基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法技术

基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，涉及远场光源空间分布模拟。获取近场光源三维空间分布的光谱辐射功率分布数据，计算当前位置辐射功率；近场的每一个位置用三维坐标确定，将每个三维坐标位置的辐射功率数据按比例划分成若干个微面光源光谱辐射功率分布数据，以这些微面光源为新的起点，用蒙特卡洛算法随机产生大量光线对光源分布模拟；定义随机角度计算对应的光线方向；根据光线的去向将每条光线的光谱信息外推到远场空间，根据蒙特卡诺光线追迹法计算远场三维坐标；计算远场光谱数据计算辐射度学、光度学和色度学参数。克服传统远场光源检测系统体积大、成本高、灵活性低、耗时长、功能单一等弊端；实现任意距离光源空间分布的全面分析。布的全面分析。布的全面分析。

【技术实现步骤摘要】
基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法


[0001]本专利技术涉及远场光源空间分布模拟，尤其涉及在包含光谱信息的前提下，把光源近场空间分布外推到光源远场空间分布的一种基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法。

技术介绍

[0002]在日常生活工作环境中，光源无处不在，准确得出光源的空间分布对灯具配光具有重要意义。最常用的光源空间分布检测仪器是分布光度计，分布光度计可以检测光源的空间光强和光通量等光学数据。近场分布光度计是将待测光源视为面光源，由光源的表面出射光线，所测得的参数更加接近于待测光源的实际分布情况；而远场分布光度计要求待测光源和测量探头的距离足够远，在该模式下将待测光源视为点光源。常规的测试系统只能测量固定距离的光源空间分布数据，若需要测量不同距离的空间分布，则只能通过每次调整待测光源与光度计探头的距离。这意味着整个测量设备所需要的空间急剧增大，更重要的是不能得到任意距离的色度学参数，所以传统光度计测量方式非常具有局限性。
[0003]蒙特卡洛算法(Monte Carlo Algorithm)，也称其为统计模拟算法，最早是在二十世纪四十年代由冯
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诺伊曼提出的。在样本数量足够多的情况下能够对随机问题进行概率估计分析，得到与真实情况相近的结果。于映等采用Monte Carlo方法对不同光学封装结构的LED进行模拟，建立小功率LED的仿真模型，运用二次曲面方程描述LED的封装结构，对其光强分布进行模拟和统计(Yu Ying,Yan Jun.“Monte Carlo Simulation and Experimental Analysis on Optical Encapsulated Structure of Light Emitting Diode.”半导体学报,2004(12):1685
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1689)，但是该方法仅局限于对已知的、固定的封装表面结构进行光线追踪，得到的结果只包含光强这一光度学参数，无法对待测光源的各类辐射度学、光度学、色度学参数计算与分析。宋伟浩等利用蒙特卡洛方法对发光体上光线出射位置和出射方向随机抽样，确定出射光线方程，对大量的出射光线进行追迹，获得光线在接收平面上的落点坐标，在二维接收平面上划分网格并统计各网格内光线落点数量，计算得出接收平面辐射照度分布情况(Song Weihao，Zhou Xianwen，ZhangWei.“Simulation for irradiation characteristics of infrared light source based on Monte Carlo method”激光与红外,2018,48(02):198
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204)，但是该方法的辐射接受面采用二维接收平面计算照度，无法得出光源的三维空间分布情况，并且每条出射的光线都没有携带各自的光谱信息，后续无法分析光度学、色度学等参数。
[0004]高丽敏等提出一种基于球坐标系的光路布局求解方法(中国专利技术专利，公布号CN 112393884 A)，通过蒙特卡洛方法随机产生不同发出位置和方向的光线，利用光线追踪模拟软件进行光线追踪，计算球形接收器上的辐照度分布，但是该方法得到的远场结果只局限于辐照度的分布，同样没有包含每条光线的光谱信息，后续无法得出色温、色域等色度学参数。所以，当前研究者缺乏在包含光源光谱信息的前提下，模拟近场光源得出具有辐射度学、光度学、色度学完整参数的光源远场空间分布。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对目前远场光源空间检测存在的测试设备所占用的体积较大、成本高、灵活性低、耗时长、功能单一、无法得出较准确的光谱信息和辐射度学、光度学、色度学参数等问题，提出可通过设置不同追踪距离R的大小来灵活得出任意距离的远场光源分布，解决任意距离远场光源空间分布检测问题的一种基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法。
[0006]本专利技术首先将已获取的光源近场光谱分布分割为微面光源，其次为发光面建立一定的抽样规则并分配权重，采用随机抽样法来产生大量光线,然后追踪每一条光线所包含的光谱信息，最后在接收面上划分网格单元，并统计各个网格的光线接收情况，同时按照抽样规则将每条光线对应的光谱信息统计到远距离的接收面，得到远距离处整个接收面的光源分布特性和详尽的光谱信息，通过进一步计算可得出远场光源完整的辐射度学、光度学、色度学参数。
