一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法与流程

1.本发明涉及光学成像和自由曲面成像照明系统，本发明涉及一种自由曲面照明系统，包括一个led光源及一自由曲面透镜，所述led光源发出的光束经过所述自由曲面透镜在一照明目标面上形成十字光斑，涉及了自由曲面照明光学系统。


背景技术：

2.自由曲面对光线的精确调控，在目标面上以一定准直角接收能量，形成均匀、稳定的辐照分布，不仅能够提升系统能量利用率，还可降低系统复杂程度，提升仪器便携性。自由曲面是一种非选择对称的新型光学面型，它具有较高的设计自由度，能够较精准地控制光线传播。近年来，自由曲面已广泛应用于各类先进的照明系统设计，得到了较好的照明效果和较为紧凑的系统结构。
3.随着我国城镇化的发展，城镇交通越来越引起重视，最常见的十字路口的夜间照明情况是城镇交通的一大重点。十字路口通常会采用安置多盏5～12米的中杆灯或高杆灯的布局方式，来获得宽广的照明范围和集中照明的作用，但与此同时，造成的能量浪费和所需成本较多。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，设计一种针对中小型十字路口照明的自由曲面透镜设计方法。
5.一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法，包括一个led光源及一自由曲面透镜，所述led光源发出的光束经过所述自由曲面透镜在一照明目标面上形成十字光斑。
6.一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法，该方法由以下步骤实现：
7.步骤一、使用极坐标系，在光源与目标面之间建立一一对应的能量映射关系，对照明光源和目标面进行划分，首先，将光源分别和θ方向上进行划分，分为m
×
n份，同时将目标面按照光源的划分方式在极坐标下进行划分，同样分为m
×
n份。
8.步骤二、能量映射关系通过能量守恒定律用公式表示为：
[0009][0010]
式中，i(θ)为光源出射的光强分布，θ是光源发光角度，是光源发光的方位角，ω
s
为光源立体角，ω
t
为照明的目标面，ρ表示目标面的极径长度，γ表示极径对应的极角，函数 q＝q(ρ，γ)表示极坐标目标面上的照度分布。
[0011]
步骤三、照明光源的划分根据能量守恒定律，对光源在和θ方向上分离变量，将光源分解为m
×
n份，每份所包含的光通量相等，具体表述如下：
[0012][0013][0014]
式中，θ
max
为光源最大出射角，θ
min
为光源最小出射角，为光源最大方位角，为光源最小方位角，先对方向进行划分，再对θ方向进行划分，表示第m 1个方位角中的第 n 1个径向角，表示第n个方位角。
[0015]
步骤四、将目标面进行划分，根据其轴对称性，因此只需考虑γ角度在时的曲面的设计，再通过轴对称，对整个角度进行设计，极坐标的图形满足公式；ρ
sc
＝f(γ)。
[0016]
步骤五、对于十字形光斑而言，由于其是轴对称图形，构建第一象限内的曲面设计，而后利用镜像命令就可以完成全部的自由曲面透镜的设计。
[0017]
步骤六、目标面的第一象限可以分为四部分，可以看做由四条直线组成。
[0018]
步骤七、假设道路宽度为10m，因此四条曲线自下而上按公式依次可以写为：
[0019]
第一条直线为：
[0020][0021]
γ的取值范围为(0,acrtan1/2)，ρ
sc1
为自下而上第一条直线；
[0022]
第二条直线为：
[0023][0024]
γ的取值范围为(acrtan1/2,π/4)，ρ
sc2
为自下而上第二条直线；
[0025]
第三条直线为：
[0026][0027]
γ的取值范围为(π/4,arctan2)，ρ
sc3
为自下而上第三条直线；
[0028]
第四条直线为：
[0029][0030]
γ的取值范围为(arctan2,π/2)，ρ
sc4
为自下而上第四条直线。
[0031]
步骤八、完成十字形透镜在第一象限的曲线的表达之后再确立完成网格的划分，根据 snell定律和空间几何的知识，逐步逐点地计算出十字形光斑每一点的坐标。snell定律如下：
[0032]
n
1 sinθ1＝n
2 sinθ2[0033][0034][0035]
式中，为入射光线的矢量形式，为出射光线的矢量形式，为法向量的矢量形式，为为目标面三维坐标，n1和n2为不同介质的折射率。
