[發明專利]一種基于光學仿真的照明系統設計方法及實驗裝置

有效

• 申請號: 201710082423.6
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號: CN106838723B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 孫明竹;李騰;趙新;秦巖丁
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: F21S8/00
• 分類號: F21S8/00;G02B27/00;F21Y115/10
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 劉書元

本發明提供一種基于光學仿真的照明系統設計方法及實驗裝置，屬于半導體照明技術領域，主要是通過光學仿真軟件來建立多個面光源組成的照明系統的光照分布模型，同時建立了光照系統均勻度的評價函數來獲取照明系統的均勻度效果。本發明提出的設計方法簡化了公式求解的復雜度，節省了時間，提高了照明設計的效率。此外，本發明根據現有的實驗需求，確定了當照明系統光照分布均勻度達到最優時的多個參數值，根據參數值設計一套實現照明系統的實驗裝置。該實驗裝置很好地適用于生物實驗領域，特別是涉及在箱體內進行實驗的領域。

技術領域

本發明屬于半導體照明技術領域，提出了一種基于光學仿真軟件建立面光源亮度分布模型的方法，并設計了一套實現照明系統的實驗裝置，該實驗裝置適用于生物實驗領域，特別是涉及在箱體內進行實驗的領域。

背景技術

隨著半導體照明技術的不斷發展，LED由于具有節能環保、壽命長、體積小等特點以絕對的優勢廣泛的應用在各個領域，包括在公共場所、生物實驗等領域的應用，其中光源的亮度和均勻性等光學指標在對應用的領域有很大影響。但是因為LED近似是一個點光源，因此要想達到一些照明效果，就需要將多個LED疊加在一起組成一個LED陣列的形式來實現這些效果，甚至需要將多個LED陣列形成的面光源進行設計組合成一個LED照明系統。在以前的照明設計方法中，主要是采用了重疊法和剪裁法兩種設計方法來實現均勻照明。重疊法主要是分析多個點光源排列情況的光強分布對照明區域的影響來設計實行的，剪裁法是在已知光源的光強分布情況下，通過剪裁反射鏡或透鏡的形狀來控制光線的發射方向，獲得均勻的照度分布。

雖然這兩種設計方法能夠在照明區域內達到較高的均勻性，但是也存在著一些不足。比如重疊法只是針對點光源的光照模型對多顆LED進行有效的排列組合形成有效的面光源，達到良好的照明均勻的效果，沒有考慮到在使用過程中多個面光源的情況。而剪裁法是通過二次光學設計來設計實現的，在這一過程中光線經過透鏡或者是反射鏡多次反射后，會對光能產生損失，造成光能利用率低的情況。

發明內容

本發明的目的是提供一種多個LED面光源組合形成的照明系統的設計方法。

本發明提出了一種基于點光源理論模型和光學仿真軟件相結合的方式建立面光源亮度分布模型。該模型解決了現有設計方法存在的不足，在不需要對模型的偏微分方程進行復雜求解的情況下得出較優效果。本發明還根據生物實驗的需求，將建立的面光源模型通過MATLAB處理得出生物實驗條件下所需要照明效果的系列參數，并設計了一套實現照明系統的實驗裝置。

本發明的技術方案是：

一種基于光學仿真的照明系統設計方法，通過理論分析出的面光源組合的光照模型作為非線性多元回歸數學模型，在仿真軟件中仿真出不同位置下，多個面光源的照度分布值，多組照度分布值導入MATLAB對該數學模型進行求解，并根據解出的結果，結合實驗需求設計了一套照明實驗裝置，具體實施步驟為：

步驟一：確立單個面光源模型

LED是一種非相干光源，因此求多個LED對某一區域的光強照度時，照度為每個LED的光強照度的疊加，基于單個LED光照分布模型建立單個面光源的分布模型，即所有的LED光照亮度之和；

步驟二：確立多個面光源模型

根據上步得出單個面光源的光照模型，結合多個面光源在空間中存在幾組位置參數推導出多個面光源的理論模型；

步驟三：建立照明系統分布均勻的評價函數

根據得到的面光源組合模型建立多個面光源對接收面光照強度的評價函數其數學模型為：

式中，σ²為接收面中光照強度的方差值；

E_i為接收面上每一點的光照強度；