TWI624648B

TWI624648B - 光學建模方法及其電子裝置

Info

Publication number: TWI624648B
Application number: TW106112921A
Authority: TW
Inventors: 王世昌; 施威文; 徐斌皓
Original assignee: 光寶電子（廣州）有限公司; 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-05-21
Also published as: US20180299668A1; TW201839362A

Abstract

一種用以建立目標透鏡模型的光學建模方法，包括以下步驟。依據光源的空間光強度分佈以及第一目標光強度分佈，計算並產生第一透鏡模型。導入光源的外型，並依據空間光強度分佈以及第一透鏡模型，計算第一光強度分佈。比較第一目標光強度分佈以及第一強度分佈的第一差異度。若第一差異度不大於預設閥值，以第一透鏡模型作為目標透鏡模型。若第一差異度大於預設閥值，依據第一差異度修正第一目標光強度分佈為第二目標光強度分佈，並依據光源的空間光強度分佈以及第二目標光強度分佈，計算並產生第二透鏡模型。此外，一種使用此方法的電子裝置亦被提出。

Description

光學建模方法及其電子裝置

本發明是有關於一種建模方法，且特別是有關於一種建立透鏡模型的光學建模方法及其電子裝置。

近年來，隨著發光二極體（Light Emitting Diode，LED）的發光效率與壽命提升，加上具備低耗能、低污染、高效率、高反應速度、體積小、重量輕與可在各種表面設置等元件特色與優勢，發光二極體目前亦已被積極應用於各光學領域中。以發光二極體在照明用途上的應用為例，目前已有許多將發光二極體封裝結構應用於燈源（如燈泡、路燈、手電筒等）或是相關的照明設備被開發出來。

在設計這些照明設備時，常透過在發光二極體封裝結構的發光路徑上增加光學透鏡、擴散板或其他光學元件來進行光學設計，以改變發光二極體封裝結構的光學性能（例如是改變出光角度及增加色彩均勻度），以使其得到想要的光形分佈，讓整個燈具系統發出的光能滿足設計端的需求。然而以目前的設計方法而言，由於無法預知透鏡的配光曲線，常需要花費大量的時間。

本發明提供一種光學建模方法及其電子裝置，能夠有效率地建立透鏡模型，使光源經過所建立的透鏡模型後，產生與目標光形相近的光形，節省透鏡的設計時間。

本發明的光學建模方法適用於電子裝置，用以建立目標透鏡模型。所述光學建模方法包括以下步驟。依據光源的空間光強度分佈以及第一目標光強度分佈，計算並產生第一透鏡模型。導入光源的外型，並依據空間光強度分佈以及第一透鏡模型，計算第一光強度分佈。比較第一目標光強度分佈以及第一強度分佈的第一差異度。若第一差異度不大於預設閥值，以第一透鏡模型作為目標透鏡模型。若第一差異度大於預設閥值，依據第一差異度修正第一目標光強度分佈為第二目標光強度分佈，並依據光源的空間光強度分佈以及第二目標光強度分佈，計算並產生第二透鏡模型。

本發明的電子裝置用以建立目標透鏡模型，其中包括輸入裝置、儲存裝置以及處理裝置。輸入裝置用以接收第一目標強度分佈。儲存裝置用以儲存多個模組。處理裝置耦接於輸入裝置以及儲存裝置，用以載入並執行儲存裝置中的多個模組。所述模組包括模型計算模組、強度分佈計算模組、差異計算模組、模型決定模組以及補償模組。模型計算模組用以依據光源的空間光強度分佈以及第一目標光強度分佈，計算並產生第一透鏡模型。強度分佈計算模組用以導入光源的外型，並依據空間光強度分佈以及第一透鏡模型，計算第一光強度分佈。差異計算模組用以比較第一目標光強度分佈以及第一光強度分佈的第一差異度，並且判斷第一差異度是否大於預設閥值。若第一差異度不大於預設閥值時，模型決定模組以第一透鏡模型作為目標透鏡模型。若第一差異度大於預設閥值時，補償模組依據該第一差異度修正該第一目標光強度分佈為第二目標光強度分佈，並且模型計算模組更依據光源的空間光強度分佈以及第二目標光強度分佈，計算並產生第二透鏡模型。

