一种基于光学仿真的照明系统设计方法及实验装置与流程

本发明属于半导体照明技术领域，提出了一种基于光学仿真软件建立面光源亮度分布模型的方法，并设计了一套实现照明系统的实验装置，该实验装置适用于生物实验领域，特别是涉及在箱体内进行实验的领域。

背景技术：

随着半导体照明技术的不断发展，LED由于具有节能环保、寿命长、体积小等特点以绝对的优势广泛的应用在各个领域，包括在公共场所、生物实验等领域的应用，其中光源的亮度和均匀性等光学指标在对应用的领域有很大影响。但是因为LED近似是一个点光源，因此要想达到一些照明效果，就需要将多个LED叠加在一起组成一个LED阵列的形式来实现这些效果，甚至需要将多个LED阵列形成的面光源进行设计组合成一个LED照明系统。在以前的照明设计方法中，主要是采用了重叠法和剪裁法两种设计方法来实现均匀照明。重叠法主要是分析多个点光源排列情况的光强分布对照明区域的影响来设计实行的，剪裁法是在已知光源的光强分布情况下，通过剪裁反射镜或透镜的形状来控制光线的发射方向，获得均匀的照度分布。

虽然这两种设计方法能够在照明区域内达到较高的均匀性，但是也存在着一些不足。比如重叠法只是针对点光源的光照模型对多颗LED进行有效的排列组合形成有效的面光源，达到良好的照明均匀的效果，没有考虑到在使用过程中多个面光源的情况。而剪裁法是通过二次光学设计来设计实现的，在这一过程中光线经过透镜或者是反射镜多次反射后，会对光能产生损失，造成光能利用率低的情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多个LED面光源组合形成的照明系统的设计方法。

本发明提出了一种基于点光源理论模型和光学仿真软件相结合的方式建立面光源亮度分布模型。该模型解决了现有设计方法存在的不足，在不需要对模型的偏微分方程进行复杂求解的情况下得出较优效果。本发明还根据生物实验的需求，将建立的面光源模型通过MATLAB处理得出生物实验条件下所需要照明效果的系列参数，并设计了一套实现照明系统的实验装置。

本发明的技术方案是：

一种基于光学仿真的照明系统设计方法，通过理论分析出的面光源组合的光照模型作为非线性多元回归数学模型，在仿真软件中仿真出不同位置下，多个面光源的照度分布值，多组照度分布值导入MATLAB对该数学模型进行求解，并根据解出的结果，结合实验需求设计了一套照明实验装置，具体实施步骤为：

步骤一：确立单个面光源模型

LED是一种非相干光源，因此求多个LED对某一区域的光强照度时，照度为每个LED的光强照度的叠加，基于单个LED光照分布模型建立单个面光源的分布模型，即所有的LED光照亮度之和；

步骤二：确立多个面光源模型

根据上步得出单个面光源的光照模型，结合多个面光源在空间中存在几组位置参数推导出多个面光源的理论模型；

步骤三：建立照明系统分布均匀的评价函数

根据得到的面光源组合模型建立多个面光源对接收面光照强度的评价函数其数学模型为：

式中，σ²为接收面中光照强度的方差值；

E_i为接收面上每一点的光照强度；

为接收面上n个点的光照强度的平均值；

a，b_i是待确定系数(i＝1...9)；

L₁，L₂，h是空间中的未知参数；

步骤四：基于光学仿真软件建立评价函数

在仿真软件中建立照明系统实体模型，进行光线追踪后得到在接收面上的光照分布，并求出整个接收面的方差值，通过多次调节照明系统中不同的参数，得到多组仿真结果；

步骤五：基于MATLAB的模型拟合与求解

根据步骤三中建立的评价函数模型和步骤四得到的多组仿真结果，利用MATLAB工具进行多元非线性函数拟合并求解，根据实际实验需求求出拟合模型的最优解，即照明系统的最大均匀度，并进一步设计照明系统实验装置。

进一步的，该方法利用多元非线性回归方法对评价函数的多项式进行拟合。

一种基于光学仿真的照明系统设计方法的实验装置，该装置包括框体，框体上设有夹住面光源和固定相机的横梁，包括框体内底部设有的实验水箱，所述的框体侧壁上建立多个面光源。

进一步的，所述的多个面光源排布的方式是按照中心对称排布的。

进一步的，设计的单个LED面光源，每一条支路串联一个电位器，总路线串联一个电位器，电路中并联一个电容。除了总开关外，每个面光源都设计了一个开关用于单独控制。

进一步的，设计的多个面光源之间采取并联方式连接。

进一步的，所设计的实验装置框体采用3030铝型材搭建，框体中间的凹形槽宽度为1cm，实验装置距离地面可在20-30cm范围内可调。

进一步的，所述的夹住面光源和固定相机的横梁可上下调节，面光源和相机可左右前后调节。

进一步的，所述的多个面光源为6个。

本发明的技术效果是：本发明提出的设计方法简化了公式求解的复杂度，节省了时间，提高了照明设计的效率。此外，本发明根据现有的实验需求，确定了当照明系统光照分布均匀度达到最优时的多个参数值，根据参数值设计一套实现照明系统的实验装置。该实验装置很好地适用于生物实验领域，特别是涉及在箱体内进行实验的领域。

