LightTools软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用_

1、第 34卷 第 4期 2012年 8月光 学 仪 器O P T I C A L I N S T R UM E N T S V o l . 34, N o . 4A u gu s t , 2012 文章编号 :1005-5630(2012 04-0049-05*收稿日期 :2012-02-24基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (11104184 ; 上海市教委科研创新 资 助 项 目 (12Y Z 108; 上 海 市 教 育 委 员 会 重 点 学 科 建 设 资 助项目 (S 30502作者简介 :胡志威 (1986- , 男 ,四川成都人 , 硕士研究生 , 主要从事 L E D 照明

2、设计方面的研究 。 L i gh t T o o l s 软件在均匀光分布的 照明系统设计中的应用 *胡志威 , 彭润玲 , 秦 汉 , 林朋飞(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院 , 上海 200093摘要 :以模拟单颗 L E D 的均匀配光为例 , 介绍了 L i g h t T o o l s 软件在照明系统设计中的应用 , 以 便更进一步地掌握和使用 L i g h t T o o l s 软件 。 文中借助 L i g h t T o o l s 软件 , 在单颗 L E D 上建立反 光杯模型 ,在反光杯出 光 口 建 立 透 镜 阵 列 , 并 在 目 标 照 射 面 上

3、建 立 目 标 区 域 的 强 度 网 格 , 通 过 L i g h t T o o l s 软件的优化模块进行优化后 , 可在目标区域得到均匀的光强分布 。 利用 L i gh t T o o l s 软件进行辅助设计和优化模拟 , 具有很高的可信度 , 也可以大大缩短照明设计的周期 。 关键词 :均匀光强 ; 透镜阵列 ; 照明设计 ; L i gh t T o o l s 中图分类号 :T H 741. 4 文献标识码 :A d o i :10. 3969/j. i s s n . 1005-5630. 2012. 04. 011T h e a p p l i c a t i o n

4、o f L i g h t T o o l s s o f t w a r e i n u n i f o r m l i gh t d i s t r i b u t i o n o f t h e l i g h t i n g s y s t e m d e s i g n HU Z h i w e i , P E N G R u n l i n g , Q I N H a n , L I N P e n g fe i (S c h o o l o f O p t i c a l -E l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e

5、 e r i n g , U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n gh a i 200093, C h i n a A b s t r a c t :W i t h t h e s i m u l a t i o n o f s i n g l e L E D l i g h t d i s t r i b u t i o n e v e n a s a n e x a m p l e , L i g h t T o o l s s o f t

6、 w a r e i n l i g h t i n g s y s t e m d e s i g n o f t h e a p p l i c a t i o n i s i n t r o d u c e d i n o r d e r t o f u r t h e r c o n t r o l a n d u s e L i g h t T o o l s s o f t w a r e .W i t h L i g h t T o o l s s o f t w a r e , a r e f l e c t o r m o d e l i s e s t a b l i s

7、h e d a b o v e a s i n g l e L E D c o m p o n e n t a n d l e n s a r r a y i s m a d e o n t h e e x i t o f t h e r e f l e c t o r , t h e n a n i n t e n s i t y m e s h f o r a c e r t a i n r e g i o n o f t h e t a r g e t s u r f a c e i s e s t a b l i s h e d . A f t e r o p t i m i z a

8、t i o n i n L i g h t T o o l s , t h e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n c a n b e u n i f o r m i n t h e t a r g e t a r e a . T h e d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o n w i t h L i g h t T o o l s d e m o n s t r a t e h i g h c r e d i b i l i t y , a n d t h e l i g h t i n g d e

9、s i g n c y c l e c o u l d a l s o b e g r e a t l y s h o r t e n e d . K e y w o r d s :i n t e n s i t y u n i f o r m ; l e n s a r r a y ; l i g h t i n g d e s i g n ; L i g h t T o o l s 引 言与传统光源相比 , L E D 光源具有寿命长 、 能耗低 、 响应时间短等优点 , 它是 21世纪具有竞争力的新型固体光源 , 正逐渐取代传统光源 1。 目前 , 商用单颗 6W 的 L E D 芯片的

10、光通量已达到 300l m ,这足以满足很多 场合的照明要求 。 但是 , L E D 芯片的出光为朗伯分布 ,如果不经过适当的配光处理而直接应用于照明将无法 光 学 仪 器 第 34卷 达到所需要的要求 , 而且会造成光污染和能量浪费 , 因此 , 对 L E D 照明系统进行配光设计是十分必要的 2-4。目前 , 针对 L E D 器件在目标区域的强度均匀性优化大都是采用自由曲面的反光杯或非球面构成的透 镜的形式在计算机上进行建模分析 , 所采用的光源也多是由数学建模进行模拟分析 , 由于 L E D 的实际发 光情况很复杂 ,单靠数学建模很难完美地模拟实际发光效果 , 所以这样计算得到的

