摘要：在照明系統(tǒng)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(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函數(shù)、能量利用率評價函數(shù)和綜合性評價函數(shù)的優(yōu)化設計算法。運用數(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進行優(yōu)化調整，實現(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%，驗證了優(yōu)化方法的可行性。在此基礎上，論文進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.光學透鏡設計理論分析

LED光學照明系統(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(fā)射出的光照能量，能夠對接收面上的均勻照度區(qū)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(fā)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(jīng)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(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)設計

根據(jù)在單光源系統(tǒng)優(yōu)化和雙光源系統(tǒng)優(yōu)化基礎上獲得的最優(yōu)參數(shù)，構建出同時獲得最優(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)為測驗對象，構建一個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)計算出在此最優(yōu)參數(shù)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(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圖。通過照度分布圖和光照強度分布圖數(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(tǒng)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(shù)，運用數(shù)值分析方法，將光源系統(tǒng)的優(yōu)化問題轉變?yōu)樵u價函數(shù)的量化問題，實現(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。利用設定光照均勻度評價函數(shù)、能量利用率評價函數(shù)和綜合評價函數(shù)等相關特定函數(shù)計算光照均勻性和能量利用率，運用數(shù)值分析方法對反光杯第二面圓錐常數(shù)和曲率半徑進行優(yōu)化調整，實現(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)化的光學系統(tǒng)進行仿真驗證，并將優(yōu)化完成的光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)方式的優(yōu)化系統(tǒng)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(shù)優(yōu)化方法的可行性、準確性和高效性。同時將此優(yōu)化方法運用到多光源系統(tǒng)，以特定評價函數(shù)為基礎，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)相關參數(shù)的基礎上，構建出矩形陣列式光源系統(tǒng)，進一步證明了特定評價函數(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