本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于光學(xué)仿真軟件建立面光源亮度分布模型的方法，并設(shè)計了一套實現(xiàn)照明系統(tǒng)的實驗裝置，該實驗裝置適用于生物實驗領(lǐng)域，特別是涉及在箱體內(nèi)進行實驗的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED由于具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小等特點以絕對的優(yōu)勢廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域，包括在公共場所、生物實驗等領(lǐng)域的應(yīng)用，其中光源的亮度和均勻性等光學(xué)指標(biāo)在對應(yīng)用的領(lǐng)域有很大影響。但是因為LED近似是一個點光源，因此要想達(dá)到一些照明效果，就需要將多個LED疊加在一起組成一個LED陣列的形式來實現(xiàn)這些效果，甚至需要將多個LED陣列形成的面光源進行設(shè)計組合成一個LED照明系統(tǒng)。在以前的照明設(shè)計方法中，主要是采用了重疊法和剪裁法兩種設(shè)計方法來實現(xiàn)均勻照明。重疊法主要是分析多個點光源排列情況的光強分布對照明區(qū)域的影響來設(shè)計實行的，剪裁法是在已知光源的光強分布情況下，通過剪裁反射鏡或透鏡的形狀來控制光線的發(fā)射方向，獲得均勻的照度分布。

雖然這兩種設(shè)計方法能夠在照明區(qū)域內(nèi)達(dá)到較高的均勻性，但是也存在著一些不足。比如重疊法只是針對點光源的光照模型對多顆LED進行有效的排列組合形成有效的面光源，達(dá)到良好的照明均勻的效果，沒有考慮到在使用過程中多個面光源的情況。而剪裁法是通過二次光學(xué)設(shè)計來設(shè)計實現(xiàn)的，在這一過程中光線經(jīng)過透鏡或者是反射鏡多次反射后，會對光能產(chǎn)生損失，造成光能利用率低的情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多個LED面光源組合形成的照明系統(tǒng)的設(shè)計方法。

本發(fā)明提出了一種基于點光源理論模型和光學(xué)仿真軟件相結(jié)合的方式建立面光源亮度分布模型。該模型解決了現(xiàn)有設(shè)計方法存在的不足，在不需要對模型的偏微分方程進行復(fù)雜求解的情況下得出較優(yōu)效果。本發(fā)明還根據(jù)生物實驗的需求，將建立的面光源模型通過MATLAB處理得出生物實驗條件下所需要照明效果的系列參數(shù)，并設(shè)計了一套實現(xiàn)照明系統(tǒng)的實驗裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于光學(xué)仿真的照明系統(tǒng)設(shè)計方法，通過理論分析出的面光源組合的光照模型作為非線性多元回歸數(shù)學(xué)模型，在仿真軟件中仿真出不同位置下，多個面光源的照度分布值，多組照度分布值導(dǎo)入MATLAB對該數(shù)學(xué)模型進行求解，并根據(jù)解出的結(jié)果，結(jié)合實驗需求設(shè)計了一套照明實驗裝置，具體實施步驟為：

步驟一：確立單個面光源模型

LED是一種非相干光源，因此求多個LED對某一區(qū)域的光強照度時，照度為每個LED的光強照度的疊加，基于單個LED光照分布模型建立單個面光源的分布模型，即所有的LED光照亮度之和；

步驟二：確立多個面光源模型

根據(jù)上步得出單個面光源的光照模型，結(jié)合多個面光源在空間中存在幾組位置參數(shù)推導(dǎo)出多個面光源的理論模型；

步驟三：建立照明系統(tǒng)分布均勻的評價函數(shù)

根據(jù)得到的面光源組合模型建立多個面光源對接收面光照強度的評價函數(shù)其數(shù)學(xué)模型為：

式中，σ²為接收面中光照強度的方差值；

E_i為接收面上每一點的光照強度；

為接收面上n個點的光照強度的平均值；

a，b_i是待確定系數(shù)(i＝1...9)；

L₁，L₂，h是空間中的未知參數(shù)；

步驟四：基于光學(xué)仿真軟件建立評價函數(shù)

在仿真軟件中建立照明系統(tǒng)實體模型，進行光線追蹤后得到在接收面上的光照分布，并求出整個接收面的方差值，通過多次調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)中不同的參數(shù)，得到多組仿真結(jié)果；

步驟五：基于MATLAB的模型擬合與求解

根據(jù)步驟三中建立的評價函數(shù)模型和步驟四得到的多組仿真結(jié)果，利用MATLAB工具進行多元非線性函數(shù)擬合并求解，根據(jù)實際實驗需求求出擬合模型的最優(yōu)解，即照明系統(tǒng)的最大均勻度，并進一步設(shè)計照明系統(tǒng)實驗裝置。

