廈門理工學(xué)院光電工程課程設(shè)計(jì)實(shí)踐—Lighttools設(shè)計(jì)應(yīng)用

1、饑H諷乂喫俛XIAMEN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY光電工程實(shí)踐一照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)院 系：年級專業(yè)： 姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 職 稱：2015年6月、課程設(shè)計(jì)的目的、任務(wù)與要求 目的：使學(xué)生掌握照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技能 通過該課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生會對照明系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)置、物體模型的建立、光源 的設(shè)置、進(jìn)行一些簡單的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。任務(wù)：將學(xué)生已有的一些光度學(xué)、LED相關(guān)的知識，結(jié)合照明設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，融合 到一些簡單的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來，完成一些簡單的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要求：掌握和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的一些基本理論知識，掌握照明設(shè)計(jì)軟件的使用方法，要

2、求會根據(jù)給定的任務(wù)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)并對照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。二、課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)1、利用lighttools 設(shè)計(jì)一個(gè)礦燈反光杯，用于在礦燈前方形成集中的光斑以照 明。LED光源發(fā)光全角度為170度；反光杯內(nèi)表面反射，孔徑為 78mm在距離光源1000mn處形成100mn左右的圓形光班。2、 設(shè)計(jì)一個(gè)TIR透鏡，透鏡可以對小角度的光線進(jìn)行處理，從而減小LED發(fā)光 角度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直均勻照明。三、設(shè)計(jì)過程3.1礦燈反光杯設(shè)計(jì)過程3.1.1立方體積光源尺寸 0.2*1*1 ；坐標(biāo)位置（0,0,0 ）角度（0,0,0 ）, Z坐標(biāo)為0；出射度1001m；定位面：下角度85，由發(fā)光全角度170決定的。3.1.2

3、通過單片式鏡頭設(shè)計(jì)反光杯放置平板光學(xué)元件坐標(biāo)（0,0,-10 ）角度（0,0,0）；反光杯在光源左側(cè)，即坐標(biāo)-10位置；平板為直徑為78mm勺圓形，與孔徑值是一樣的；厚度0.1mm即可將其后表面設(shè)置為二次曲面面型，曲面系數(shù)C為-1，半徑給初始值R為15,凹面；將后表面的光學(xué)屬性設(shè)置為簡單反射鏡，使反光杯的內(nèi)表面反光；將邊的光學(xué)屬性改為平滑光學(xué)，使邊透明，方便在3D圖形中看清元件的 結(jié)構(gòu)，如圖3-1a。3.1.3添加接收表面建立虛擬表面，其坐標(biāo)為（0,0,1000 ）角度為（0,0,0 ）;接收面為半徑為60mm勺圓形，添加接收器。此時(shí)進(jìn)行光線追擊，經(jīng)過反光杯的光線發(fā)生了反射，在1m處形成光斑，

4、查看光柵圖表，通過觀察所形成的光斑如圖3-1b，很顯然光斑主要的能量非常集中,在集中光柵的外圍有比較多的過度性的光線，那是因?yàn)槎鄶?shù)的光線向前出射 出去，同時(shí)有很多光線或者說有一些光線經(jīng)過反光杯反射之后并沒有到達(dá)接收圖 3-1a C-1 R15 Z0圖3-1b光斑圖3.1.4優(yōu)化添加網(wǎng)格評價(jià)函數(shù)；將透鏡后表面的曲面系數(shù)和半徑，以及光源的位置定義為優(yōu)化變量；然后優(yōu)化，形成以接收器大小為基準(zhǔn)尺寸相當(dāng)?shù)墓獍撸?軟件優(yōu)化后的光柵圖表如圖3-2圖 3-2 C-0.97424 R15.61592 Z-1由上圖可知軟件優(yōu)化后反光杯容易造成空洞，需要手動調(diào)節(jié)反光杯的半徑以減小空洞，優(yōu)化之后曲面系數(shù)C為-0.97

