动植物光照需求，产业化前景好，能随着植物光照的不断发展而进行爆发期。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，该方法满足非均匀性光照设计，用于解决目前的光度系统针对人眼而设计，并不适合动物的问题以及解决二次光学设计的两个衡量单位体系辐射度和光度还不能满足植物光照灯具多色混光的二次光学设计的需求的问题等。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于光量子度量的二次光学透镜的设计方法，所述二次光学透镜用于将光源发出的光折射至被照射面，其特征在于，包括：

S1、将被照射面按照光子照度需求划分成至少一个网格，所述光子照度需求为非均匀光子照度；

S2、将光源划分成与被照射面相同数量的网格，并与被照射面网格存在相对位置的一一对应关系，使得每个网格内光源出射的光子数满足相对应的被照射面的光子照度需求；

S3、根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需的入射光线方向根据斯涅尔定律计算得到自由曲面，使得根据光源划分的网格的每个位置上出射的光线与相对应的根据被照射面划分的网格的位置的入射光线的交叉点在该自由曲面上；

S4、填充自由曲面形成二次光学透镜模型。

上述方案中，每条光线损失的光子数忽略不计。

上述方案中，所述一一对应关系符合边缘光线原理，即光源划分的网格的边缘网格对应照射面划分的网格的边缘网格，光源划分的网格的中心网格对应照射面划分的网格的中心网格。

上述方案中，所述步骤S3包括：

S3.1、根据光源划分的网格的节点、位置以及出射的光线方向与相对应的被照射面划分的网格的节点、位置以及所需的入射光线方向根据斯涅尔定律计算得到控制网格；

S3.2、计算控制网格节点的法向量；

S3.3、根据控制网格节点的法向量计算出网格节点的切向量；