本發(fā)明涉及光學透鏡，更具體地說，本發(fā)明涉及便于運維管養(yǎng)的n合一自由曲面路燈透鏡設計方法及透鏡。

背景技術：

1、透鏡作為led路燈的核心光學元件，直接影響著路燈的照明性能。如何設計高效、均勻、舒適的led路燈透鏡，并且便于后續(xù)的運維管養(yǎng)，是一個亟待解決的問題。

2、目前，已有多種led路燈透鏡的設計方法。公開號為cn113552717a的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N透鏡設計方法、透鏡及激光雷達，能夠獲得使非球面透鏡光學性能最優(yōu)的透鏡參數(shù)。但是，該方法主要針對激光雷達領域，未考慮led路燈照明的特殊需求，如照度均勻度、眩光限制等，且未涉及透鏡的可維護性設計。公開號為cn117369122a的中國專利申請?zhí)岢鲆环N超構透鏡及其設計方法，通過對超構單元進行近場耦合分析和參數(shù)優(yōu)化，能夠設計大尺寸、高聚焦效率和高焦點光斑質(zhì)量的超構透鏡。然而，該方法主要關注超構透鏡的聚焦性能，未考慮led路燈照明的配光曲線要求，也未涉及透鏡結構的可維護性設計。公開號為cn105276521a的中國專利申請?zhí)岢鲆环N偏光透鏡的設計方法、偏光透鏡以及l(fā)ed路燈，通過入射面的折射直接形成理想的光強分布，降低了出射面的全反射損失，提高了led光源的利用效率。但是，該透鏡的優(yōu)化目標主要集中在降低內(nèi)部全反射、提高出光效率上，對于照明均勻度、視覺舒適性等考慮不足，且未涉及透鏡的可維護性設計。

3、綜上，現(xiàn)有的led路燈透鏡設計方法大多關注單一的光學性能指標，如出光效率、聚焦效果等，缺乏對照明均勻度、視覺舒適度等關鍵性能的綜合考量，且忽視了透鏡結構的可維護性設計。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提供便于運維管養(yǎng)的n合一自由曲面路燈透鏡設計方法及透鏡，通過機器學習算法建立自由曲面參數(shù)與照明效果之間的映射模型，并對透鏡表面進行區(qū)域劃分與分區(qū)優(yōu)化，在提高照明均勻度和視覺舒適度的同時，采用平面出光的結構設計，大大簡化了透鏡的清潔、更換等運維操作，降低了運維管養(yǎng)的難度和成本。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

3、便于運維管養(yǎng)的n合一自由曲面路燈透鏡設計方法，包括：

4、確定目標照明場景的照明需求，生成第一照明需求數(shù)據(jù)；獲取多個led路燈照明工程的歷史透鏡設計參數(shù)和歷史照明效果數(shù)據(jù)，生成第二歷史優(yōu)化數(shù)據(jù)；基于第二歷史優(yōu)化數(shù)據(jù)，通過機器學習算法，建立自由曲面參數(shù)與照明效果之間的第二映射模型m2；基于第二映射模型和第一照明需求數(shù)據(jù)，生成初始自由曲面；

5、將初始自由曲面劃分為中心區(qū)、過渡區(qū)和邊緣區(qū)三個子區(qū)域，計算各子區(qū)域的實際出光角分布函數(shù)，并將實際出光角分布函數(shù)與預設的理想出光角分布函數(shù)進行比對，得到各子區(qū)域的角度偏差數(shù)據(jù)；根據(jù)角度偏差數(shù)據(jù)，通過調(diào)整各子區(qū)域的自由曲面控制點的坐標和權重，不斷更新自由曲面形狀，得到更新后的自由曲面，計算更新后的自由曲面的各子區(qū)域的第二角度偏差數(shù)據(jù)，直至所有子區(qū)域的第二角度偏差數(shù)據(jù)均低于設定的角度偏差收斂閾值，得到第二優(yōu)化自由曲面；基于第二優(yōu)化自由曲面，引入材料篩選，得到第三優(yōu)化透鏡方案；