5、424，很顯然這是一個(gè)橢圓的面型，曲率半徑R為15.61592，同時(shí)可以調(diào)整光源的位置為-1，兩者協(xié)調(diào)使光斑中心空洞變小即可，此時(shí)要讓光線向中心匯聚，效果如圖3-3-SO -30Q劉 一土 60圖 3-3 C-0.97424 R13 Z-1曲面系數(shù)也可以調(diào)整，但對光斑影響較大，如圖3-4，將15.6改為14點(diǎn)擊應(yīng)用，點(diǎn)擊光線追擊，發(fā)現(xiàn)此時(shí)光斑的中間的大小會變大，因此將曲率半徑反向調(diào)整為16,中間空洞明顯減小，如圖3-5所示，中間存在匯集狀態(tài)，所以將曲 率半徑調(diào)大反而空洞減小，因此將曲率半徑改大為17,再次點(diǎn)擊光線追擊，效果如圖3-6所示。故手動調(diào)整環(huán)節(jié)是各個(gè)參數(shù)的整體協(xié)調(diào)，需不斷得反復(fù)調(diào)整；

6、加上利用網(wǎng)格優(yōu)化函數(shù)在不同的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的優(yōu)化和手動調(diào)整，得到理想的光斑。-60-3060圖 3-4 C-0.97424 R16 Z-1圖 3-5 C-0.97424 R16 Z-1圖 3-6 C-0.97424 R17Z-1將光源的位置改為-2，再次光線追擊，很顯然，光線出現(xiàn)近似準(zhǔn)直的狀態(tài)，如圖3-7，將-0.97改為-1，光斑明顯變大，曲面系數(shù)對系統(tǒng)的影響很大，如圖3-8，將半徑修改為14,將光源移動到-3mm對系統(tǒng)進(jìn)行微小的調(diào)整，將曲面系數(shù)改為-1.03，曲率半徑改為13,以此為初始結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)化完成后得到的仍然是中間帶有空洞的光斑， 因此不能完全依靠系統(tǒng)的優(yōu)化，得自己做

7、參數(shù)的調(diào)整，如圖3-9圖 3-7 C-1 R17 Z-1圖 3-8 C-1 R14 Z-3 圖 3-9 C-1.03 R13 Z-1此時(shí)以這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)對曲面面型或光源的坐標(biāo)進(jìn)行微小的調(diào)整，光 源坐標(biāo)改為-3，得到我們需要的礦燈反光杯的設(shè)計(jì)效果，軟件優(yōu)化和手動優(yōu)化相結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)最后的優(yōu)化結(jié)果，如圖3-10a、3-10b，圖3-11所示圖 3-10a C-1.03 R13 Z-3照瑋!Lg5 卜 100000.001 1count圖3-10b照度圖圖3-11反光杯光線追擊最終優(yōu)化效果圖最終反光杯各個(gè)參數(shù)：后表面的曲面系數(shù)C為-1.03 ；曲率半徑R為13；光源坐標(biāo)（0,0,-3 ）。3.2

8、LEDTIR透鏡設(shè)計(jì)過程3.2.1建立系統(tǒng)光源設(shè)置和反光杯礦燈設(shè)置一樣，只有單一光源時(shí)，可通過添加遠(yuǎn)場接收器查看發(fā)光情況；建立系統(tǒng)毛坯圓柱體，其坐標(biāo)為（0,0,0 ）角度為（0,0,0 ），圓柱體半徑10mm長度15mm錐度1 （表示直的圓柱）。選擇毛坯圓柱后，按Ctrl 鍵選擇透鏡，進(jìn)行減法的布爾運(yùn)算。將圓柱形透鏡放置在坐標(biāo)（0,0,0 ）角度（0,0,0 ）處，將邊光學(xué)屬性定義為平滑光學(xué)，設(shè)定其直徑 6mm厚度5mm設(shè)置 后表面為凹面（以使剪切完后剩下的是凸面），面型為二次曲面，曲面系數(shù)為-1， 半徑3mm添加坐標(biāo)為（0,0,30） 遠(yuǎn)場接收器，按照如上操作得到如圖 3-12所示的初始結(jié)構(gòu)