11、最终分析结果可能会和 实际结果大相径庭 。 而且 , 由于受到机械加工的制约 , 很多计算出的复杂模型也难于转为现实 。 在这种情 况下 ,提出一种利用透镜阵列的方式实现目标照明区域满足均匀光强的设计方法 。 国际上最常用的照明光学设计软件有 L i g h t T o o l s 、 T r a c e p r o 、 C o d e V 、 L u c i d s h a p e 、 Z e m a x 等 , 其 中 又 以 L i g h t T o o l s 和 T r a c e p r o 的照明模拟结果可信度最高 。 利用 L i g h t T o o l s 软件对单颗

12、L E D 器件进行目 标区域的强度均匀性优化 , 使目标区域实现了预期的照明效果 。1 设计方法1. 1 发光强度光源在给定方向上的发光强度是该光源在给定方向的立体角元 d 内传输的光通量 d 与该立体角 元之商 ,即 I V =d V/d (1发光强度的单位为坎德拉 (c d 。 1. 2 建立反光杯模型在 L i g h t T o o l s 软件中 , 为了便于优化设计 , 一般采用以贝塞尔曲线 (B éz i e r c u r v e 为母线旋转构成的 反光杯 ,如图 1所示 。 该反光杯共有五个变量 , 分 别 为 权 重 (代 表 贝 塞 尔 曲 线 趋 近 于 三

13、 点 构 成 的 折 线 的 程 度 、 位 置 (代 表 图 1中的折线的折点水平位置 、 大小 (代表折线的折点的垂直位置 、 前面大小 、 后面大小 。 这五个值的改 变可以改变单元格中母线的线型 ,相应地改变了反光杯的面型 。 对于一个反光杯来说 , 改变面型就意味着 会改变光源光线的反射方向 , 从而改变了光源能量在整个空间的分布 , 其中反光杯的面型对光能量的空间 分布尤为重要 。 对于一个理想点光源来说 ,将其置于一个抛物面反光杯的交点处 , 则所有经过反射的光能 量将都平行于抛物面轴线出射 。 但是 , 在实际应用中 , 所用到的光源的发光情况都是很复杂的 , 单纯对光 源进行

14、数学建模无法完美模拟出光源的实际发光情况 , 现可以利用 L i g h t T o o l s 软件 , 直接导入光源的近 场测试数据 , 来完美模拟光源的实际发光情况 。 同时 , 还可以根据模拟的精度要求来选择近场测试的光线 数量 ,其灵活性很好 。 建立反光杯模型后 , 修改其反光面的光学属性为镜面反射 。 1. 3 添加光源打开 L i g h t T o o l s 的 L E D 工具库 , 该库包含 L u m i l e d s 、 C r e e 、 O s r a m 等国内外常用的 L E D 器件 , 可直 接从库中调用 L E D 光 源 , 并 且 可 对 生 成

15、 的 L E D 光 源 进 行 编 辑 。 现 选 择 L u m i l e d s X P WT -M L 00型 号 L E D 光源 ,如图 2所示 。 图 1 以贝塞尔曲线为母线所做的反光杯模型 F i g . 1 R e f l e c t i v e c u p m o d e l w i t h B e z i e r c u r v e a s b us 图 2 L u m i l e d s X P WT -M L 00型号 L E D 光源模型 F i g . 2 L u m i l e d s X P W T -M L 00t y p e s o f L E D l

16、i gh t s o u r c e m o d e l ·05· 第 4期 胡志威 , 等 :L i gh t T o o l s 软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用 图 3 准直优化后的配光曲线Fi g . 3 T h e c o l l i m a t o r o p t i m i z e d l i g h t d i s t r i b u t i o n c u r v e 单击图 2中 “ C r e a t L E D ” 按钮可在原点位置生成一个 相应型号的光源 。 首 先 , 添 加 一 个 以 原 点 为 球 心 的 球 形 远 场接收器 (f

17、a r f i e l d r e c e i v e r 。 如 图 1所 示 , 添加贝塞尔曲 线的权重 、位置 、 大小 、 后面大小为优化变量 (在相应的文本 框内单击右键 , 选择添加优化变量 , 并变为红色字体 。 1. 4 进行准直优化选择 菜 单 栏 中 的 优 化 菜 单 , 添 加 相 应 的 评 价 函 数 (m e r i t f u n c t i o n , 现选择添加准直优化函数 。 优化成功后 , 可以得到一个很好的平行出光效果 , 如图 3所示 , 光能量基 本都 以 垂 直 于 出 光 口 的 方 向 出 射 (图 中 横 线 上 的 刻 度 0. 081