6、對第三優(yōu)化透鏡方案進行仿真驗證和測試優(yōu)化，生成最終的n合一平面出光led路燈透鏡設計方案。

7、進一步地，所述生成第一照明需求數(shù)據(jù)包括：

8、確定目標照明場景的照度均勻度需求u0，眩光限制等級需求g0，亮度縱向均勻度需求ui和亮度均勻度需求l0；將u0、g0、ui和l0作為照明約束參數(shù)，生成對應的第一照明需求數(shù)據(jù)d1。

9、進一步地，所述生成第二歷史優(yōu)化數(shù)據(jù)包括：

10、獲取led路燈照明工程的歷史透鏡設計參數(shù)；

11、獲取led路燈照明工程的歷史照明效果數(shù)據(jù)，所述歷史照明效果數(shù)據(jù)包括歷史照度均勻度、歷史眩光限制等級、歷史亮度縱向均勻度和歷史亮度均勻度；將歷史透鏡設計參數(shù)和歷史照明效果數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)對；

12、計算數(shù)據(jù)對中歷史照明效果數(shù)據(jù)與第一照明需求數(shù)據(jù)d1之間的第一相似度，提取第一相似度高于預設的相似度閾值的數(shù)據(jù)對，生成第二歷史優(yōu)化數(shù)據(jù)d2。

13、進一步地，所述生成初始自由曲面包括：

14、將第一照明需求數(shù)據(jù)d1輸入第二映射模型m2，生成第一自由曲面參數(shù)集c1，所述第一自由曲面參數(shù)集c1包括自由曲面的控制點坐標和權重；

15、基于第一自由曲面參數(shù)集c1中自由曲面的控制點坐標和權重，生成第一b樣條自由曲面s1；

16、以第一b樣條自由曲面s1作為初始自由曲面。

17、進一步地，所述將初始自由曲面劃分為中心區(qū)、過渡區(qū)和邊緣區(qū)三個子區(qū)域包括：

18、以透鏡的中心為原點，建立三維直角坐標系，標記為自由曲面坐標系，初始自由曲面在所述自由曲面坐標系下的函數(shù)表達式為；為球面半徑，為天頂角，為方位角；z'為初始自由曲面在自由曲面坐標系下的函數(shù)表達式；

19、用表示中心區(qū)的邊界，將滿足的曲面劃分為中心區(qū)；ρ1表示中心區(qū)邊界的球面半徑，θ1表示中心區(qū)邊界的天頂角，φ1表示中心區(qū)邊界的方位角；

20、用?表示過渡區(qū)的邊界，將滿足的曲面劃分為過渡區(qū)；ρ2表示過渡區(qū)邊界的球面半徑，θ2表示過渡區(qū)邊界的天頂角，φ2表示過渡區(qū)邊界的方位角；

21、用?表示邊緣區(qū)的邊界，將滿足的曲面劃分為邊緣區(qū)；ρ3表示邊緣區(qū)邊界的球面半徑，θ3表示邊緣區(qū)邊界的天頂角，φ3表示邊緣區(qū)邊界的方位角。

22、進一步地，所述得到各子區(qū)域的角度偏差數(shù)據(jù)包括：

23、隨機生成n2條光線，標記為n2條入射光線，將入射光線入射到初始自由曲面；每條入射光線使用空間直線的參數(shù)方程表示，其起點為初始自由曲面上的隨機采樣點，方向為單位球面上的隨機采樣單位向量，標記為入射光線的方向向量；n2為正整數(shù)；

24、對于每一條入射光線，判斷入射光線ij的入射角是否小于全反射臨界角；若入射光線ij的入射角小于全反射臨界角，則根據(jù)入射光線ij的方向向量，利用snell定律求解入射光線ij所對應的折射光線的方向向量；ij表示第j條入射光線；1≤j≤n2；

25、根據(jù)折射光線的方向向量，判斷折射光線是否能夠透過透鏡出射；若能夠出射，則記錄折射光線的出射角度ψ；

26、統(tǒng)計各子區(qū)域內(nèi)的所有折射光線的出射角度ψ，繪制出射角度ψ的概率分布直方圖，并對概率分布直方圖進行歸一化，得到各子區(qū)域的實際出光角分布函數(shù)g(ψ)i；g(ψ)i表示子區(qū)域i的實際出光角分布函數(shù)，i為子區(qū)域的索引，1≤i≤3；