附图说明

图1：单个面光源的结构示意图；

图2：TracePro仿真下照明系统的结构示意图；

图3：TracePro仿真下照明系统的照度分布图；

图4：照明实验装置的结构示意图；

图5：实验装置下采集的图像和三维照度分析图。

图中：1-LED光源，2-电位器，3-电源，4-电容，5-开关，6-面光源，7-实验水箱，8-相机，9-横梁,10-框体

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，实施例仅用于例证的目的，绝不限制本发明的保护范围。

本发明将根据点光源理论模型进行分析，并利用TracePro仿真和MATLAB建立多个面光源亮度分布模型和照明系统的均匀度评价函数。

本发明将根据点光源理论模型进行分析，并利用TracePro仿真和MATLAB建立多个面光源亮度分布模型和照明系统的均匀度评价函数。在确定生物实验照明范围为60×45cm大小后，同时为了使面光源方便易调节，其尺寸设计为25×20cm，故LED面光源的阵列最大排布为7×5个，其中面光源按与空间z轴平行进行排布。具体的设计方法包括以下步骤：

步骤1：确立单个面光源模型

根据参考文献1Ivan Moreno所发表的论文中，他提出了一种多颗LED光源进行排列组合形成一个亮度均匀的面光源的设计方法，基于文中的理论模型进行光源叠加建立了单个面光源的光照分布模型，LED排列为N×M(N和M为奇数)的阵列形式时，其对空间内任意一点P(x，y，z)的光照强度为：

对于一个N×M(N和M为偶数)的LED阵列，其在空间内的照度分布E为：

式中，cosθ是发光面与空间Z轴的夹角的余弦值；

I_LED＝I₀cosα为当前LED灯珠的光照强度，I₀为此时LED法线上的光强，α是LED光珠的发光角度；

m为光源的辐射模式，m的大小跟LED的发光角度有关。

本实施例中，每两个LED之间的最大平坦距离根据参考文献1中的方法确定为d＝2cm，理想情况下m＝1，故具体的光照分布模型为：

LED排列为7×5的阵列形式时，其对空间内任意一点P(x，y，z)的光照强度为：

式中，I_LED＝I₀cosα为当前LED灯珠的光照强度，I₀为此时LED法线上的光强，α是LED光珠的发光角度；

步骤2：确立多个面光源模型

多个光源在空间中存在着多种位置关系，这里只考虑对照明效果影响最大的几个参数，由多个面光源叠加建立n个面光源在空间内的光照分布情况：

N和M为奇数时：

N和M为偶数时：

本实施例建立六个面光源即将多个面光源的光照强度叠加，排布方式如附图2所示，建立的面光源在空间内的光照分布情况：

N和M为奇数时：

式中α，β，γ分别对应着发光面与空间YZ,XZ,XY面之间的夹角，L₂是各面光源最边缘距离水箱边缘的距离，L₁是两个面光源之间的距离。

步骤三：建立多个面光源分布均匀的评价函数

在数学中方差是反映数据的离散程度的一种方式，所以本发明用方差来作为面光源均匀度的评价函数，多个面光源对接收面光照强度的方差函数为：

式中，σ²为接收面中光照强度的方差值；

E_i为接收面上每一点的光照强度；

为接收面上n个点的光照强度的平均值；

a，b_i是待确定系数(i＝1...9)；

令h＝(z-id sin γ)²表示面光源中心到接收面的距离。

步骤四：基于TracePro光学仿真建立评价函数

利用TracePro进行光学仿真，首先在SolidWorks中建立水箱模型导入到TracePro中，将材质、光源、接收面等的性质参数设定后进行光线追踪，所搭建的仿真结构如图2所示，将追踪的光线数据进行筛选处理，只选取属于水箱底面的追踪数据，图3为仿真条件下光照接收面的光照分布图，导入MATLAB中求出水箱底面的平均光照强度和方差值。其中每变化一次L₁、L₂、h，求出相应的平均值和方差。利用这些数据拟合出面光源在空间中分布均匀性的多元非线性模型。

步骤五：设计照明系统的实验装置

根据生物实验的具体要求，确定了面光源中LED的分布和单个面光源的尺寸，如图1所示。根据实际情况确定变量参数的约束条件后，用MATLAB对步骤四中建立的光照系统模型进行最优化求解，得出最优参数变量值,L₁＝39，L₂＝21，h＝34.92时，实验系统均匀度最大。根据所得的参数设计照明系统的实验装置大小及功能。如图4所示，为所设计的照明系统实验装置。

本发明实验装置包括采用3030铝型材搭建的框体10，框体10中间的凹形槽宽度为1cm，实验装置距离地面可在20-30cm范围内可调。框体10上设有夹住面光源6和固定相机8的横梁9，在框体10内底部设有实验水箱7，在所述的框体10侧壁上建立六个面光源6。参见附图1和附图2，其中设计的单个LED面光源，每一条支路串联一个电位器2，总路线串联一个电位器，电路中并联一个电容4。除了总开关外，每个面光源6都设计了一个开关5用于单独控制，六个面光源排布的方式是按照中心对称排布，并采取并联方式连接。本发明中面光源6和相机8可左右前后调节，以适用不同的实验需求。

图5是在此实验装置中所进行的一组实验测试图像(左图)和图像的三维光照分布图(右图)。

参考文献

1.Ivan Moreno,M.Avendano-Alejo,and R.I.Tzonchev,Designing light-emitting diode arrays for uniform near-field irrandiance[J],Applied Optical.2006:2265-2272.

2.Ivan Moreno,Uniform illumination of distant targets using a spherical light-emitting diode array[J].Optical Engineering,2007,46:033001.

3.黄启禄，吴逢铁，基于近场均匀照明的LED二次曲线阵列的研究[J]光学学报，2010,30(10):3039-3043.

4.史永胜，买迪，宁磊，实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究[J].应用光学，2011,32(04)：613-617。