基於上述，本發明的光學建模方法及其電子裝置先利用第一目標光強度分佈計算出第一透鏡模型，並利用光源的外型與空間光強度分佈，以及第一透鏡模型先計算出第一光強度分佈。隨後，依據第一光強度分佈與第一目標光強度分佈的差異先自行補償後，再遞迴地計算得到目標透鏡模型。如此一來，光源經過目標透鏡模型後，能夠產生接近於目標光強度分佈的光形，並且還能節省目標透鏡模型的設計時間。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示本發明一實施例的電子裝置的概要方塊圖。本實施例的電子裝置10用以建立目標透鏡模型，使光源經過所建立的目標透鏡模型後，能夠產生與期望的目標光強度分佈相近的光形或光強度分佈。在本實施例中，電子裝置10例如是個人電腦，或是具備運算功能的手機、平板電腦、伺服器或其他裝置，其中至少包括輸入裝置12、儲存裝置14以及處理裝置16，其功能分述如下：

輸入裝置12例如是鍵盤、滑鼠等，用以接收輸入訊號。在本實施例中，輸入裝置12所接收的輸入訊號例如包括第一目標光強度分佈。依據不同的需求，輸入的第一目標光強度分佈可例如是一維、二維或三維的空間光強度分佈，本實施例並不在此限。

儲存裝置14例如是任何型態的固定式或可移動式隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）或類似元件或上述元件的組合。在本實施例中，儲存裝置14係用以儲存模型計算模組141、強度分佈計算模組143、差異計算模組145、模型決定模組147以及補償模組149。

處理裝置16例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，其係與輸入裝置12及儲存裝置14耦接。

在本實施例中，儲存在儲存裝置14中的模組例如是電腦程式，而可由處理裝置16載入，據以執行本實施例的光學建模方法。以下即舉實施例說明此方法的詳細步驟。

圖2繪示本發明一實施例的光學建模方法的流程圖。請同時參照圖1與圖2，本實施例的方法適用於上述圖1的電子裝置10，以下即搭配圖1中電子裝置10的各項元件來說明本實施例光學建模方法的詳細步驟。

在步驟S210中，處理裝置16會透過輸入裝置12接收光源的空間光強度分佈以及希望達到的第一目標光強度分佈。光源的空間光強度例如是在光源在封裝時所設計，表示光源發光時在空間中各處的光強度。在另一實施例中，光源的空間光強度分佈也可以例如是預先儲存於儲存裝置14中，由處理裝置16在步驟S210將其載入。另一方面，使用者可例如藉由輸入裝置12來輸入其所希望達到的第一目標光強度分佈。第一目標光強度分佈為使用者希望在光源經由設計出來的目標透鏡模型後，所得到在空間中各處的光強度分佈。

圖3繪示本發明一實施例的目標光強度分佈的示意圖。請參照圖3，圖3的第一目標光強度分佈I _o是以極座標繪示空間中的某一切面上，在第三象限中的第一目標光強度分佈I _o，而在圖3中繪示的第一目標光強度分佈I _o到光源所在的原點O的距離是正相關於光強度大小。值得一提的是，圖3所繪示的第一目標光強度分佈I _o為二維的光強度分佈，但其也能夠以表示三維柱狀對稱的空間光強度分佈替代。換言之，圖3實施例的第一目標光強度分佈I _o僅為示例說明，所屬領域具備通常知識者當可依需求來利用其他方式表示目標光強度分佈。

隨後，在步驟S220中，處理裝置16會執行模型計算模組141，依據光源的空間光強度分佈以及第一目標光強度分佈I _o，來產生透鏡模型（例如，第一透鏡模型）。以使光源在經由所產生的透鏡模型後，得到的光強度分佈接近於第一目標光強度分佈I _o。

圖4繪示本發明一實施例的透鏡模型的示意圖。在本實施例中，處理裝置16會先例如藉由輸入裝置12來接收以定義透鏡模型的長、寬、高以及折射率等參數，再基於此些參數藉由程式模擬出第一透鏡模型M。本實施例並不在此詳述上述藉由程式模擬出第一透鏡模型M的細節，所屬領域具備通常知識者當可從光學模擬的相關知識獲致足夠的教示。值得一提的是，在本實施例中，步驟S220在產生第一透鏡模型時，所使用的光源是以點光源作為假設。

在步驟S230中，處理裝置16會執行強度分佈計算模組143，導入光源的外型，並且依據光源的空間光強度分佈以及步驟S220中所模擬出的第一透鏡模型M，計算出光源經由第一透鏡模型M後所得到的光強度分佈（例如，第一光強度分佈）。

