自由曲面反射器设计系统及方法技术方案

一种自由曲面反射器设计系统及方法，该系统包括用户输入接口、自由曲面反射器设计单元以及自由曲面反射器输出单元。该自由曲面反射器设计单元包括：自由曲面描述模块，用于根据接收的相关数据产生一种用于描述自由曲面反射器面型的非均匀有理Ｂ样条描述算法；评价函数建立模块，用于建立一个估算期望照度分布与当前照度值之间差异的评价函数；种群差异演化算法产生模块，用于产生一种用于找出最优化自由曲面反射器面型的种群差异演化算法；自由曲面反射器模型建立模块，用于根据非均匀有理Ｂ样条描述算法、评价函数和种群差异演化算法建立一个自由曲面反射器模型。利用本发明专利技术，用户只需要输入少量数据，即可自动生成具有复杂配光要求的自由曲面反射器面型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种反射器设计系统及方法，特别是涉及一种。
技术介绍
非成像反射器(Non-imaging Reflector)被广泛应用于太阳能收集、汽车照明等领域。传统非成像反射器的形态以平面、V型面、球面、抛物面等简单二次曲面为主，通过采用非成像光学的“边缘光线原理”设计得到。随着设计水平和制造能力的不断提高，自由曲面等较复杂的形态也被引入反射器设计当中。传统非成像反射器设计方法存在明显缺陷。首先，由于平面或二次曲面结构过于简单，通常只需要数个参数就可以完全确定形状，设计人员可以利用的自由度过小，不适用于一些具有复杂配光要求的产品的开发，例如汽车的前照灯。其次，传统上采用试错的方式进行非成像反射器的开发，导致设计人员的工作量很大，并且产品的开发周期过长。当照明系统变量数目较多时，采用人工试错的方式几乎不可能找到最优化的反射器结构。如果使用“边缘光线原理”(Edge RayMethod，ERM)进行反射器的设计，则必须要求设计人员具有较多的数学以及照明系统设计知识，并且“边缘光线原理”方法本身也具有一些缺陷，例如存在截断误差等。为了克服传统非成像反射器设计方法的不足，需提供一种，其采用非均匀有理B样条(Non-uniform-Rational-Basis-Splines，NURBS)描述算法来描述自由曲面反射器面型以及使用种群差异演化(Differential Evolution，DE)算法来实现自由曲面反射器的自动优化设计。相对于传统试错方法，可减小设计人员的工作量，设计人员只需要输入诸如反射器尺寸以及配光要求等少量的数据即可以自动生成反射器的面型。其次，对设计人员的要求很低，无需设计人员了解“边缘光线原理”等非成像反射器设计的专业知识。此外，设计生成的反射器可以产生任意指定的光能分布，可广泛应用于含反射器的照明系统中。例如，用于使用发光二级管(LED)或冷阴极荧光灯(CCFL)做为光源的背光系统中，可以提高光能耦合效率；用于太阳能聚光器的设计，则可以提高太阳能的利用率。
技术实现思路
鉴于以上内容，有必要提供一种自由曲面反射器设计系统，通过采用非均匀有理B样条(Non-uniform Rational Basis Spline，NURBS)描述算法以及种群差异演化(Differential Evolution，DE)算法实现自由曲面反射器的自动优化设计。此外，还有必要提供一种自由曲面反射器设计方法，通过采用NURBS描述算法以及DE算法实现自由曲面反射器的自动优化设计。一种自由曲面反射器设计系统包括一个用户输入接口、一个自由曲面反射器设计单元以及一个自由曲面反射器输出单元。所述的自由曲面反射器设计单元包括一个自由曲面描述模块，用于根据用户输入的反射器尺寸以及配光要求相关数据产生一个NURBS描述算法，该NURBS描述算法用于描述自由曲面反射器的面型；一个评价函数建立模块，用于建立一个适用于自动优化设计自由曲面反射器的评价函数，该评价函数用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布与当前照度值之间的差异；一个种群差异演化算法产生模块，用于产生一种适用于自动优化设计自由曲面反射器的DE算法，该DE算法是一种全局优化算法，用于找出最优化自由曲面反射器面型；一个自由曲面反射器模型建立模块，用于根据上述产生的NURBS描述算法、评价函数以及DE算法建立一个自由曲面反射器模型，并将该自由曲面反射器模型输出至所述自由曲面反射器输出单元中。一种自由曲面反射器设计方法，该方法包括如下步骤(a)接收所需生成的自由曲面反射器相关参数；(b)根据接收的相关参数产生一个用于描述自由曲面反射器面型的NURBS描述算法；(c)建立一个适用于所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和当前照度值之间差异的评价函数；(d)产生一个找出最优化自由曲面反射器面型的DE算法；(e)根据上述产生的NURBS描述算法、评价函数以及DE算法产生一个自由曲面反射器模型；(f)根据所述的自由曲面反射器模型产生并输出一个自由曲面反射器。