自动优化非成像光学照明系统
光学行业的智能制造与工艺优化
光学行业的智能制造与工艺优化光学行业是一个与人们日常生活息息相关的重要行业，应用广泛，涉及许多领域，如光通信、医疗设备、摄影器材、汽车照明等。
随着技术的不断进步和市场需求的变化，光学行业也在不断进行智能制造与工艺优化，以提高生产效率、降低成本、增强产品质量和创新能力。
本文将介绍光学行业智能制造的概念和优势，并探讨工艺优化在光学制造中的应用。
一、光学行业智能制造的概念智能制造是指利用先进的信息技术和自动化技术，集成生产过程中的各个环节，实现自动化控制和智能化决策，以提高生产效率和灵活性的制造方式。
在光学行业中，智能制造可以应用于光学元件的加工、光学系统的组装和测试等环节，实现生产流程的自动化和信息化管理。
二、光学行业智能制造的优势1. 提高生产效率：智能制造可以通过机器人和自动化设备的应用，替代部分人工操作，实现生产过程的高度自动化，从而提高生产效率。
例如，在光学元件的加工过程中，可以利用自动化的切割、抛光和检测设备，提高生产的速度和精度。
2. 降低成本：智能制造可以减少人工投入和材料浪费，从而降低生产成本。
通过智能化的生产规划和排程，合理安排设备利用率和人力资源，避免资源浪费，提高生产效益。
此外，智能制造还可以通过在线监测和优化控制，实现生产过程的精确控制，减少不合格品产生，提高产品的质量。
3. 增强产品质量：智能制造可以应用先进的传感器和检测设备，实时监测和控制生产过程中的关键参数，及时发现并纠正潜在的问题，确保产品的稳定性和一致性。
例如，在光学系统的组装过程中，可以利用机器视觉系统对组件的精确对位进行检测，避免组装误差导致的性能下降。
4. 提升创新能力：智能制造可以提供大量的生产数据和过程信息，为企业的研发和创新提供有力的支持。
通过对生产数据的分析和挖掘，可以发现产品设计和工艺改进的潜在机会，推动技术改进和产品创新。
同时，智能制造还可以实现产品的个性化定制，满足市场的多样化需求。
三、工艺优化在光学制造中的应用1. 工艺流程优化：通过对光学制造的整个流程进行分析和优化，确定最佳的加工顺序和参数，提高生产效率和质量稳定性。
非成像光学的边缘光线原理
非成像光学的边缘光线原理非成像光学的边缘光线原理说明，从光源到目标边缘的边缘光线映射能够应用到非成像器件的设计。
然而，在大多数的非成像反射器，包括复合抛物面聚焦器(CPC)，至少部分辐射光经过多次反射，一些光线甚至出现被多次反射，最后的检测揭示光源的一些边缘光线没有映射到目标边缘上，尽管这个CPC在二维空间是理想的。
使用一个拓扑的方法，我们改善了边缘光线原理的公式，来确保对所有的情况都是正确的。
我们提出两种一般原理的不同版本。
第一种涉及到不同区域的边界与不同数目的反射器相一致。
第二个版本用仅有的单一反射器来说明，但是它涉及到了一个增加的辅助相位空间。
我们讨论边缘光线原理作为一个非成像器件的设计程序的使用。
CPC用来说明论据的每个部分。
1(说明非成像光学的目标是从一个扩展光源传输辐射光到目标上，用这样的方法得到在目标上的辐射光的详细分布。
这个非成像器件的设计是基于边缘光线原理，它说明光源的光线从光源的边缘应该到达目标的边缘。
一个表面的边缘被定义为通过光源表面的边缘或者与它相切。
尽管边缘光线的概念已经广泛的应用，但是没有边缘光线原理的公式被提出，也没有严格的证据证明它的正确性。
此外，最简单的和看起来最自然的原理公式在大多数的非成像系统里被违背了，尤其在复合抛物面聚焦器(CPC)非成像设计的原型中。
本文中我们采用一种拓扑的方法来规定和证明一般边缘光线原理。
这个原理可以当做非成像光学器件设计的强有力的指南，它是基于折射和反射的基础(在文章中我们频繁的使用反射这个术语，为了简便起见即使反射和折射都被使用)。
这个原理同样的和非成像光学的两个最重要的应用级别相适应，它被称为采集问题(例如，太阳能收集器的设计，当人们想将太阳辐射收集到一个收集器中，它要尽可能的小)和照明问题(例如，灯具的设计，它通过改变灯的光线方向产生在远处目标面上希望的照度)。
我们分析的一个必要的假设是光学系统的所有的组成都是完美的镜面:每一条光线传播有唯一的路径。
灯具优化方案
灯具优化方案引言灯具在我们的生活和工作中起着至关重要的作用。
它们不仅提供照明，还能影响我们的情绪、健康和工作效率。
然而，传统的灯具设计并不总能满足我们的需求，因此，一个灯具优化方案的研究和实施变得非常重要。
本文将探讨一些灯具优化的方案，以提高照明效果、节能减排和提升用户体验。
照明效果优化色温调节色温对人的视觉体验和情绪有着重要影响。
