LightTools软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用＊

胡志威，彭润玲，秦 汉，林朋飞

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

与传统光源相比，LED光源具有寿命长、能耗低、响应时间短等优点，它是21世纪具有竞争力的新型固体光源，正逐渐取代传统光源［1］。目前，商用单颗6W的LED芯片的光通量已达到300lm，这足以满足很多场合的照明要求。但是，LED芯片的出光为朗伯分布，如果不经过适当的配光处理而直接应用于照明将无法达到所需要的要求，而且会造成光污染和能量浪费，因此，对LED照明系统进行配光设计是十分必要的［2－4］。

目前，针对LED器件在目标区域的强度均匀性优化大都是采用自由曲面的反光杯或非球面构成的透镜的形式在计算机上进行建模分析，所采用的光源也多是由数学建模进行模拟分析，由于LED的实际发光情况很复杂，单靠数学建模很难完美地模拟实际发光效果，所以这样计算得到的最终分析结果可能会和实际结果大相径庭。而且，由于受到机械加工的制约，很多计算出的复杂模型也难于转为现实。在这种情况下，提出一种利用透镜阵列的方式实现目标照明区域满足均匀光强的设计方法。

国际上最常用的照明光学设计软件有LightTools、Tracepro、Code V、Lucidshape、Zemax等，其中又以LightTools和Tracepro的照明模拟结果可信度最高。利用LightTools软件对单颗LED器件进行目标区域的强度均匀性优化，使目标区域实现了预期的照明效果。

1 设计方法

1.1 发光强度

光源在给定方向上的发光强度是该光源在给定方向的立体角元dω内传输的光通量dΦ与该立体角元之商，即

发光强度的单位为坎德拉（cd）。

1.2 建立反光杯模型

在LightTools软件中，为了便于优化设计，一般采用以贝塞尔曲线（Bézier curve）为母线旋转构成的反光杯，如图1所示。

该反光杯共有五个变量，分别为权重（代表贝塞尔曲线趋近于三点构成的折线的程度）、位置（代表图1中的折线的折点水平位置）、大小（代表折线的折点的垂直位置）、前面大小、后面大小。这五个值的改变可以改变单元格中母线的线型，相应地改变了反光杯的面型。对于一个反光杯来说，改变面型就意味着会改变光源光线的反射方向，从而改变了光源能量在整个空间的分布，其中反光杯的面型对光能量的空间分布尤为重要。对于一个理想点光源来说，将其置于一个抛物面反光杯的交点处，则所有经过反射的光能量将都平行于抛物面轴线出射。但是，在实际应用中，所用到的光源的发光情况都是很复杂的，单纯对光源进行数学建模无法完美模拟出光源的实际发光情况，现可以利用LightTools软件，直接导入光源的近场测试数据，来完美模拟光源的实际发光情况。同时，还可以根据模拟的精度要求来选择近场测试的光线数量，其灵活性很好。

建立反光杯模型后，修改其反光面的光学属性为镜面反射。

1.3 添加光源

打开LightTools的LED工具库，该库包含Lumileds、Cree、Osram等国内外常用的LED器件，可直接从库中调用LED光源，并且可对生成的LED光源进行编辑。现选择Lumileds XPWT－ML00型号LED光源，如图2所示。

图1 以贝塞尔曲线为母线所做的反光杯模型Fig.1 Reflective cup model with Bezier curve as bus

图2 Lumileds XPWT－ML00型号LED光源模型Fig.2 Lumileds XPWT－ML00types of LED light source model

单击图2中“Creat LED”按钮可在原点位置生成一个相应型号的光源。首先，添加一个以原点为球心的球形远场接收器（far field receiver）。如图1所示，添加贝塞尔曲线的权重、位置、大小、后面大小为优化变量（在相应的文本框内单击右键，选择添加优化变量，并变为红色字体）。

1.4 进行准直优化

选择菜单栏中的优化菜单，添加相应的评价函数（merit function），现选择添加准直优化函数。优化成功后，可以得到一个很好的平行出光效果，如图3所示，光能量基本都以垂直于出光口的方向出射（图中横线上的刻度0.081 98、0.163 96、0.245 94、0.327 93、0.409 91代表的是相应的绝对光强度值）。