相较于现有技术，所述的，设计人员只需要输入诸如反射器尺寸以及配光要求等少量数据即可以自动生成自由曲面反射器的面型。因设计人员无需了解“边缘光线原理”等非成像反射器设计的专业知识，从而减小了设计人员的工作量，并且生成的反射器可以产生任意指定的光能分布，可广泛应用于含反射器的照明系统中。附图说明图1是本专利技术自由曲面反射器设计系统较佳实施例的架构图。图2是本专利技术自由曲面反射器设计方法较佳实施例的流程图。图3是利用边缘光线原理产生的反射器在极坐标系上的示意图。图4是利用边缘光线原理设计产生的ERM反射器在截断角θT＝-0.513情况下YZ平面内ERM反射器轮廓平面图。图5是利用本专利技术自由曲面反射器设计方法优化设计产生的DE反射器在截断角θT＝-0.513情况下YZ平面内DE反射器轮廓平面图。图6是在截断角θT＝-0.513情况下ERM反射器以及DE反射器产生的照度分布的垂直截面图。图7是利用边缘光线原理设计产生的ERM反射器在截断角θT＝-0.733情况下YZ平面内ERM反射器轮廓平面图。图8是利用本专利技术自由曲面反射器设计方法产生的DE反射器在截断角θT＝-0.733情况下YZ平面内DE反射器轮廓平面图。图9是在截断角θT＝-0.733情况下ERM反射器以及DE反射器产生的照度分布的垂直截面图。图10是利用本专利技术自由曲面反射器设计方法产生的具有聚焦照度分布的NURBS反射器在YZ平面内的反射器轮廓平面图。图11是利用本专利技术自由曲面反射器设计方法产生的NURBS反射器轮廓与椭球面反射器轮廓在YZ平面的反射器轮廓差异示意图。图12是利用本专利技术自由曲面反射器设计方法产生的NURBS反射器的相对照度分布的垂直截面图。具体实施方式如图1所示，是本专利技术自由曲面反射器设计系统较佳实施例的架构图。该系统主要包括一个用户输入接口1、一个自由曲面反射器设计单元2以及一个自由曲面反射器输出单元3。所述的用户输入接口1用于接收用户输入所需反射器的尺寸以及配光要求等数据。所述的自由曲面反射器设计单元2用于通过采用一种非均匀有理B样条(Non-uniform Rational Basis Spline，NURBS)描述方法来描述自由曲面反射器面型，以及使用一个种群差异演化(Differential Evolution，DE)算法来实现自由曲面反射器的自动优化设计，产生并输出一个自由曲面反射器模型。该自由曲面反射器设计单元2包括一个自由曲面(NURBS)描述模块20、一个评价函数建立模块21、一个种群差异演化(DE)算法产生模块22以及一个自由曲面反射器模型建立模块23。所述的自由曲面反射器输出单元3用于根据所述的自由曲面反射器模型产生并输出一个自由曲面反射器。所述的自由曲面描述模块20用于根据用户输入的反射器尺寸以及配光要求等数据产生一个NURBS曲面算法来描述自由曲面反射器的面型。该NURBS曲面算法已经成为工业界描述自由曲面的事实标准，具有许多优良的特性。例如阶次与控制顶点的数量无关，用于非成像反射器的设计中可以提供足够的自由度以满足复杂的配光要求，从根本上克服了传统二次曲面反射器设计自由度不够的缺点。所述的NURBS算法还具有局部支撑特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面反射器设计系统，包括一个用户输入接口、一个自由曲面反射器设计单元以及一个自由曲面反射器输出单元，其特征在于，所述的自由曲面反射器设计单元包括：自由曲面描述模块，用于根据用户输入的反射器尺寸以及配光要求相关数据产生一个非均 匀有理Ｂ样条描述算法，该非均匀有理Ｂ样条描述算法用于描述自由曲面反射器的面型；评价函数建立模块，用于建立一个适用于自动优化设计自由曲面反射器的评价函数，该评价函数用于估算所需生成的自由曲面反射器的期望照度分布和当前照度值之间的差异； 种群差异演化算法产生模块，用于产生一种适用于自动优化设计自由曲面反射器的种群差异演化算法，该种群差异演化算法是一种全局优化算法，用于找出最优化自由曲面反射器面型；自由曲面反射器模型建立模块，用于根据上述产生的非均匀有理Ｂ样条 描述算法、评价函数以及种群差异演化算法建立一个自由曲面反射器模型，并将该自由曲面反射器模型输出至所述自由曲面反射器输出单元中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，严瑛白，杨兴朋，金国藩，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]