光学透镜设计理论分析 阵列式光源系统设计

摘要：在照明系统设计中，接收面的均匀照明以及光能的充分利用一直是光源设计急需解决的问题。目前在LED光源设计领域中，通常采用斯派罗法则分析和微分方程计算的方式进行照明效果优化，这些方式的优化层面较单一，周期长且误差较大。为了加强LED光源系统优化效率，同步提高光源系统的光照均匀度和能量利用率，论文提出了基于光照均匀度评价函数、能量利用率评价函数和综合性评价函数的优化设计算法。运用数值分析方法对单光源系统的反光杯第二面圆锥常数K与曲率半径R进行优化调整，实现整个反光杯光源系统的光照均匀度和能量利用率的同步优化。研究结果表明：利用本文算法优化后的系统比未优化的光源系统光照均匀度提高了14.2%，能量利用率提高了16.75%，与理想值的接近度提升了14.42%，验证了优化方法的可行性。在此基础上，论文进一步研究多光源系统阵列间距对系统光照均匀度和能量利用率的影响，得出光源阵列系统的最优阵列间距，在此间距下的光照均匀度与理想值的接近度为44.84%，能量利用率为88.84%，最终实现了光照均匀度和能量利用率均较好的矩形阵列光源系统。

1.光学透镜设计理论分析

LED光学照明系统主要采用反光杯与透镜两种方式。反光杯主要对光束起反射效果，通常应用于准直光束或聚光照明等，如照明手电、无影灯、望远镜等。反光杯发射出的光照能量，能够对接收面上的均匀照度区域进行补偿，最终形成光照度均匀的光斑分布。同时反光杯具有较高的能量利用率，能够将LED芯片发射出来的光束尽可能地汇聚于接收面上。

反光杯内部的光束存在反射和直射两种情况，直射的光束直接照射到接收面形成部分光斑，但此时的照度光斑并不均匀，需要经过反光杯第二面反射光束的补偿，才能形成光照均匀的光斑。因此，本文通过调节反光杯第二面的圆锥常数K与曲率半径R对反光杯进行优化建模，在照明接收面获取高光照均匀度和高能量利用率。图1为反光杯示意图。

图1.反光杯示意图

图6.双光源间距优化仿真图

2.4.阵列式光源系统设计

根据在单光源系统优化和双光源系统优化基础上获得的最优参数，构建出同时获得最优光照均匀度和能量利用率的阵列式光源系统。选取矩型阵列式光源系统为测验对象，构建一个3×3的矩形阵列式光源系统。根据单光源系统和双光源系统的优化结果，反光杯第一面K=R=0，第二面K=−0.9、R=32 mm，光源之间间隔gsp=1 050 mm。由系统计算出在此最优参数基础上，接收面的光照均匀度和能量利用率。矩形阵列式光源系统仿真图如图8所示。

图8.矩形阵列光源系统仿真图

图9为矩形阵列式光源系统接收面获得的照度图和光强图。通过照度分布图和光照强度分布图数据分析可以看出，通过优化，矩形阵列式光源系统能够获得良好的光照均匀度和能量利用率，接收面照明区域的照度曲线居高且平稳，其中光照均匀度Uniformity = 2.88，与理想值的接近度为34.72%，能量利用率tput = 90.64%。整体阵列光源系统的光学性能在一定程度上均达到较好效果。

图9.矩形阵列式光源系统接收面获得的照度图和光强图

3.结论

本文通过设定相应综合评价函数，运用数值分析方法，将光源系统的优化问题转变为评价函数的量化问题，实现光源系统在光照均匀度和能量利用率等方面的同步优化。利用设定光照均匀度评价函数、能量利用率评价函数和综合评价函数等相关特定函数计算光照均匀性和能量利用率，运用数值分析方法对反光杯第二面圆锥常数和曲率半径进行优化调整，实现了单光源反光杯系统的较高照明均匀性和能量利用率。将所优化的光学系统进行仿真验证，并将优化完成的光学系统与传统方式的优化系统进行比较，结果表明，光照均匀度提高了14.2%，与理想值的接近度提高了14.42%，能量利用率提高了16.75%，证明了特定评价函数优化方法的可行性、准确性和高效性。同时将此优化方法运用到多光源系统，以特定评价函数为基础，光源间距为主要变量，优化得出多光源系统的光照均匀度为 2.23，与理想值的接近度为44.84%，能量利用率为 88.84%。证明了特定评价函数优化方法在不同条件下的有效性，可以针对性地对单光源系统和多光源系统进行效果优化，提高了光源系统的性能。最后，在优化完成光源系统并得出最优相关参数的基础上，构建出矩形阵列式光源系统，进一步证明了特定评价函数在阵列式光源系统中的优化可行性，使大功率阵列式光源在光照均匀度和能量利用率方面得以优化提升，显著提升了大功率阵列式光源系统的整体性能效果。



审核编辑：刘清