進一步的，該方法利用多元非線性回歸方法對評價函數(shù)的多項式進行擬合。

一種基于光學(xué)仿真的照明系統(tǒng)設(shè)計方法的實驗裝置，該裝置包括框體，框體上設(shè)有夾住面光源和固定相機的橫梁，包括框體內(nèi)底部設(shè)有的實驗水箱，所述的框體側(cè)壁上建立多個面光源。

進一步的，所述的多個面光源排布的方式是按照中心對稱排布的。

進一步的，設(shè)計的單個LED面光源，每一條支路串聯(lián)一個電位器，總路線串聯(lián)一個電位器，電路中并聯(lián)一個電容。除了總開關(guān)外，每個面光源都設(shè)計了一個開關(guān)用于單獨控制。

進一步的，設(shè)計的多個面光源之間采取并聯(lián)方式連接。

進一步的，所設(shè)計的實驗裝置框體采用3030鋁型材搭建，框體中間的凹形槽寬度為1cm，實驗裝置距離地面可在20-30cm范圍內(nèi)可調(diào)。

進一步的，所述的夾住面光源和固定相機的橫梁可上下調(diào)節(jié)，面光源和相機可左右前后調(diào)節(jié)。

進一步的，所述的多個面光源為6個。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：本發(fā)明提出的設(shè)計方法簡化了公式求解的復(fù)雜度，節(jié)省了時間，提高了照明設(shè)計的效率。此外，本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有的實驗需求，確定了當(dāng)照明系統(tǒng)光照分布均勻度達(dá)到最優(yōu)時的多個參數(shù)值，根據(jù)參數(shù)值設(shè)計一套實現(xiàn)照明系統(tǒng)的實驗裝置。該實驗裝置很好地適用于生物實驗領(lǐng)域，特別是涉及在箱體內(nèi)進行實驗的領(lǐng)域。

附圖說明

圖1：單個面光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：TracePro仿真下照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3：TracePro仿真下照明系統(tǒng)的照度分布圖；

圖4：照明實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5：實驗裝置下采集的圖像和三維照度分析圖。

圖中：1-LED光源，2-電位器，3-電源，4-電容，5-開關(guān)，6-面光源，7-實驗水箱，8-相機，9-橫梁,10-框體

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，實施例僅用于例證的目的，絕不限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明將根據(jù)點光源理論模型進行分析，并利用TracePro仿真和MATLAB建立多個面光源亮度分布模型和照明系統(tǒng)的均勻度評價函數(shù)。

本發(fā)明將根據(jù)點光源理論模型進行分析，并利用TracePro仿真和MATLAB建立多個面光源亮度分布模型和照明系統(tǒng)的均勻度評價函數(shù)。在確定生物實驗照明范圍為60×45cm大小后，同時為了使面光源方便易調(diào)節(jié)，其尺寸設(shè)計為25×20cm，故LED面光源的陣列最大排布為7×5個，其中面光源按與空間z軸平行進行排布。具體的設(shè)計方法包括以下步驟：

步驟1：確立單個面光源模型

根據(jù)參考文獻1Ivan Moreno所發(fā)表的論文中，他提出了一種多顆LED光源進行排列組合形成一個亮度均勻的面光源的設(shè)計方法，基于文中的理論模型進行光源疊加建立了單個面光源的光照分布模型，LED排列為N×M(N和M為奇數(shù))的陣列形式時，其對空間內(nèi)任意一點P(x，y，z)的光照強度為：

對于一個N×M(N和M為偶數(shù))的LED陣列，其在空間內(nèi)的照度分布E為：

式中，cosθ是發(fā)光面與空間Z軸的夾角的余弦值；

I_LED＝I₀cosα為當(dāng)前LED燈珠的光照強度，I₀為此時LED法線上的光強，α是LED光珠的發(fā)光角度；

m為光源的輻射模式，m的大小跟LED的發(fā)光角度有關(guān)。

本實施例中，每兩個LED之間的最大平坦距離根據(jù)參考文獻1中的方法確定為d＝2cm，理想情況下m＝1，故具體的光照分布模型為：

LED排列為7×5的陣列形式時，其對空間內(nèi)任意一點P(x，y，z)的光照強度為：

式中，I_LED＝I₀cosα為當(dāng)前LED燈珠的光照強度，I₀為此時LED法線上的光強，α是LED光珠的發(fā)光角度；

步驟2：確立多個面光源模型

多個光源在空間中存在著多種位置關(guān)系，這里只考慮對照明效果影響最大的幾個參數(shù)，由多個面光源疊加建立n個面光源在空間內(nèi)的光照分布情況：