[0007]本专利技术包括以下步骤：
[0008]1)获取近场光源三维空间分布的光谱辐射功率分布数据，计算当前位置辐射功率；
[0009]2)近场的每一个位置用三维坐标(x0,y0,z0)确定，作为初始的出射坐标；
[0010]3)将每个(x0,y0,z0)位置的辐射功率数据按比例划分成若干个微面光源光谱辐射功率分布数据，以这些微面光源为新的起点，用蒙特卡洛算法随机产生大量光线对光源分布进行模拟；
[0011]4)定义随机角度并计算对应的光线方向；
[0012]5)根据光线的去向将每条光线的光谱信息外推到远场空间，根据蒙特卡诺光线追迹法计算远场三维坐标；
[0013]6)计算远场光谱数据计算辐射度学参数、光度学参数和色度学参数，实现任意距离光源空间分布的全面分析。
[0014]在步骤1)中，所述获取近场光源三维空间分布的光谱辐射功率分布Φ(λ)为：
[0015]Φ(λ)＝Φ
E
(λ)*S
ꢀꢀꢀ
(1)
[0016]其中，λ为波长，Φ
E
(λ)为光谱辐照度，S为近场测量位置的面元，则当前位置辐射功率P为：
[0017]P＝∫Φ(λ)dλ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0018]在步骤2)中，所述近场的每一个位置用三维坐标(x0,y0,z0)确定，计算公式如下：
[0019][0020]其中，β和θ是描述近场光源空间分布的两个方向的角度值，R0是近场光源空间分布中(x0,y0,z0)到灯具中心坐标O(0,0,0)的距离，h为待测灯具的支撑杆高度。
[0021]在步骤3)中，所述将每个(x0,y0,z0)位置的辐射功率数据按比例划分成若干个微面光源光谱辐射功率分布数据，是将当前位置辐射功率P作为面光源，将单位功率作为每个微面光源划分权重的依据，按照需求进行精细的划分；若将该面光源划分为K份，则每个微小的面光源就代表了P/K的辐射功率，对应光谱辐射功率分布为Φ(λ)/K；以这些微面光源
为起点，用蒙特卡洛算法进行远场光线追迹。
[0022]在步骤4)中，所述定义随机角度并计算对应的光线方向，随机角度φ
R
、θ
R
代表光线在球坐标系中与x轴、z轴的夹角，一次随机抽样的光线在三维坐标中对应的方向矢量可以表示为：
[0023][0024]其中，δ为当前平面法线与Z轴夹角，(l,m,n)满足l2+m2+n2＝1。
[0025]在步骤5)中，所述根据光线的去向将每条光线的光谱信息外推到远场空间，根据蒙特卡洛光线追迹法计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，其特征在于包括以下步骤：1)获取近场光源三维空间分布的光谱辐射功率分布数据，计算当前位置辐射功率；2)近场的每一个位置用三维坐标(x0,y0,z0)确定，作为初始的出射坐标；3)将每个(x0,y0,z0)位置的辐射功率数据按比例划分成若干个微面光源光谱辐射功率分布数据，以这些微面光源为新的起点，用蒙特卡洛算法随机产生大量光线对光源分布进行模拟；4)定义随机角度并计算对应的光线方向；5)根据光线的去向将每条光线的光谱信息外推到远场空间，根据蒙特卡诺光线追迹法计算远场三维坐标；6)计算远场光谱数据计算辐射度学参数、光度学参数和色度学参数，实现任意距离光源空间分布的全面分析。2.如权利要求1所述基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，其特征在于在步骤1)中，所述获取近场光源三维空间分布的光谱辐射功率Φ(λ)为：Φ(λ)＝Φ
E
(λ)*S
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，λ为波长，Φ
E
(λ)为光谱辐照度，S为近场测量位置的面元，则当前位置辐射功率P为：P＝∫Φ(λ)dλ
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(2)。3.如权利要求1所述基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，其特征在于在步骤2)中，所述近场的每一个位置用三维坐标(x0,y0,z0)确定，计算公式如下：其中，β和θ是描述近场光源空间分布的两个方向的角度值，R0是近场光源空间分布中(x0,y0,z0)到灯具中心坐标O(0,0,0)的距离，h为待测灯具的支撑杆高度。4.如权利要求1所述基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，其特征在于在步骤3)中，所述将每个(x0,y0,z0)位置的辐射功率数据按比例划分成若干个微面光源光谱辐射功率分布数据，是将当前位置辐射功率P作为面光源，将单位功率作为每个微面光源划分权重的依据，按照需求进行精细的划分；若将该面光源划分为K份，则每个微小的面光源就代表了P/K的辐射功率，对应光谱辐射功率分布为Φ(λ)/K；以这些微面光源为起点，用蒙特卡洛算法进行远场光线追迹。5.如权利要求1所述基于光谱分布的蒙特卡洛光线追迹方法，其特征在于在步骤4)中，所述定义随机角度并计算对应的光线方向，随机角度φ
R
、θ
R
代表光线在球坐标系中与x轴、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕毅军，陈丽，钟晨明，朱丽虹，陈国龙，郭伟杰，吴挺竹，林岳，陈忠，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：