本發(fā)明涉及非成像光學(xué)，特別地涉及一種基于量子度量均勻照射的二次光學(xué)反射鏡的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著植物生理學(xué)、光學(xué)技術(shù)、LED技術(shù)的急速發(fā)展以及中國設(shè)施農(nóng)業(yè)尤其是溫室和大棚數(shù)量的不斷增加，大功率LED應(yīng)用到植物光照也越來越多。由于植物對光的均勻度要求比較高，需對普通植物光照LED燈具進行二次光學(xué)設(shè)計，以獲得合適的反射鏡來滿足光學(xué)方面均勻度的需求。但是目前市面上所有進行的二次光學(xué)設(shè)計均采用輻射度單位體系和光度單位體系，比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(xué)設(shè)計。大量資料表明，植物進行光和作用光化學(xué)反應(yīng)時，吸收的光以其光子數(shù)目來計算，所以目前的二次光學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)計的需求。需要建立一種基于量子度量的二次光學(xué)反射鏡的設(shè)計方法，該方法可以滿足植物光照需求，產(chǎn)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(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于量子度量的二次光學(xué)反射鏡的設(shè)計方法，用于解決目前的二次光學(xué)設(shè)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(xué)設(shè)計的需求的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種基于量子度量的二次光學(xué)反射鏡的設(shè)計方法，所述二次光學(xué)反射鏡用于將光源發(fā)出的光反射至被照射面，其特征在于，包括：

S1、將光源劃分成至少一個網(wǎng)格，使得每個網(wǎng)格內(nèi)光源出射的光子數(shù)相同；

S2、將被照射面劃分成與光源相同數(shù)量的網(wǎng)格，并與光源網(wǎng)格存在相對位置的一一對應(yīng)關(guān)系；

S3、根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的節(jié)點、位置以及出射的光線方向與相對應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點、位置以及所需的入射光線方向根據(jù)反射定律計算得到自由曲面，使得根據(jù)光源劃分的網(wǎng)格的每個位置上出射的光線與相對應(yīng)的根據(jù)被照射面劃分的網(wǎng)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(xué)反射鏡模型。

上述方案中，所述被照射面劃分的網(wǎng)格大小相同。

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(yīng)關(guān)系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格。

上述方案中，所述步驟S3包括：

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

S3.2、計算控制網(wǎng)格節(jié)點的法向量；

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

S3.4、根據(jù)網(wǎng)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(xué)反射鏡模型照射到被照射面，判斷被照射面是否達到光子照度均勻度需求，若未達到光子照度均勻度需求，則前進到步驟S6，否則結(jié)束；

S6、改變劃分光源與被照射面的網(wǎng)格參數(shù)，返回步驟S1，所述網(wǎng)格參數(shù)包括網(wǎng)格密度和網(wǎng)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(xué)設(shè)計在植物光照燈具光學(xué)設(shè)計等領(lǐng)域更加精確，使得植物光照燈具的使用面上的光子照度更加均勻，而不是其使用面上光照度和光輻射度更加均勻，更能滿足植物對光的需求，更有利于植物的生長，使用廣泛，可以應(yīng)用于溫室、大棚補光燈或者植物工廠等領(lǐng)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(xué)反射鏡的設(shè)計方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例的將光源和被照射面劃分網(wǎng)格并確定一一對應(yīng)關(guān)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(wǎng)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(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)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(xué)反射鏡的設(shè)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(xué)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(nèi)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(wǎng)格與被照射面劃分的網(wǎng)格存在相對位置的一一對應(yīng)關(guān)系；即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)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(xué)原理指的是，光源的光經(jīng)過反射鏡到達被照平面要滿足反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(xué)反射鏡的設(shè)計方法的流程圖。

