光學透鏡設計理論分析 陣列式光源系統設計

摘要：在照明系統設計中，接收面的均勻照明以及光能的充分利用一直是光源設計急需解決的問題。目前在LED光源設計領域中，通常采用斯派羅法則分析和微分方程計算的方式進行照明效果優化，這些方式的優化層面較單一，周期長且誤差較大。為了加強LED光源系統優化效率，同步提高光源系統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函數、能量利用率評價函數和綜合性評價函數的優化設計算法。運用數值分析方法對單光源系統的反光杯第二面圓錐常數K與曲率半徑R進行優化調整，實現整個反光杯光源系統的光照均勻度和能量利用率的同步優化。研究結果表明：利用本文算法優化后的系統比未優化的光源系統光照均勻度提高了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%，驗證了優化方法的可行性。在此基礎上，論文進一步研究多光源系統陣列間距對系統光照均勻度和能量利用率的影響，得出光源陣列系統的最優陣列間距，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%，最終實現了光照均勻度和能量利用率均較好的矩形陣列光源系統。

1.光學透鏡設計理論分析

LED光學照明系統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，通常應用于準直光束或聚光照明等，如照明手電、無影燈、望遠鏡等。反光杯發射出的光照能量，能夠對接收面上的均勻照度區域進行補償，最終形成光照度均勻的光斑分布。同時反光杯具有較高的能量利用率，能夠將LED芯片發射出來的光束盡可能地匯聚于接收面上。

反光杯內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，但此時的照度光斑并不均勻，需要經過反光杯第二面反射光束的補償，才能形成光照均勻的光斑。因此，本文通過調節反光杯第二面的圓錐常數K與曲率半徑R對反光杯進行優化建模，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.雙光源間距優化仿真圖

2.4.陣列式光源系統設計

根據在單光源系統優化和雙光源系統優化基礎上獲得的最優參數，構建出同時獲得最優光照均勻度和能量利用率的陣列式光源系統。選取矩型陣列式光源系統為測驗對象，構建一個3×3的矩形陣列式光源系統。根據單光源系統和雙光源系統的優化結果，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。由系統計算出在此最優參數基礎上，接收面的光照均勻度和能量利用率。矩形陣列式光源系統仿真圖如圖8所示。

圖8.矩形陣列光源系統仿真圖

圖9為矩形陣列式光源系統接收面獲得的照度圖和光強圖。通過照度分布圖和光照強度分布圖數據分析可以看出，通過優化，矩形陣列式光源系統能夠獲得良好的光照均勻度和能量利用率，接收面照明區域的照度曲線居高且平穩，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%。整體陣列光源系統的光學性能在一定程度上均達到較好效果。

圖9.矩形陣列式光源系統接收面獲得的照度圖和光強圖

3.結論

本文通過設定相應綜合評價函數，運用數值分析方法，將光源系統的優化問題轉變為評價函數的量化問題，實現光源系統在光照均勻度和能量利用率等方面的同步優化。利用設定光照均勻度評價函數、能量利用率評價函數和綜合評價函數等相關特定函數計算光照均勻性和能量利用率，運用數值分析方法對反光杯第二面圓錐常數和曲率半徑進行優化調整，實現了單光源反光杯系統的較高照明均勻性和能量利用率。將所優化的光學系統進行仿真驗證，并將優化完成的光學系統與傳統方式的優化系統進行比較，結果表明，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%，證明了特定評價函數優化方法的可行性、準確性和高效性。同時將此優化方法運用到多光源系統，以特定評價函數為基礎，光源間距為主要變量，優化得出多光源系統的光照均勻度為 2.23，與理想值的接近度為44.84%，能量利用率為 88.84%。證明了特定評價函數優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和多光源系統進行效果優化，提高了光源系統的性能。最后，在優化完成光源系統并得出最優相關參數的基礎上，構建出矩形陣列式光源系統，進一步證明了特定評價函數在陣列式光源系統中的優化可行性，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化提升，顯著提升了大功率陣列式光源系統的整體性能效果。



審核編輯：劉清