N和M為奇數(shù)時：

N和M為偶數(shù)時：

本實施例建立六個面光源即將多個面光源的光照強度疊加，排布方式如附圖2所示，建立的面光源在空間內(nèi)的光照分布情況：

N和M為奇數(shù)時：

式中α，β，γ分別對應(yīng)著發(fā)光面與空間YZ,XZ,XY面之間的夾角，L₂是各面光源最邊緣距離水箱邊緣的距離，L₁是兩個面光源之間的距離。

步驟三：建立多個面光源分布均勻的評價函數(shù)

在數(shù)學(xué)中方差是反映數(shù)據(jù)的離散程度的一種方式，所以本發(fā)明用方差來作為面光源均勻度的評價函數(shù)，多個面光源對接收面光照強度的方差函數(shù)為：

式中，σ²為接收面中光照強度的方差值；

E_i為接收面上每一點的光照強度；

為接收面上n個點的光照強度的平均值；

a，b_i是待確定系數(shù)(i＝1...9)；

令h＝(z-id sin γ)²表示面光源中心到接收面的距離。

步驟四：基于TracePro光學(xué)仿真建立評價函數(shù)

利用TracePro進行光學(xué)仿真，首先在SolidWorks中建立水箱模型導(dǎo)入到TracePro中，將材質(zhì)、光源、接收面等的性質(zhì)參數(shù)設(shè)定后進行光線追蹤，所搭建的仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示，將追蹤的光線數(shù)據(jù)進行篩選處理，只選取屬于水箱底面的追蹤數(shù)據(jù)，圖3為仿真條件下光照接收面的光照分布圖，導(dǎo)入MATLAB中求出水箱底面的平均光照強度和方差值。其中每變化一次L₁、L₂、h，求出相應(yīng)的平均值和方差。利用這些數(shù)據(jù)擬合出面光源在空間中分布均勻性的多元非線性模型。

步驟五：設(shè)計照明系統(tǒng)的實驗裝置

根據(jù)生物實驗的具體要求，確定了面光源中LED的分布和單個面光源的尺寸，如圖1所示。根據(jù)實際情況確定變量參數(shù)的約束條件后，用MATLAB對步驟四中建立的光照系統(tǒng)模型進行最優(yōu)化求解，得出最優(yōu)參數(shù)變量值,L₁＝39，L₂＝21，h＝34.92時，實驗系統(tǒng)均勻度最大。根據(jù)所得的參數(shù)設(shè)計照明系統(tǒng)的實驗裝置大小及功能。如圖4所示，為所設(shè)計的照明系統(tǒng)實驗裝置。

本發(fā)明實驗裝置包括采用3030鋁型材搭建的框體10，框體10中間的凹形槽寬度為1cm，實驗裝置距離地面可在20-30cm范圍內(nèi)可調(diào)?？蝮w10上設(shè)有夾住面光源6和固定相機8的橫梁9，在框體10內(nèi)底部設(shè)有實驗水箱7，在所述的框體10側(cè)壁上建立六個面光源6。參見附圖1和附圖2，其中設(shè)計的單個LED面光源，每一條支路串聯(lián)一個電位器2，總路線串聯(lián)一個電位器，電路中并聯(lián)一個電容4。除了總開關(guān)外，每個面光源6都設(shè)計了一個開關(guān)5用于單獨控制，六個面光源排布的方式是按照中心對稱排布，并采取并聯(lián)方式連接。本發(fā)明中面光源6和相機8可左右前后調(diào)節(jié)，以適用不同的實驗需求。

圖5是在此實驗裝置中所進行的一組實驗測試圖像(左圖)和圖像的三維光照分布圖(右圖)。

參考文獻

1.Ivan Moreno,M.Avendano-Alejo,and R.I.Tzonchev,Designing light-emitting diode arrays for uniform near-field irrandiance[J],Applied Optical.2006:2265-2272.

2.Ivan Moreno,Uniform illumination of distant targets using a spherical light-emitting diode array[J].Optical Engineering,2007,46:033001.

3.黃啟祿，吳逢鐵，基于近場均勻照明的LED二次曲線陣列的研究[J]光學(xué)學(xué)報，2010,30(10):3039-3043.

4.史永勝，買迪，寧磊，實現(xiàn)在不同場合中LED均勻照明的方法研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2011,32(04)：613-617。