通过调节灯具的色温，可以在不同场景下创建不同的氛围。
智能灯具可以提供多种色温选择，使用户可以根据需求调整灯光效果，例如在舒适的家居环境中选择暖光模式，在工作环境中选择冷光模式。
光线强度调节光线强度对于不同任务有不同的要求。
智能灯具可以根据环境的需求和用户的偏好调整光线强度。
例如，在阅读时增加光线强度以提高视觉舒适度，在休息时降低光线强度以创造放松的氛围。
光照分布优化传统的灯具设计往往会产生强烈的光斑和暗角，导致照明不均匀。
通过使用聚光灯和散射灯的组合，可以实现更均匀的光照分布。
此外，合理的灯具布局和高效的反射材料也可以帮助提出照明效果。
节能减排优化LED灯源的使用传统的白炽灯和荧光灯具有较高的能耗和短寿命。
LED灯具作为一种高效节能的替代品，具有较低的能耗和长寿命。
将灯具替换为LED灯源可以显著降低能耗并减少碳排放。
智能光控系统可以基于照明需求和实际条件自动调整灯具的亮度和开关状态。
例如，可以通过感应器自动关闭灯具当没有人在房间内，并根据自然光的强弱调整灯具的亮度。
这种系统可以大大减少不必要的能耗。
外部环境利用通过合理利用自然光和外部环境，可以在一定程度上减少灯具的使用。
例如，在白天将办公室布置在靠近自然光源的地方，并通过使用窗帘或百叶窗来调节自然光的进入。
用户体验优化人体工学设计灯具的设计应考虑到人体工学，以提供舒适的视觉体验。
例如，灯具的高度应该适当，以避免产生眩光；灯具的开关应该易于操作等。
通过将灯具与智能手机、语音控制设备等进行连接，用户可以通过手机应用或声音命令来控制灯具。
半导体照明中的非成像光学及其应用
半导体照明中的非成像光学及其应用发布时间：2022-06-20T08:07:50.877Z 来源：《当代电力文化》2022年第4期作者：卢敬娟白潇姜春霞[导读] 半导体照明技术与人们的日常生活密切相关，随着现代技术的不断发展，我们的经济发展水平也在不断地向一个崭新的方向发展。
卢敬娟白潇姜春霞天津三安光电有限公司 300384摘要：半导体照明技术与人们的日常生活密切相关，随着现代技术的不断发展，我们的经济发展水平也在不断地向一个崭新的方向发展。
半导体照明技术在很多方面都得到了广泛的应用，其中的非成像光学技术在半导体照明中的发展尤其突出，它逐渐成为了人们日常使用的主要技术，但其在实际应用中还存在着一些不足之处。
关键词：半导体照明；非成像光学；特性；应用引言：半导体照明已经给我们的生活带来了很大的变化，在这种技术的帮助下，我们可以有条不紊地进行诸如夜班等高效率的施工。
半导体照明的主要载体就是无象光学，它是LED光源的主要手段，它可以将其广泛的应用到人类的日常生活中，为人类的生活提供更多的便利。
但是，要让非成像光学在半导体照明中的具体应用能够更好地适应人们的生产和生活，就必须对非成像光学技术有一个全面的认识。
1半导体照明中非成像光学的研究现状分析我国在半导体照明领域的无像光学技术的研究，自20世纪30~40年代在美国出现，到70年代初，逐渐形成了一套完整的照明系统。
具体来说，由于非像光学系统本身所具有的高能量利用率和广泛使用的特性，在各种照明系统中都有广泛的应用。
从已有的文献中可以看出，无象光学的理论基础是定光的分配和光的耦合。
定光分配是从光学角度来达到效果的，其关键是在二维和三维空间的转换，这一点从二维定光的对称原理中得到了启发。
在此基础上，开发了一种适用于LED光源的准直光透镜，提高了LED光源的效率。
以LED面板的非像光学原理的运用为例，说明LED面板只是一个发光介质，在系统运行时难免会有不同的问题，因此需要通过对主屏幕的光形成机理进行归纳，从而解决LED面板在照明方面的不当之处。
智能照明解决方案
智能照明解决方案一、引言智能照明解决方案是指利用先进的技术手段，对照明系统进行智能化改造，以提高照明效果、节约能源、提升用户体验为目标的一种解决方案。
本文将详细介绍智能照明解决方案的背景、目标、技术原理、具体应用场景以及优势。
二、背景随着科技的不断发展，人们对照明的需求也越来越高。
传统的照明系统存在照明效果不佳、能源浪费、操作不便等问题。
为了解决这些问题，智能照明解决方案应运而生。
三、目标智能照明解决方案的目标是提供高效、智能、节能的照明系统，以满足用户对照明的需求，并提升用户体验。
四、技术原理智能照明解决方案主要基于以下技术原理：1. 传感器技术：通过安装光照传感器、人体红外传感器等传感器，实时感知环境光照强度和人体活动情况，从而智能调节照明亮度。
2. 无线通信技术：利用无线通信技术，实现照明设备之间的互联互通，实现集中控制和远程控制。