圖5繪示本發明一實施例的光強度分佈的示意圖。在本實施例中，處理裝置16可例如藉由輸入裝置12或儲存裝置14取得光源的外型。接著，再執行強度分佈計算模組143（例如，LightTools、TracePro或ASAP等光學軟體工具），導入光源的外型後，依據光源的外型、空間光強度分佈以及圖4的第一透鏡模型M，模擬光源經由第一透鏡模型M所產生的穿透光、反射光以及雜散光，計算出第一光強度分佈In。

圖6繪示本發明一實施例的面光源的示意圖。請參考圖4與圖6，由於步驟S220所模擬出的第一透鏡模型M中可能包括許多不平整的表面（例如，內表面SI），因此在導入光源的外型後，將導致許多雜散光的產生。舉例而言，如圖6所示，假設光源的外型並非點光源而是面光源SUR，則面光源SUR可以視作為表面上有多個點光源的合成。據此，在面光源SUR表面上的各個點光源將會照射到第一透鏡模型M的不平整表面的不同位置，而產生許多雜散光。在本實施例中，雜散光會包括光源直接照射到透鏡模型M不平整的內表面SI所產生的一次反射雜散光，以及光源穿透內表面SI，被外表面SO反射後，再照射到內表面SI所產生的二次反射雜散光。

上述的雜散光可能會造成光源在經過步驟S220所產生的第一透鏡模型M後，得到與第一目標光強度分佈I _o相差甚遠的光強度分佈。

在步驟S240中，處理裝置16會執行差異計算模組145，比較第一目標光強度分佈I _o與步驟S230中所計算的光強度分佈In，以取得其差異度（例如，第一差異度），並且判斷差異度是否大於預設閥值，以決定是否能夠接受步驟S230中所計算的光強度分佈In。在本實施例中，上述的預設閥值是預設於處理裝置16或是儲存裝置14中，但並不限於此。在其他實施例中，預設閥值也可例如是處理裝置16在初次執行步驟S240之前，藉由輸入裝置12來接收得到。

圖7繪示本發明一實施例的光強度分佈的差異度的示意圖。圖7將第一目標光強度分佈I _o與步驟S230中所計算的第一光強度分佈In繪示在一起以方便進行比較。在本實施例中，處理裝置16可例如是計算各個角度上，第一光強度分佈In與第一目標光強度分佈I _o的比值In/I _o或是差值(In-I _o)以作為第一差異度。若在某個特定角度的第一差異度較大，則可能表示雜散光在此特定角度的影響程度較大。那麼本實施例將在後續的步驟中針對第一目標光強度分佈I _o進行對應的調整，以預先補償雜散光所造成的影響。具體方式將在以下段落中描述。

若上述的第一差異度不大於預設閥值，表示步驟S230中所計算的第一光強度分佈In足夠接近於第一目標光強度分佈I _o而可接受，則進入步驟S250，處理裝置16會執行模型決定模組147，以步驟S220所產生的第一透鏡模型M作為目標透鏡模型來輸出。

反之，若上述的第一差異度的至少其中之一大於預設閥值，那麼進入步驟S260，處理裝置16會執行補償模組149，依據上述的第一差異度來將第一目標光強度分佈I _o修正為第二目標光強度分佈，然後再回到步驟S220，依據光源的空間光強度分佈以及修正後的第二目標光強度分佈，產生透鏡模型（例如，第二透鏡模型）。

請重新參照圖7，步驟S260中，處理裝置16會執行補償模組149，來依據上述的第一差異度來將第一目標光強度分佈I _o修正為第二目標光強度分佈。具體來說，處理裝置16可例如是將空間依照角度或是與原點O的距離分割為多個區段，再分別針對多個區段來進行補償。舉例而言，假設在第一區段SC1中，各個角度上的第一差異度的平均值為第一平均差異度，則處理裝置16會將第一目標光強度分佈I _o在第一區段SC1中的光強度大小除以第一平均差異度，以作為補償。假設在第二區段SC2中，各個角度上的第一差異度的平均值為第二平均差異度，則處理裝置16會將第一目標光強度分佈I _o在第二區段SC2中的光強度大小除以第二平均差異度，以作為補償，以此類推，能夠得到補償後的第二目標光強度分佈。在本實施例中，第一區段SC1中的第一平均差異度明顯大於第二區段SC2中的第二平均差異度。因此，在第一區段SC1中的第一目標光強度分佈被修正的幅度會比第二區段SC2中的第一目標光強度分佈被修正的幅度來的大。

