廈門理工學(xué)院光電工程課程設(shè)計實踐—Lighttools設(shè)計應(yīng)用

1、光電工程實踐照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計院 系：年級專業(yè)：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：職 稱：2015年6月一、課程設(shè)計的目的、任務(wù)與要求目的：使學(xué)生掌握照明系統(tǒng)設(shè)計的基本知識, 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行照明系統(tǒng)設(shè)計的技能, 通過該課程設(shè)計, 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。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)計的學(xué)習(xí)，融合到一些簡單的照明系統(tǒng)的設(shè)計中來，完成一些簡單的照明系統(tǒng)設(shè)計。要求：掌握和照明系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)聯(lián)的一些基本理論知識，掌握照明設(shè)計軟件的使用方法，要求會根據(jù)給定的任務(wù)進(jìn)行實際設(shè)計并對照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。2、 課程設(shè)計的設(shè)計目標(biāo)

2、1、利用lighttools設(shè)計一個礦燈反光杯，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1000mm處形成100mm左右的圓形光班。2、設(shè)計一個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，實現(xiàn)準(zhǔn)直均勻照明。3、 設(shè)計過程3.1礦燈反光杯設(shè)計過程3.1.1立方體積光源Ø 尺寸0.2*1*1；Ø 坐標(biāo)位置（0,0,0）角度（0,0,0），Z坐標(biāo)為0；Ø 出射度100lm；Ø 定位面：下角度85°，由發(fā)光全角度170°決定的。3.1.2通過單片式

3、鏡頭設(shè)計反光杯放置平板光學(xué)元件Ø 坐標(biāo)（0,0,-10）角度（0,0,0）；Ø 反光杯在光源左側(cè)，即坐標(biāo)-10位置；Ø 平板為直徑為78mm的圓形，與孔徑值是一樣的；Ø 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；Ø 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；Ø 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Ø 建立虛擬表面，其坐標(biāo)為（0,0,1000）角度為（0,0,0）；Ø 接收面為半徑

4、為60mm的圓形，添加接收器。此時進(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，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，那是因為多數(shù)的光線向前出射出去，同時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)接收器。 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浖?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

5、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-0.97424，很顯然這是一個橢圓的面型，曲率半徑R為15.61592，同時可以調(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，此時要讓光線向中心匯聚，效果如圖3-3。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點擊應(yīng)用，點擊光線追擊，發(fā)現(xiàn)此時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，再次點擊光線追擊，效果如圖3-

6、6所示。故手動調(diào)整環(huán)節(jié)是各個參數(shù)的整體協(xié)調(diào)，需不斷得反復(fù)調(diào)整；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。 圖3-4 C-0.97424 R16 Z-1 圖3-5 C-0.97424 R16 Z-1 圖3-6 C-0.97424 R17 Z-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

7、空洞的光斑，因此不能完全依靠系統(tǒng)的優(yōu)化，得自己做參數(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 此時以這樣的設(shè)計結(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)計效果，軟件優(yōu)化和手動優(yōu)化相結(jié)合方法實現(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 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參數(shù)：Ø 后表面的曲面系數(shù)C為-1.03；Ø 曲率半徑R為13；

8、16; 光源坐標(biāo)（0,0,-3）。3.2LEDTIR透鏡設(shè)計過程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，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

9、得到如圖3-12所示的初始結(jié)構(gòu)和照度光柵圖表如圖3-13。圖3-12初始結(jié)構(gòu)光線追跡圖圖3-13 TIR透鏡未優(yōu)化照度圖Ø 坐標(biāo)位置（0,0,0）角度（0,0,0）；Ø 圓柱體半徑10mm，長度12mm，錐度1表示直的圓柱；Ø 內(nèi)透鏡直徑6mm,厚度5mm,曲面系數(shù)為-1,半徑3mm；Ø 外透鏡曲面系數(shù)-1，半徑5mm。3.2.2優(yōu)化添加準(zhǔn)直評價函數(shù)，將兩個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)化光線追跡圖圖3-15

10、TIR透鏡未優(yōu)化照度圖Ø 坐標(biāo)位置（0,0, -0.47063）角度（0,0,0）Ø 圓柱體半徑10mm，長度12mm，錐度1表示直的圓柱Ø 內(nèi)透鏡直徑6mm,厚度5mm,曲面系數(shù)為-0.99891，半徑3.24993mmØ 外透鏡曲面系數(shù)-1.01339，半徑5.23520mm3.2.3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)：Ø 坐標(biāo)位置（0,0,-0.25）角度（0,0,0）；Ø 圓柱體半徑12.8mm，長度12mm，錐度1表示直的圓柱；Ø 內(nèi)

11、透鏡直徑6mm,厚度5.2mm,曲面系數(shù)為-1.5699,半徑3.1692mm；Ø 外透鏡曲面系數(shù)-1.1570，半徑5.185mm。4、 結(jié)論通過一周的LightTools光學(xué)設(shè)計的學(xué)習(xí)和實踐，我完成了LED反光杯的設(shè)計和TIR透鏡優(yōu)化的設(shè)計各項指標(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)計一個光學(xué)系統(tǒng)；這一過程十分的艱辛，剛剛開始的時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)