27、將子區(qū)域i的實際出光角分布函數(shù)g(ψ)i與子區(qū)域i對應的理想出光角分布函數(shù)f(ψ)i進行比對，計算子區(qū)域i的角度偏差數(shù)據(jù)。

28、進一步地，所述得到第二優(yōu)化自由曲面包括：

29、步驟s2310，設初始化迭代次數(shù)，設定角度偏差收斂閾值，令第二優(yōu)化自由曲面，其中為初始自由曲面，表示第0次迭代得到的自由曲面；

30、步驟s2320，令，根據(jù)第次迭代得到的自由曲面，結合各子區(qū)域角度偏差數(shù)據(jù)，計算各子區(qū)域內(nèi)控制點的坐標偏移量和權重變化量；

31、步驟s2330，利用坐標偏移量和權重變化量，對自由曲面的各個控制點的坐標和權重進行修正，得到更新后的自由曲面；

32、步驟s2340，計算更新后的自由曲面的各子區(qū)域的第二角度偏差數(shù)據(jù)，表示子區(qū)域i的第二角度偏差數(shù)據(jù)；判斷是否滿足；若滿足，則令第二優(yōu)化自由曲面，迭代結束；否則，返回步驟s2320，繼續(xù)迭代優(yōu)化。

33、進一步地，所述計算各子區(qū)域內(nèi)控制點的坐標偏移量和權重變化量包括：

34、將所有子區(qū)域劃分為n個網(wǎng)格單元，通過n個網(wǎng)格單元，取子區(qū)域i的面積為權重，計算各子區(qū)域的角度偏差加權平均值；表示第個子區(qū)域的角度偏差加權平均值；

35、根據(jù)計算第個子區(qū)域的形狀調(diào)整系數(shù)；

36、根據(jù)形狀調(diào)整系數(shù)，計算控制點的坐標偏移量和權重變化量；為第i個子區(qū)域內(nèi)第行第列的控制點。

37、一種透鏡，所述透鏡利用上述便于運維管養(yǎng)的n合一自由曲面路燈透鏡設計方法設計得到；所述透鏡包括中心區(qū)、過渡區(qū)和邊緣區(qū)三個子區(qū)域；所述透鏡的出光面為平面。

38、一種電子設備，包括存儲器、中央處理器以及存儲在存儲器上并可在中央處理器上運行的計算機程序，所述中央處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)上述的便于運維管養(yǎng)的n合一自由曲面路燈透鏡設計方法。

39、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：

40、本發(fā)明通過自由曲面設計，實現(xiàn)了平面出光，不同于傳統(tǒng)的“花生米顆?！敝槊孀杂汕嫱哥R。平面出光降低了污染物對透鏡光學性能的影響，減少了因污染導致的光損，便于運營維護。傳統(tǒng)曲面透鏡表面容易積聚灰塵、油污等污染物，難以清潔，嚴重影響透射率。而本發(fā)明的平面化設計，使灰塵不易吸附，即便有污染物也易于清理，大幅降低運維成本和頻率。

41、本發(fā)明利用歷史優(yōu)化數(shù)據(jù)和機器學習算法構建自由曲面參數(shù)與照明效果之間的映射模型，大幅減少了設計迭代次數(shù)，縮短了設計周期。機器學習輔助設計可以快速得到符合照明需求的高質(zhì)量初始解，為后續(xù)優(yōu)化奠定良好基礎。本發(fā)明將自由曲面細分為中心區(qū)、過渡區(qū)和邊緣區(qū)三個子區(qū)域進行獨立優(yōu)化，可以對不同視場范圍的出光進行更精細的控制。通過比對各子區(qū)域的實際出光角分布函數(shù)與理想分布函數(shù)的偏差，利用偏差數(shù)據(jù)引導控制點坐標和權重的調(diào)整，不斷逼近理想的出光效果。這種分區(qū)域優(yōu)化的策略保證了整個視場的照明品質(zhì)。在得到優(yōu)化的自由曲面后，本發(fā)明還引入了材料篩選環(huán)節(jié)。通過選擇合適的透鏡材料(如折射率、透過率等)，可進一步提升透鏡的光學性能，在出光效率、色散控制等方面得到改善。引入材料因素使設計結果更加全面和可靠。