如此一來，步驟S220在依據光源的空間光強度分佈以及修正後的第二目標光強度分佈所產生的第二透鏡模型，將能夠更接近於目標透鏡模型。

在產生第二透鏡模型後，進入步驟S230，處理裝置16會再次執行強度分佈計算模組143，導入光源的外型，並且依據光源的空間光強度分佈以及步驟S220中所模擬出的第二透鏡模型，計算出光源經由第二透鏡模型後所得到的光強度分佈（例如，第二光強度分佈）。

接著在步驟S240中，處理裝置16會執行差異計算模組145，以比較第一目標光強度分佈I _o與第二光強度分佈來取得第二差異度，並判斷第二差異度是否大於預設閥值，以決定是否接受第二光強度分佈。若第二差異度不大於預設閥值，則決定接受第二光強度分佈並進入步驟S250，處理裝置16會執行模型決定模組147，以第二透鏡模型作為目標透鏡模型來輸出。反之，則進入步驟S260，處理裝置16會再次執行補償模組149，依據上述的第二差異度將第二目標光強度分佈修正為第三目標光強度分佈，然後再回到步驟S220，依據光源的空間光強度分佈以及修正後的第三目標光強度分佈，產生第三透鏡模型。類似步驟的具體實作方式皆已於前述段落中描述，在此不再贅述。

如此一來，藉由本發明實施例的光學建模方法，將能夠預先對可能產生的雜散光進行補償，以更有效率地得到目標透鏡模型，使光源透過目標透鏡模型後，所得到的光強度分佈接近於所希望達到的第一目標光強度分佈。

值得一提的是，在一實施例中，處理裝置16更藉由儲存裝置14來記錄第一光強度分佈以及其所對應的第一透鏡模型與第一目標光強度分佈、第二光強度分佈以及其所對應的第二透鏡模型與第二目標光強度分佈等，以建立計算資料庫。如此一來，在步驟S210取得第一目標光強度分佈後，處理裝置16可從儲存裝置14直接取用資料庫，依據資料庫的內容預先修正第一目標光強度分佈，能夠大幅節省計算的時間。

綜上所述，本發明實施例的光學建模方法及其電子裝置先利用第一目標光強度分佈計算出第一透鏡模型，並利用光源的外型與空間光強度分佈，以及第一透鏡模型先計算出第一光強度分佈。隨後，依據第一光強度分佈與第一目標光強度分佈的差異先自行補償後，再遞迴地計算得到目標透鏡模型。如此一來，光源經過目標透鏡模型後，能夠產生接近於目標光強度分佈的光形，並且還能節省目標透鏡模型的設計時間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電子裝置

12‧‧‧輸入裝置

14‧‧‧儲存裝置

16‧‧‧處理裝置

141‧‧‧模型計算模組

143‧‧‧強度分佈計算模組

145‧‧‧差異計算模組

147‧‧‧模型決定模組

149‧‧‧補償模組

I_o‧‧‧目標光強度分佈

In‧‧‧光強度分佈

M‧‧‧透鏡模型

O‧‧‧原點

SC1‧‧‧第一區段

SC2‧‧‧第二區段

SI‧‧‧內表面

SO‧‧‧外表面

SUR‧‧‧面光源

S210、S220、S230、S240、S250、S260‧‧‧光學建模方法的步驟

圖1繪示本發明一實施例的電子裝置的概要方塊圖。圖2繪示本發明一實施例的光學建模方法的流程圖。圖3繪示本發明一實施例的目標光強度分佈的示意圖。圖4繪示本發明一實施例的透鏡模型的示意圖。圖5繪示本發明一實施例的光強度分佈的示意圖。圖6繪示本發明一實施例的面光源的示意圖。圖7繪示本發明一實施例的光強度分佈的差異度的示意圖。

