LED照明光学系统中自由曲面器件计算机辅助设计方法的研究

近年来针对新一代光源LED的照明系统CAD已成为国内外光学设计领域的一个研究热点，但目前的研究方法大多将LED简化为点光源且只针对某种特定应用推导得出器件的面型方程，设计方法通用性差。一些商用软件如Lighttools等虽经过不断版本升级，但对于一些照明性能要求极高的器件特别是自由曲面器件的设计仍显力不从心，且软件价格不菲。本项目将系统地研究LED照明光学系统的计算机辅助设计方法，旨在解决LED光源特性的精确建模、自由曲面照明器件的设计方法、光学性能的准确分析计算、自由曲面器件结构参数的自动优化、制造工艺的误差分析等一系列关键问题，并在此基础上研制出实用化的LED照明光学系统 CAD软件，满足我国照明行业和其它有关应用的急需，同时为我们进一步研制具有独立知识产权的通用照明系统的CAD软件建立工作平台。项目的实施对提高我国照明光学系统的设计水平和LED照明应用产品的性能具有重要意义。

本课题针对LED光源的照明系统的计算机辅助设计方法进行了系统研究。在充分调研国内外同行对相关领域研究进展的基础上，进行了理论创新，研究了LED光源特性的精确建模、自由曲面照明器件的设计方法、光学性能的准确分析计算、自由曲面器件结构参数的自动优化、制造工艺的误差分析等一系列关键问题，并在此基础上研制出实用化的LED照明光学系统 CAD软件。.课题开展了使用点光源的自由曲面面型微分算法研究，并在此基础上完成了自由曲面透镜以及反射器等照明系统关键器件的自动生成算法。在光源建模方面，采用面光源模型描述LED芯片的发光特性，并用三维实体模型描述光源内部的各个挡光结构，从而较为精确地描述光源发光特性。课题还研究了自由曲面器件初始面型的生成算法，将非成像光学理论指导自由曲面照明光学系统初始解的自动创成，并在算法中考虑了LED芯片阵列尺寸对照明效果的影响。针对LED照明光学系统的性能评估，研究了高效非顺序光路追迹算法，算法可以快速准确地计算出光线与自由曲面的交点和交点处的法线，此外，研究了光线的随机抽样算法，可以用较少的抽样光线得到较高精度的分析结果。.随着半导体激光器技术的成熟以及成本的下降，半导体激光器（LD）也正逐步得到越来越多的应用。实际LD光强分布是椭圆型，即在慢轴和快轴方向上具有不同的发散角。课题针对半导体激光器独特的发光特性，提出了一种建模方法，该方法采用点光源平行出射透过具有非对称高斯散射特性的光学表面，使得出射光具有非对称高斯分布的发光特性。课题针对LD光源提出一种算法，可以生成直线型均匀照度分布，通过建立一组偏微分方程组并通过求解得到自由曲面反射器，在光源的快轴方向上，经反射后出射光线具有较大的发散角度，同时，在光源的慢轴方向，经反射器反射后的出射光线被准直。根据算法开发的反射器件可以用在一字线标线仪这类需要线性照度分布的仪器上，替代目前常用的 DOE器件，提高能量利用率的同时，可大幅降低该类器件的生产成本。.根据以上算法研究的成果，采用VBA语言开发了自由曲面器件设计软件，软件可以根据指定光斑分布生成自由曲面面型，并在Lighttools中自动完成建模，并可采用最小二乘法对器件初始面型进行自动优化设计，以满足扩展光源时使用要求。