如圖所示，在步驟S1，劃分光源網(wǎng)格。根據(jù)本發(fā)明實施例，將光源劃分成至少一個網(wǎng)格，使得每個網(wǎng)格內(nèi)光源出射的光子數(shù)相同。例如，如圖2所示，包括光源8、被照射面7以及一一對應(yīng)關(guān)系6。將一次封裝光源8分成25個網(wǎng)格，保證每個網(wǎng)格內(nèi)的光子數(shù)相同，但不限制網(wǎng)格大小是否相同。

在步驟S2，劃分被照射面網(wǎng)格。根據(jù)本發(fā)明實施例，將被照射面劃分成與光源相同數(shù)量的網(wǎng)格，并與光源網(wǎng)格存在相對位置的一一對應(yīng)關(guān)系。所述一一對應(yīng)關(guān)系符合邊緣光線原理，即光源劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格，光源劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格對應(yīng)照射面劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格。所述被照射面劃分成大小相同的網(wǎng)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(shè)定一一對應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系6。將被照射面7劃分為與光源8數(shù)量相同的25個網(wǎng)格，光源8劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格16個即最外圈圓環(huán)中的網(wǎng)格，對應(yīng)被照射面7劃分的網(wǎng)格的邊緣網(wǎng)格16個即矩形最外圈的網(wǎng)格，如圖2中對應(yīng)關(guān)系6所示；源8劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格1個即最內(nèi)圈圓表示的網(wǎng)格，對應(yīng)被照射面7劃分的網(wǎng)格的中心網(wǎng)格1個即矩形最中心1x1表示的網(wǎng)格，如圖2中對應(yīng)關(guān)系6所示。

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(wǎng)格的節(jié)點、位置以及出射的光線方向與相對應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點、位置以及所需照射的光線方向根據(jù)反射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(wǎng)格的節(jié)點、位置以及出射的光線方向與相對應(yīng)的被照射面劃分的網(wǎng)格的節(jié)點、位置以及所需照射的光線方向根據(jù)反射定律得到控制網(wǎng)格；計算得到控制網(wǎng)格節(jié)點的法向量；根據(jù)控制網(wǎng)格節(jié)點的法向量計算出網(wǎng)格節(jié)點的切向量；根據(jù)網(wǎng)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(wǎng)格9、入射光線10、出射光線11以及控制網(wǎng)格法向量12。根據(jù)光源8的各個網(wǎng)格的出射光線11以及被照射面7的相對應(yīng)的各個網(wǎng)格入射光線12的交接點以及反射定律確定控制網(wǎng)格9。結(jié)合反射定律確定出射光線11到入射光線12需要的反射角度，以此確定控制網(wǎng)絡(luò)9的法向量12。如圖4所示，包括控制網(wǎng)格法向量12、控制網(wǎng)格切向量13。將控制網(wǎng)格法向量12轉(zhuǎn)化為控制網(wǎng)格切向量13，并連接控制網(wǎng)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(xué)反射鏡。根據(jù)本發(fā)明實施例，將自由曲面填充反射鏡形成二次光學(xué)反射鏡或二次光學(xué)反射鏡模型。

在步驟S5，建造模型，判斷被照射面是否達到均勻度需求。根據(jù)本發(fā)明實施例，利用tracepro、lighttools等光學(xué)模擬軟件根據(jù)上述所得到的反射鏡模型建模并結(jié)合光源特性進行模擬計算，如果計算被照射面光子照度均勻性不能滿足要求，則進行步驟S6，否則結(jié)束。

在步驟S6，調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，所述參數(shù)包括網(wǎng)格密度和網(wǎng)格形狀等。根據(jù)本發(fā)明實施例，若被照射面光子照度均勻度不滿足需求，則重新調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，包括網(wǎng)格的密度和網(wǎng)格形狀等，重復(fù)步驟S1至S5。例如，如果被照射面的光子照度均勻度較低，則增加劃分網(wǎng)格的密度。所述網(wǎng)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(shè)計的反射鏡已經(jīng)滿足被照射面光子照度均勻度需求，則認為二次光學(xué)反射鏡設(shè)計已經(jīng)完成。后續(xù)可以工業(yè)加工上述二次光學(xué)反射鏡以制成成品。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。