Claims

一種光學建模方法，適於電子裝置並用以建立目標透鏡模型，所述光學建模方法包括：依據光源的空間光強度分佈以及第一目標光強度分佈，計算並產生第一透鏡模型；導入該光源的外型，並依據該空間光強度分佈以及該第一透鏡模型，計算第一光強度分佈；記錄該第一光強度分佈以及其所對應的該第一透鏡模型以及該第一目標光強度分佈；比較該第一目標光強度分佈以及該第一光強度分佈的第一差異度；若該第一差異度不大於預設閥值，以該第一透鏡模型作為該目標透鏡模型；以及若該第一差異度大於該預設閥值，依據該第一差異度修正該第一目標光強度分佈為第二目標光強度分佈，並依據該光源的該空間光強度分佈以及該第二目標光強度分佈，計算並產生第二透鏡模型。
如申請專利範圍第1項所述的光學建模方法，其中若該差異度大於該預設閥值，所述光學建模方法更包括：依據該光源的該外型、該空間光強度分佈以及該第二透鏡模型，計算第二光強度分佈；比較該第一目標光強度分佈以及該第二光強度分佈的第二差異度；若該第二差異度不大於該預設閥值，以該第二透鏡模型作為該目標透鏡模型；以及若該第二差異度大於該預設閥值，依據該第二差異度修正該第二目標光強度分佈為第三目標光強度分佈，並依據該光源的該空間光強度分佈以及該第三目標光強度分佈，計算並產生第三透鏡模型。
如申請專利範圍第1項所述的光學建模方法，其中依據該光源的該空間光強度分佈以及該第一目標光強度分佈，計算並產生該第一透鏡模型的步驟包括：設定該第一透鏡模型的至少一第一參數；以及基於該至少一第一參數，依據該光源的該空間光強度分佈以及該第一目標光強度分佈，計算並產生該第一透鏡模型，其中該至少一第一參數包括該第一透鏡模型的長度、寬度、高度以及折射率的至少其中之一。
如申請專利範圍第1項所述的光學建模方法，其中導入該光源的該外型，並依據該空間光強度分佈以及該第一透鏡模型，計算該第一光強度分佈的步驟包括：導入該光源的該外型，並模擬該光源經由該第一透鏡模型所產生的穿透光、反射光以及雜散光，以計算該第一光強度分佈，其中該雜散光包括一次反射雜散光以及二次反射雜散光。
一種電子裝置，用以建立目標透鏡模型，所述電子裝置包括：輸入裝置，用以接收第一目標光強度分佈；儲存裝置，用以儲存多個模組；以及處理裝置，耦接於該輸入裝置以及該儲存裝置，用以載入並執行該些模組，其中該些模組包括：模型計算模組，用以依據光源的空間光強度分佈以及該第一目標光強度分佈，計算並產生第一透鏡模型；強度分佈計算模組，用以導入該光源的外型，並依據該空間光強度分佈以及該第一透鏡模型，計算第一光強度分佈；差異計算模組，用以比較該第一目標光強度分佈以及該第一光強度分佈的第一差異度，以及判斷該第一差異度是否大於預設閥值；模型決定模組，用以在該第一差異度不大於該預設閥值時，以該第一透鏡模型作為該目標透鏡模型；以及補償模組，用以在該第一差異度大於該預設閥值時，依據該第一差異度修正該第一目標光強度分佈為第二目標光強度分佈，其中該模型計算模組更依據該光源的該空間光強度分佈以及該第二目標光強度分佈，計算並產生第二透鏡模型。
如申請專利範圍第5項所述的電子裝置，其中若該第一差異度大於該預設閥值時，該強度分佈計算模組更依據該光源的該外型、該空間光強度分佈以及該第二透鏡模型，計算第二光強度分佈，其中該差異計算模組更比較該第一目標光強度分佈以及該第二光強度分佈的第二差異度，以及判斷該第二差異度是否大於該預設閥值，其中若該第二差異度不大於該預設閥值，該模型決定模組以該第二透鏡模型作為該目標透鏡模型，其中若該第二差異度大於該預設閥值，該補償模組依據該第二差異度修正該第二目標光強度分佈為第三目標光強度分佈，並且該模型計算模組更依據該光源的該空間光強度分佈以及該第三目標光強度分佈，計算並產生第三透鏡模型。
如申請專利範圍第5項所述的電子裝置，其中該輸入裝置更用以接收該第一透鏡模型的至少一第一參數，其中該模型計算模組產生該第一透鏡模型時，基於該至少一第一參數，依據該光源的該空間光強度分佈以及該第一目標光強度分佈，計算並產生該第一透鏡模型，其中該至少一第一參數包括該第一透鏡模型的長度、寬度、高度以及折射率的至少其中之一。
如申請專利範圍第5項所述的電子裝置，其中該強度分佈計算模組依據該光源的該外型以及該空間光強度分佈，模擬該光源經由該第一透鏡模型所產生的穿透光、反射光以及雜散光，以計算該第一光強度分佈，其中該雜散光包括一次反射雜散光以及二次反射雜散光。
如申請專利範圍第5項所述的電子裝置，其中該儲存裝置更用以記錄該第一光強度分佈以及其所對應的該第一透鏡模型以及該第一目標光強度分佈。