光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)理論分析 陣列式光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，接收面的均勻照明以及光能的充分利用一直是光源設(shè)計(jì)急需解決的問題。目前在LED光源設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，通常采用斯派羅法則分析和微分方程計(jì)算的方式進(jìn)行照明效果優(yōu)化，這些方式的優(yōu)化層面較單一，周期長且誤差較大。為了加強(qiáng)LED光源系統(tǒng)優(yōu)化效率，同步提高光源系統(tǒng)的光照均勻度和能量利用率，論文提出了基于光照均勻度評價(jià)函數(shù)、能量利用率評價(jià)函數(shù)和綜合性評價(jià)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。運(yùn)用數(shù)值分析方法對單光源系統(tǒng)的反光杯第二面圓錐常數(shù)K與曲率半徑R進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)整個反光杯光源系統(tǒng)的光照均勻度和能量利用率的同步優(yōu)化。研究結(jié)果表明：利用本文算法優(yōu)化后的系統(tǒng)比未優(yōu)化的光源系統(tǒng)光照均勻度提高了14.2%，能量利用率提高了16.75%，與理想值的接近度提升了14.42%，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步研究多光源系統(tǒng)陣列間距對系統(tǒng)光照均勻度和能量利用率的影響，得出光源陣列系統(tǒng)的最優(yōu)陣列間距，在此間距下的光照均勻度與理想值的接近度為44.84%，能量利用率為88.84%，最終實(shí)現(xiàn)了光照均勻度和能量利用率均較好的矩形陣列光源系統(tǒng)。

1.光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)理論分析

LED光學(xué)照明系統(tǒng)主要采用反光杯與透鏡兩種方式。反光杯主要對光束起反射效果，通常應(yīng)用于準(zhǔn)直光束或聚光照明等，如照明手電、無影燈、望遠(yuǎn)鏡等。反光杯發(fā)射出的光照能量，能夠?qū)邮彰嫔系木鶆蛘斩葏^(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，最終形成光照度均勻的光斑分布。同時(shí)反光杯具有較高的能量利用率，能夠?qū)ED芯片發(fā)射出來的光束盡可能地匯聚于接收面上。

反光杯內(nèi)部的光束存在反射和直射兩種情況，直射的光束直接照射到接收面形成部分光斑，但此時(shí)的照度光斑并不均勻，需要經(jīng)過反光杯第二面反射光束的補(bǔ)償，才能形成光照均勻的光斑。因此，本文通過調(diào)節(jié)反光杯第二面的圓錐常數(shù)K與曲率半徑R對反光杯進(jìn)行優(yōu)化建模，在照明接收面獲取高光照均勻度和高能量利用率。圖1為反光杯示意圖。

圖1.反光杯示意圖

圖6.雙光源間距優(yōu)化仿真圖

2.4.陣列式光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)在單光源系統(tǒng)優(yōu)化和雙光源系統(tǒng)優(yōu)化基礎(chǔ)上獲得的最優(yōu)參數(shù)，構(gòu)建出同時(shí)獲得最優(yōu)光照均勻度和能量利用率的陣列式光源系統(tǒng)。選取矩型陣列式光源系統(tǒng)為測驗(yàn)對象，構(gòu)建一個3×3的矩形陣列式光源系統(tǒng)。根據(jù)單光源系統(tǒng)和雙光源系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，反光杯第一面K=R=0，第二面K=?0.9、R=32 mm，光源之間間隔gsp=1 050 mm。由系統(tǒng)計(jì)算出在此最優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上，接收面的光照均勻度和能量利用率。矩形陣列式光源系統(tǒng)仿真圖如圖8所示。

圖8.矩形陣列光源系統(tǒng)仿真圖

圖9為矩形陣列式光源系統(tǒng)接收面獲得的照度圖和光強(qiáng)圖。通過照度分布圖和光照強(qiáng)度分布圖數(shù)據(jù)分析可以看出，通過優(yōu)化，矩形陣列式光源系統(tǒng)能夠獲得良好的光照均勻度和能量利用率，接收面照明區(qū)域的照度曲線居高且平穩(wěn)，其中光照均勻度Uniformity = 2.88，與理想值的接近度為34.72%，能量利用率tput = 90.64%。整體陣列光源系統(tǒng)的光學(xué)性能在一定程度上均達(dá)到較好效果。

圖9.矩形陣列式光源系統(tǒng)接收面獲得的照度圖和光強(qiáng)圖

3.結(jié)論

本文通過設(shè)定相應(yīng)綜合評價(jià)函數(shù)，運(yùn)用數(shù)值分析方法，將光源系統(tǒng)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵u價(jià)函數(shù)的量化問題，實(shí)現(xiàn)光源系統(tǒng)在光照均勻度和能量利用率等方面的同步優(yōu)化。利用設(shè)定光照均勻度評價(jià)函數(shù)、能量利用率評價(jià)函數(shù)和綜合評價(jià)函數(shù)等相關(guān)特定函數(shù)計(jì)算光照均勻性和能量利用率，運(yùn)用數(shù)值分析方法對反光杯第二面圓錐常數(shù)和曲率半徑進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了單光源反光杯系統(tǒng)的較高照明均勻性和能量利用率。將所優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并將優(yōu)化完成的光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式的優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，光照均勻度提高了14.2%，與理想值的接近度提高了14.42%，能量利用率提高了16.75%，證明了特定評價(jià)函數(shù)優(yōu)化方法的可行性、準(zhǔn)確性和高效性。同時(shí)將此優(yōu)化方法運(yùn)用到多光源系統(tǒng)，以特定評價(jià)函數(shù)為基礎(chǔ)，光源間距為主要變量，優(yōu)化得出多光源系統(tǒng)的光照均勻度為 2.23，與理想值的接近度為44.84%，能量利用率為 88.84%。證明了特定評價(jià)函數(shù)優(yōu)化方法在不同條件下的有效性，可以針對性地對單光源系統(tǒng)和多光源系統(tǒng)進(jìn)行效果優(yōu)化，提高了光源系統(tǒng)的性能。最后，在優(yōu)化完成光源系統(tǒng)并得出最優(yōu)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出矩形陣列式光源系統(tǒng)，進(jìn)一步證明了特定評價(jià)函數(shù)在陣列式光源系統(tǒng)中的優(yōu)化可行性，使大功率陣列式光源在光照均勻度和能量利用率方面得以優(yōu)化提升，顯著提升了大功率陣列式光源系統(tǒng)的整體性能效果。



審核編輯：劉清