9、和照度光柵圖表如圖3-13圖3-12初始結(jié)構(gòu)光線追跡圖J亳米-20 -ID tiro米圖3-13 TIR透鏡未優(yōu)化照度圖坐標(biāo)位置（0,0,0 ）角度（0,0,0）；圓柱體半徑10mm長度12mm錐度1表示直的圓柱;內(nèi)透鏡直徑6mm厚度5mm曲面系數(shù)為-1,半徑3mm 外透鏡曲面系數(shù)-1，半徑5mm3.2.2優(yōu)化添加準(zhǔn)直評價(jià)函數(shù)，將兩個(gè)透鏡的面型和半徑設(shè)定為優(yōu)化變量，進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)增加毛坯和反光杯的外徑以增大剪切部分， 綜合考慮反光杯的半徑及位置及其他參數(shù)，多次調(diào)整以增大剪切的部分圖3-14 TIR透鏡自動優(yōu)化光線追跡圖A :W-照度：Lux10000. 001 1count圖3-15 TIR透

10、鏡未優(yōu)化照度圖坐標(biāo)位置(0,0, -0.47063)角度(0,0,0)圓柱體半徑10mm長度12mm錐度1表示直的圓柱 內(nèi)透鏡直徑6mm厚度5mm曲面系數(shù)為-0.99891，半徑3.24993mm外透鏡曲面系數(shù)-1.01339，半徑5.23520mm323手動優(yōu)化的結(jié)果分析圖3-16 TIR透鏡手動優(yōu)化光線追跡圖-ro0T 尊 奄托圖3-17 TIR透鏡手動優(yōu)化照度圖TIR透鏡最終優(yōu)化參數(shù):坐標(biāo)位置(0,0,-0.25 )角度(0,0,0)；圓柱體半徑12.8mm長度12mm錐度1表示直的圓柱;內(nèi)透鏡直徑6mm厚度5.2mm,曲面系數(shù)為-1.5699,半徑3.1692mm外透鏡曲面系數(shù)-1.1

11、570，半徑5.185mm四、結(jié)論通過一周的LightTools光學(xué)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我完成了LED反光杯的設(shè)計(jì)和TIR透鏡優(yōu)化的設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)。采用軟件優(yōu)化和手動優(yōu)化相結(jié)合的方法，反光杯的設(shè)計(jì)效果從圖3-11的光線追跡圖可以看出光源出射的光線非常準(zhǔn)直、線條均勻；從圖3-10a反光杯的光柵圖表可以看出光斑直徑約60mm且光斑非常均勻而且光亮度很集中，從圖 3-10b的光照度圖可以看出本次設(shè)計(jì)的反光杯可以達(dá)到非常高的亮度。同理TIR透鏡優(yōu)化過程也是采用軟件優(yōu)化加上手動調(diào)整的方式，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的。從圖3-16TIR透鏡的光線追跡圖可以看出光線絕大部分可以被達(dá)到平面， 且光線基本準(zhǔn)直、線條均勻，光能得到有效的利用；從圖3-17TIR透鏡的照度圖 可以看出光斑達(dá)到了與TIR透鏡尺寸相當(dāng)?shù)墓獍?，約為20mm光斑很圓、很均 勻，且光亮度非常高。五、心得體會通過這一周的學(xué)習(xí)，我懂得了如何應(yīng)用LightTools軟件設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)；這一過程十分的艱辛，剛剛開始的時(shí)候老是記不住操作步驟的細(xì)節(jié)，常常導(dǎo)致優(yōu)化后光斑崩潰，于是又得反復(fù)地重做；后來我總結(jié)了原因，做了詳細(xì)的筆記，并 將相關(guān)參數(shù)