[0036]
步骤九、进行建模之前需要对数据进行提前的降噪处理，避免建模过程中的数据面的重叠。
[0037]
步骤十、对其初步建模，修正，仿真。
[0038]
步骤十一、完成一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法。
[0039]
一种针对中小型交通路口的十字形led照明自由曲面设计，有效实现夜间照明；该方法能够设计出目标面形状是十字形的光斑来应用于十字路口的照明。
附图说明
[0040]
图1为十字形光斑的自由曲面照明光学系统整体示意图；
[0041]
图2为极坐标下划分网格法示意图；
[0042]
图3为极坐标下光源的网格划分示意图；
[0043]
图4为十字形光斑的初步划分示意图；
[0044]
图5为十字形光斑的自由曲面透镜示意图；
[0045]
图6为十字形光斑的照度分布示意图；
[0046]
图7为十字光斑的三维照度分布及剖面曲线示意图；图8为十字形光斑的自由曲面成像照明系统组成示意图；
具体实施方式
[0047]
结合图1说明本实施方式，一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法，该方法由以下步骤实现：
[0048]
步骤一、使用极坐标系，如图2所示，在光源与目标面之间建立一一对应的能量映射关系，对照明光源和目标面进行划分，首先，将光源分别和θ方向上进行划分，分为m
×
n份，同时将目标面按照光源的划分方式在极坐标下进行划分，同样分为m
×
n份。
[0049]
步骤二、能量映射关系通过能量守恒定律用公式表示为：
[0050][0051]
式中，i(θ)为光源出射的光强分布，θ是光源发光角度，是光源发光的方位角，ω
s
为光源立体角，ω
t
为照明的目标面，ρ表示目标面的极径长度，γ表示极径对应的极角，函数q＝q(ρ，γ)表示极坐标目标面上的照度分布。
[0052]
步骤三、如图3所示，照明光源的划分根据能量守恒定律，对光源在θ和方向上分离变量，将光源分解为m
×
n份，每份所包含的光通量相等，具体表述如下：
[0053][0054][0055]
式中，θ
max
为光源最大出射角，θ
min
为光源最小出射角，为光源最大方位角，为光源最小方位角，先对方向进行划分，再对θ方向进行划分，表示第m 1个方位角中的第 n 1个径向角，表示第n个方位角。
[0056]
步骤四、将目标面进行划分，根据其轴对称性，因此只需考虑γ角度在时的曲面的设计，再通过轴对称，对整个角度进行设计，极坐标的图形满足公式；ρ
sc
＝f(γ)。
[0057]
步骤五、对于十字形光斑而言，由于其是轴对称图形，构建第一象限内的曲面设计，而后利用镜像命令就可以完成全部的自由曲面透镜的设计。
[0058]
步骤六、目标面的第一象限可以分为四部分，可以看做由四条直线组成，如图4所示。
[0059]
步骤七、假设道路宽度为10m，因此四条曲线自下而上(第一条直线范围为a～b，第二条直线范围为b～c，第三条直线范围为c～d，第四条直线范围为d～e)按公式依次可以写为：
[0060]
第一条直线为：
[0061][0062]
γ的取值范围为(0,acrtan1/2)，ρ
sc1
为自下而上第一条直线；
[0063]
第二条直线为：
[0064][0065]
γ的取值范围为(acrtan1/2,π/4)，ρ
sc2
为自下而上第二条直线；
[0066]
第三条直线为：
[0067][0068]
γ的取值范围为(π/4,arctan2)，ρ
sc3
为自下而上第三条直线；
[0069]
第四条直线为：
[0070][0071]
γ的取值范围为(arctan2,π/2)，ρ
sc4
为自下而上第四条直线。
[0072]
步骤八、完成十字形透镜在第一象限的曲线的表达之后再确立完成网格的划分，根据snell定律和空间几何的知识，逐步逐点地计算出十字形光斑每一点的坐标。snell定律如下：
[0073]
n
1 sinθ1＝n
2 sinθ2[0074][0075][0076]
式中，为入射光线的矢量形式，为出射光线的矢量形式，为法向量的矢量形式，为为目标面三维坐标，n1和n2为不同介质的折射率。
[0077]
步骤九、进行建模之前需要对数据进行提前的降噪处理，避免建模过程中的数据面的重叠。
[0078]
步骤十、对其初步建模，修正，仿真。
[0079]
步骤十一、完成一种用于十字路口照明的自由曲面透镜设计方法。