18、98、 0. 163 96、 0. 245 94、 0. 327 93、 0. 40991代表的是 相应的绝对光强度值 。 1. 5 添加透镜阵列首先 , 在反光杯出光口前添加一个超薄长方体 , 再在长 方体上添加 3D 纹理 。 该 3D 纹理可以快速在所添加的超薄长方体的表面上提供阵列式区域 , 在该区域内 以阵列的形式排布着同样光学属性和形状的微结构 , 这样就可以快速在反光杯出光口添加一个透镜阵列 , 大大节省了照明设计的时间 , 缩短了设计周期。 图 4 从库元件中添加枕型透镜F i g . 4 A d d i n g p i l l o w t y p e l e n s e l

19、e m e n t s f r o m t h e l i b r a r y 在 3D 纹理构成的阵列 5-6区域内添加自己设计的库元件 , 从库元件 (图 4中方框区域所示 中添加一 个枕型透镜元件 , 把单个枕型透镜元件添加到 3D 纹理 (T e x t u r e 阵列中 如图 5(b 所示 , 再把该透镜阵 列放在反光杯出口处的一定位置 , 就构成了一个完整的配光系统 如图 5(a所示 。 图 5 配光系统F i g . 5 L i g h t d i s t r i b u t i o n s ys t e m ·15· 光 学 仪 器 第 34卷 图 6 枕

20、型维透镜面型参数F i g . 6 P i l l o w t y p e m i c r o l e n s f a c e t y pe p a r a m e t e r s 该枕型透 镜 左 表 面 的 面 型 定 义 为 x y 多项式 , 即Z =n mi =2C ix m yn(2 如 图 6所 示 , x 2、 y 2的 曲 率 系 数 分 别 为 -0. 2、 0. 1, 添 加 这 两 个 曲 率 系 数 为 优 化变量 , 随 着 这 两 个 值 的 变 化 , 透 镜 单 元 的面型也改变 , 相应的透镜阵列对光能 量 分配的影响随之改变 。 1. 6 添加远场接收器首

21、先添加远场接收器 , 打开属性更改其强度网格 (i n t e n s i t y m e s h 的角度范围 , 使其接受光能 量 的 角 度范围如图 7所示 。 此时 , 进行初始模拟 , 可以得到一个光强分布 。 然后 , 在远场接收器的强度网格上添 加评价函数 , 根据该评价函数的强度归一化评价设置 , 经过优化后可以得到可行的透镜阵列参数。 图 7 远场接收器的强度网格F i g . 7 T h e i n t e n s i t y m e s h o f t h e f a r f i e l d r e c e i v e r 2 优化结果优化前透镜元件的参数和优化后透镜元件的

22、参数是有所变化的 , x 2、 y 2优化前的数值 分别是 -0. 2、 0. 1, 而优化后的数值分别是 -0. 237 12、 0. 14046如图 8(b 方框所示 。 图 8 优化前后微透镜的参数对比F i g . 8 B e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n o f t h e pa r a m e t e r s c o n t r a s t o f t h e m i c r o l e n s 在目标区域内 ,未经优化的发光强度结果和优化后的发光强度结果有十分明显的差异 7, 优化前该区 域发光强度值明显有差别 ,

23、由颜色 (不同颜色对应不同的发光强度值 差别可区分 ; 而优化后该区域发光强 ·25· 第 4期 胡志威 , 等 :L i gh t T o o l s 软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用 度十分均匀 , 颜色几乎同一 (如图 9所示 。 图 9 优化前后发光强度的均匀性对比F i g . 9 B e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n o f t h e u n i f o r m i t y c o n t r a s t o f t h e l u m i n o u s i n t e n s i t

24、y 由图 9可知 , 经过对透镜阵列的优化 , 可以使水平 -22. 5°22. 5°、 垂直 -12. 5°12. 5°的范围内的发 光强度达到基本均匀 。 以上各图出自于 L i gh t T o o l s 仿真模拟过程及结果中的截图 。 3 结 论应用 L i g h t T o o l s 软件模拟单颗 L E D 在目标照射面的一定区域内实现均匀照明 , 并提 出了一 种 新 的 L E D 发光强度在目标范围内实现均匀照明的方法 。 该设计方法首先建立反光杯模型 , 在反光杯模型的底 部添加单颗 L E D 光源 ; 然后对反光杯的出光进行准直优化 , 使其出光尽量达到准直 ; 接着在反光杯出光口 前添加透镜阵列 , 并设置单个透镜元件的面型参数 , 透镜单元的面型为 X Y 多项式曲面 , 分别添加 X Y 多 项式中 X 和 Y 的 平 方 系 数 为 优 化 变 量 ;最 后 添