[发明专利]一种基于光学仿真的照明系统设计方法及实验装置

说明书

本发明提供一种基于光学仿真的照明系统设计方法及实验装置，属于半导体照明技术领域，主要是通过光学仿真软件来建立多个面光源组成的照明系统的光照分布模型，同时建立了光照系统均匀度的评价函数来获取照明系统的均匀度效果。本发明提出的设计方法简化了公式求解的复杂度，节省了时间，提高了照明设计的效率。此外，本发明根据现有的实验需求，确定了当照明系统光照分布均匀度达到最优时的多个参数值，根据参数值设计一套实现照明系统的实验装置。该实验装置很好地适用于生物实验领域，特别是涉及在箱体内进行实验的领域。

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，提出了一种基于光学仿真软件建立面光源亮度分布模型的方法，并设计了一套实现照明系统的实验装置，该实验装置适用于生物实验领域，特别是涉及在箱体内进行实验的领域。

背景技术

随着半导体照明技术的不断发展，LED由于具有节能环保、寿命长、体积小等特点以绝对的优势广泛的应用在各个领域，包括在公共场所、生物实验等领域的应用，其中光源的亮度和均匀性等光学指标在对应用的领域有很大影响。但是因为LED近似是一个点光源，因此要想达到一些照明效果，就需要将多个LED叠加在一起组成一个LED阵列的形式来实现这些效果，甚至需要将多个LED阵列形成的面光源进行设计组合成一个LED照明系统。在以前的照明设计方法中，主要是采用了重叠法和剪裁法两种设计方法来实现均匀照明。重叠法主要是分析多个点光源排列情况的光强分布对照明区域的影响来设计实行的，剪裁法是在已知光源的光强分布情况下，通过剪裁反射镜或透镜的形状来控制光线的发射方向，获得均匀的照度分布。

虽然这两种设计方法能够在照明区域内达到较高的均匀性，但是也存在着一些不足。比如重叠法只是针对点光源的光照模型对多颗LED进行有效的排列组合形成有效的面光源，达到良好的照明均匀的效果，没有考虑到在使用过程中多个面光源的情况。而剪裁法是通过二次光学设计来设计实现的，在这一过程中光线经过透镜或者是反射镜多次反射后，会对光能产生损失，造成光能利用率低的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种多个LED面光源组合形成的照明系统的设计方法。

本发明提出了一种基于点光源理论模型和光学仿真软件相结合的方式建立面光源亮度分布模型。该模型解决了现有设计方法存在的不足，在不需要对模型的偏微分方程进行复杂求解的情况下得出较优效果。本发明还根据生物实验的需求，将建立的面光源模型通过MATLAB处理得出生物实验条件下所需要照明效果的系列参数，并设计了一套实现照明系统的实验装置。

本发明的技术方案是：

一种基于光学仿真的照明系统设计方法，通过理论分析出的面光源组合的光照模型作为非线性多元回归数学模型，在仿真软件中仿真出不同位置下，多个面光源的照度分布值，多组照度分布值导入MATLAB对该数学模型进行求解，并根据解出的结果，结合实验需求设计了一套照明实验装置，具体实施步骤为：

步骤一：确立单个面光源模型

LED是一种非相干光源，因此求多个LED对某一区域的光强照度时，照度为每个LED的光强照度的叠加，基于单个LED光照分布模型建立单个面光源的分布模型，即所有的LED光照亮度之和；

步骤二：确立多个面光源模型

根据上步得出单个面光源的光照模型，结合多个面光源在空间中存在几组位置参数推导出多个面光源的理论模型；

步骤三：建立照明系统分布均匀的评价函数

根据得到的面光源组合模型建立多个面光源对接收面光照强度的评价函数其数学模型为：

式中，σ²为接收面中光照强度的方差值；

E_i为接收面上每一点的光照强度；