图3 准直优化后的配光曲线Fig.3 The collimator optimized light distribution curve

1.5 添加透镜阵列

首先，在反光杯出光口前添加一个超薄长方体，再在长方体上添加3D纹理。该3D纹理可以快速在所添加的超薄长方体的表面上提供阵列式区域，在该区域内以阵列的形式排布着同样光学属性和形状的微结构，这样就可以快速在反光杯出光口添加一个透镜阵列，大大节省了照明设计的时间，缩短了设计周期。

图4 从库元件中添加枕型透镜Fig.4 Adding pillow type lens elements from the library

在3D纹理构成的阵列［5－6］区域内添加自己设计的库元件，从库元件（图4中方框区域所示）中添加一个枕型透镜元件，把单个枕型透镜元件添加到3D纹理（Texture）阵列中［如图5（b）所示］，再把该透镜阵列放在反光杯出口处的一定位置，就构成了一个完整的配光系统［如图5（a）所示］。

图5 配光系统Fig.5 Light distribution system

该枕型透镜左表面的面型定义为xy多项式，即

如图6所示，x2、y2的曲率系数分别为－0.2、0.1，添加这两个曲率系数为优化变量，随着这两个值的变化，透镜单元的面型也改变，相应的透镜阵列对光能量分配的影响随之改变。

图6 枕型维透镜面型参数Fig.6 Pillow type micro lens face type parameters

1.6 添加远场接收器

首先添加远场接收器，打开属性更改其强度网格（intensity mesh）的角度范围，使其接受光能量的角度范围如图7所示。此时，进行初始模拟，可以得到一个光强分布。然后，在远场接收器的强度网格上添加评价函数，根据该评价函数的强度归一化评价设置，经过优化后可以得到可行的透镜阵列参数。

图7 远场接收器的强度网格Fig.7 The intensity mesh of the far field receiver

2 优化结果

优化前透镜元件的参数和优化后透镜元件的参数是有所变化的，x2、y2优化前的数值分别是－0.2、0.1，而优化后的数值分别是－0.237 12、0.140 46［如图8（b）方框所示］。

图8 优化前后微透镜的参数对比Fig.8 Before and after optimization of the parameters contrast of the microlens

在目标区域内，未经优化的发光强度结果和优化后的发光强度结果有十分明显的差异［7］，优化前该区域发光强度值明显有差别，由颜色（不同颜色对应不同的发光强度值）差别可区分；而优化后该区域发光强度十分均匀，颜色几乎同一（如图9所示）。

由图9可知，经过对透镜阵列的优化，可以使水平－22.5°～22.5°、垂直－12.5°～12.5°的范围内的发光强度达到基本均匀。以上各图出自于LightTools仿真模拟过程及结果中的截图。

图9 优化前后发光强度的均匀性对比Fig.9 Before and after optimization of the uniformity contrast of the luminous intensity

3 结 论

应用LightTools软件模拟单颗LED在目标照射面的一定区域内实现均匀照明，并提出了一种新的LED发光强度在目标范围内实现均匀照明的方法。该设计方法首先建立反光杯模型，在反光杯模型的底部添加单颗LED光源；然后对反光杯的出光进行准直优化，使其出光尽量达到准直；接着在反光杯出光口前添加透镜阵列，并设置单个透镜元件的面型参数，透镜单元的面型为XY多项式曲面，分别添加XY多项式中X 和Y的平方系数为优化变量；最后添加均匀光强的评价函数，再进行优化，最终得到水平－22.5°～22.5°、垂直－12.5°～12.5°的范围内的发光强度基本均匀。经过读取优化后远场强度网格的网格权重数据后，可以计算得出，经过优化后的目标范围内的发光强度的均匀度可达90%以上。相对比与目前LED配光设计方案来说，该方法有明显的优越性。通过这样的对比介绍，对于LightTools软件了解更深，使用也会更好。

［1］罗 毅，张贤鹏，王 霖，等.半导体照明中的非成像光学及其应用［J］.中国激光，2008，35（7）：963－971.

［2］王 洪，张奇辉，张小凡，等.实现道路均匀照明的自由曲面反射器设计［J］.光电工程，2009，36（12）：143－146.

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