厦门理工学院光电工程课程设计实践—Lighttools设计应用.doc

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
Ø 尺寸0.2*1*1；
Ø 坐标位置（0,0,0）角度（0,0,0），Z坐标为0；
Ø 出射度100lm；
Ø 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
Ø 坐标（0,0,-10）角度（0,0,0）；
Ø 反光杯在光源左侧，即坐标-10位置；
Ø 平板为直径为78mm的圆形，与孔径值是一样的；
Ø 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；
Ø 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；
Ø 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。

3.1.3添加接收表面
Ø 建立虚拟表面，其坐标为（0,0,1000）角度为（0,0,0）；
Ø 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3-1a C-1 R15 Z0 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3-2 C-0.97424 R15.61592 Z-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3-3 C-0.97424 R13 Z-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3-4 C-0.97424 R16 Z-1 图3-5 C-0.97424 R16 Z-1 图3-6 C-0.97424 R17 Z-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3-7 C-1 R17 Z-1 图3-8 C-1 R14 Z-3 图3-9 C-1.03 R13 Z-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3-10a C-1.03 R13 Z-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：
Ø 后表面的曲面系数C为-1.03；
Ø 曲率半径R为13；
Ø 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3-13 TIR透镜未优化照度图

Ø 坐标位置（0,0,0）角度（0,0,0）；
Ø 圆柱体半径10mm，长度12mm，锥度1表示直的圆柱；
Ø 内透镜直径6mm,厚度5mm,曲面系数为-1,半径3mm；
Ø 外透镜曲面系数-1，半径5mm。
3.2.2优化
添加准直评价函数，将两个透镜的面型和半径设定为优化变量，进行优化，同时增加毛坯和反光杯的外径以增大剪切部分，综合考虑反光杯的半径及位置及其他参数，多次调整以增大剪切的部分。

图3-14 TIR透镜自动优化光线追迹图

图3-15 TIR透镜未优化照度图

Ø 坐标位置（0,0, -0.47063）角度（0,0,0）
Ø 圆柱体半径10mm，长度12mm，锥度1表示直的圆柱
Ø 内透镜直径6mm,厚度5mm,曲面系数为-0.99891，半径3.24993mm
Ø 外透镜曲面系数-1.01339，半径5.23520mm

3.2.3手动优化的结果分析

图3-16 TIR透镜手动优化光线追迹图

图3-17 TIR透镜手动优化照度图
TIR透镜最终优化参数：
Ø 坐标位置（0,0,-0.25）角度（0,0,0）；
Ø 圆柱体半径12.8mm，长度12mm，锥度1表示直的圆柱；
Ø 内透镜直径6mm,厚度5.2mm,曲面系数为-1.5699,半径3.1692mm；
Ø 外透镜曲面系数-1.1570，半径5.185mm。

四、 结论
通过一周的LightTools光学设计的学习和实践，我完成了LED反光杯的设计和TIR透镜优化的设计各项指标。
采用软件优化和手动优化相结合的方法，反光杯的设计效果从图3-11的光线追迹图可以看出光源出射的光线非常准直、线条均匀；从图3-10a反光杯的光栅图表可以看出光斑直径约60mm，且光斑非常均匀而且光亮度很集中，从图3-10b的光照度图可以看出本次设计的反光杯可以达到非常高的亮度。
同理TIR透镜优化过程也是采用软件优化加上手动调整的方式，达到设计指标的。从图3-16TIR透镜的光线追迹图可以看出光线绝大部分可以被达到平面，且光线基本准直、线条均匀，光能得到有效的利用；从图3-17TIR透镜的照度图可以看出光斑达到了与TIR透镜尺寸相当的光斑，约为20mm，光斑很圆、很均匀，且光亮度非常高。

五、心得体会
通过这一周的学习，我懂得了如何应用LightTools软件设计一个光学系统；这一过程十分的艰辛，刚刚开始的时候老是记不住操作步骤的细节，常常导致优化后光斑崩溃，于是又得反复地重做；后来我总结了原因，做了详细的笔记，并将相关参数着重记下来。之后的两天，我做反光杯的设计学习很顺利，我感觉很充实。LightTools是一个很方便的设计软件，比起用手工设计，它要快捷的多，而且软件库当中有相当多的可以应用的实体；导入他们更是为设计节省了不少时间。总结一句话:设计需要用心，需要注意细节，要有不断尝试的勇气和坚信成功的信念！我相信这些体会在以后的课程设计中也有给我带来帮助的！
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