厦门理工学院光电工程课程设计实践—Lighttools设计应用

光电工程实践—

照明系统光学设计院系：

年级专业：

姓名：

学号：

指导教师：

职称：

2015年6月

一、课程设计的目的、任务与要求

目的：使学生掌握照明系统设计的基本知识,培养学生进行照明系统设计的技能,通过该课程设计,要求学生会对照明系统进行初始设置、物体模型的建立、光源的设置、进行一些简单的照明系统的设计。

任务:将学生已有的一些光度学、LED相关的知识，结合照明设计的学习，融合到一些简单的照明系统的设计中来，完成一些简单的照明系统设计。

要求：掌握和照明系统设计相关联的一些基本理论知识，掌握照明设计软件的使用方法，要求会根据给定的任务进行实际设计并对照明系统进行优化。

二、课程设计的设计目标

1、利用lighttools设计一个矿灯反光杯，用于在矿灯前方形成集中的光斑以照明。

LED光源发光全角度为170度；反光杯内表面反射，孔径为78mm，在距离光源1000mm处形成100mm左右的圆形光班。

2、设计一个TIR透镜，透镜可以对小角度的光线进行处理，从而减小LED发光角度，实现准直均匀照明。

三、设计过程

3.1矿灯反光杯设计过程

3.1.1立方体积光源

尺寸0.2*1*1；

坐标位置（0,0,0）角度（0,0,0），Z坐标为0；

出射度100lm；

定位面：下角度85°，由发光全角度170°决定的。

3.1.2通过单片式镜头设计反光杯放置平板光学元件

坐标（0,0,-10）角度（0,0,0）；

反光杯在光源左侧，即坐标-10位置；

平板为直径为78mm的圆形，与孔径值是一样的；

厚度0.1mm即可将其后表面设置为二次曲面面型，曲面系数C为-1，半径给初始值R为15，凹面；

将后表面的光学属性设置为简单反射镜，使反光杯的内表面反光；

将边的光学属性改为平滑光学，使边透明，方便在3D图形中看清元件的结构，如图3-1a。

接收表面

建立虚拟表面，其坐标为（0,0,1000）角度为（0,0,0）；

接收面为半径为60mm的圆形，添加接收器。

此时进行光线追击，经过反光杯的光线发生了反射，在1m处形成光斑，查看光栅图表，通过观察所形成的光斑如图3-1b，很显然光斑主要的能量非常集中，在集中光栅的外围有比较多的过度性的光线，那是因为多数的光线向前出射出去，同时有很多光线或者说有一些光线经过反光杯反射之后并没有到达接收器。

图3-1aC-1R15Z0图3-1b光斑图

3.1.4优化

添加网格评价函数；将透镜后表面的曲面系数和半径，以及光源的位置定义为优化变量；然后优化，形成以接收器大小为基准尺寸相当的光斑，软件优化后的光栅图表如图3-2。

图3-2C-0.97424R15.61592Z-1

由上图可知软件优化后反光杯容易造成空洞，需要手动调节反光杯的半径以减小空洞，优化之后曲面系数C为-0.97424，很显然这是一个椭圆的面型，曲率半径R为15.61592，同时可以调整光源的位置为-1，两者协调使光斑中心空洞变小即可，此时要让光线向中心汇聚，效果如图3-3。

图3-3C-0.97424R13Z-1

曲面系数也可以调整，但对光斑影响较大，如图3-4，将15.6改为14点击应用，点击光线追击，发现此时光斑的中间的大小会变大，因此将曲率半径反向调整为16，中间空洞明显减小，如图3-5所示，中间存在汇集状态，所以将曲率半径调大反而空洞减小，因此将曲率半径改大为17，再次点击光线追击，效果如图3-6所示。故手动调整环节是各个参数的整体协调，需不断得反复调整；加上利用网格优化函数在不同的基础上进行不断的优化和手动调整，得到理想的光斑。

图3-4C-0.97424R16Z-1图3-5C-0.97424R16Z-1图3-6C-0.97424R17Z-1

将光源的位置改为-2，再次光线追击，很显然，光线出现近似准直的状态，如图3-7，将-0.97改为-1，光斑明显变大，曲面系数对系统的影响很大，如图3-8，将半径修改为14，将光源移动到-3mm，对系统进行微小的调整，将曲面系数改为-1.03，曲率半径改为13，以此为初始结构，再次进行系统优化，优化完成后得到的仍然是中间带有空洞的光斑，因此不能完全依靠系统的优化，得自己做参数的调整，如图3-9。

图3-7C-1R17Z-1图3-8C-1R14Z-3图3-9C-1.03R13Z-1

此时以这样的设计结果为基础对曲面面型或光源的坐标进行微小的调整，光源坐标改为-3，得到我们需要的矿灯反光杯的设计效果，软件优化和手动优化相结合方法实现最后的优化结果，如图3-10a、3-10b，图3-11所示。

图3-10aC-1.03R13Z-3图3-10b照度图

图3-11反光杯光线追击最终优化效果图

最终反光杯各个参数：

后表面的曲面系数C为-1.03；

曲率半径R为13；

光源坐标（0,0,-3）。

3.2LEDTIR透镜设计过程

3.2.1建立系统

光源设置和反光杯矿灯设置一样，只有单一光源时，可通过添加远场接收器查看发光情况；建立系统毛坯圆柱体，其坐标为（0,0,0）角度为（0,0,0），圆柱体半径10mm，长度15mm，锥度1（表示直的圆柱）。选择毛坯圆柱后，按ctrl 键选择透镜，进行减法的布尔运算。将圆柱形透镜放置在坐标（0,0,0）角度（0,0,0）处，将边光学属性定义为平滑光学，设定其直径6mm，厚度5mm，设置后表面为凹面（以使剪切完后剩下的是凸面），面型为二次曲面，曲面系数为-1，半径3mm，添加坐标为(0,0,30)远场接收器，按照如上操作得到如图3-12所示的初始结构和照度光栅图表如图3-13。

图3-12初始结构光线追迹图

图3-13TIR透镜未优化照度图

坐标位置（0,0,0）角度（0,0,0）；