3. 数据分析技术：通过对照明系统的数据进行分析，提取有价值的信息，为用户提供智能化的照明方案。
4. 人工智能技术：应用人工智能技术，通过学习和优化算法，自动调节照明亮度和色温，提供更加舒适的照明环境。
五、具体应用场景智能照明解决方案可以广泛应用于各种场景，包括但不限于：1. 办公场所：根据员工的工作习惯和环境需求，智能调节照明亮度和色温，提高工作效率。
2. 商业场所：根据不同的商业需求和活动类型，智能调节照明效果，提升商品展示效果和购物体验。
3. 家庭场所：根据家庭成员的需求和活动情况，智能调节照明亮度和色温，提供舒适的家居环境。
4. 公共场所：根据人流量和活动需求，智能调节照明亮度和色温，提供安全、舒适的公共环境。
六、优势智能照明解决方案相比传统照明系统具有以下优势：1. 节能环保：通过智能调节照明亮度和色温，减少能源消耗，降低对环境的影响。
2. 提升用户体验：根据用户需求，智能调节照明效果，提供更加舒适的照明环境。
3. 智能化管理：通过集中控制和远程控制，实现对照明系统的智能化管理，提高管理效率。
智能家居中的自适应灯光控制系统设计与优化
智能家居中的自适应灯光控制系统设计与优化智能家居已经成为了当今社会中一种不可或缺的生活方式。
一项智能家居系统能够自动化许多日常生活中的重复性工作，例如可以自动控制家里的照明、监控空气质量和温度，并且为主人提供一种更加便捷的生活体验。
在这样的系统中，自适应灯光控制系统设计与优化则相当重要。
一般来说，室内的光照强度会随着白天和黑夜的不同而产生变化。
同时，当有人进出房间的时候，也会影响到室内的光照程度。
因此，在智能家居系统中，设计一个自适应的灯光控制系统，让灯光能够在自动检测到室内光线变化的同时，也能够自动调节灯光的强度和色温，以适应不同时间段、不同环境下的人们的需求，这对实现智能家居系统的便捷化、舒适化有着非常重要的作用。
首先，自适应灯光控制系统设计与优化需要考虑到室内光照的变化。
要实现自适应灯光控制系统，必须选择一些先进的传感器，这些传感器可以帮助系统自动控制室内照明。
例如，电子光敏传感器就可以用来监测室内光照的强度、颜色和方向。
当光照强度低于一定程度的时候，该传感器会自动开启灯光，当光照达到一定程度时，传感器将自动关闭灯光。
这样，不仅可以避免人们在无意中浪费了大量电能，同时也可以实现省电的效果。
其次，自适应灯光控制系统还应该能够实现人机交互。
一些智能家居使用面板、遥控器、手机或者语音控制等方式来实现这一功能。
例如，在晚上时，在床头的面板上可以设置一些光线弱化模式，以供主人们在就寝时使用。
此外，还可以设置一些不同的模式供用户选择，例如晨起模式、影院模式、晚间模式等。
通过这些方式，可以满足人们对家居环境不同层次的需求，既节省了电能，又为居住者提供了更加舒适的生活环境。
最后，在自适应灯光控制系统的优化方面，可以借鉴一些现成的解决方案，例如，智慧型灯具自动调节方案，该方案将获取到的动态光照数据保存到云端，然后通过对云端数据的分析，智能化调整灯具的亮度、色彩、角度等参数，从而实现最佳的家居照明效果。
总之，自适应灯光控制系统的设计与优化是实现智能家居的必要步骤之一。
智能照明系统解决方案
智能照明系统解决方案随着科技的不断发展，智能照明系统已经成为现代家居的热门趋势。
智能照明系统不仅能提升居住环境的舒适度，还能节省能源并增加家居安全性。
本文将介绍智能照明系统的解决方案，包括其优势、功能和应用。
一、智能照明系统的优势1.1 节能环保：智能照明系统采用LED灯具，能够比传统照明系统节省更多的能源，减少对环境的影响。
1.2 舒适度提升：智能照明系统可以根据不同的场景和需求调整光线亮度和色温，提升居住环境的舒适度。
1.3 安全性增加：智能照明系统可以与安防系统联动，实现智能化的监控和报警功能，增加家居的安全性。
二、智能照明系统的功能2.1 远程控制：通过手机App或者智能家居中心，用户可以随时随地远程控制家中的照明系统，实现智能化的管理。
2.2 定时设置：用户可以根据自己的作息习惯和需求，设置照明系统的定时开关，实现智能节能。
2.3 情景模式：智能照明系统支持多种情景模式，如阅读模式、聚会模式等，用户可以根据不同场景选择合适的照明模式。
三、智能照明系统的应用3.1 家居场景：智能照明系统适合于家庭客厅、卧室、厨房等场所，提升居住舒适度和便利性。
3.2 商业场所：智能照明系统也广泛应用于商业场所，如办公室、商场、餐厅等，提升工作效率和消费体验。
3.3 公共场所：智能照明系统还可以应用于公共场所，如学校、医院、图书馆等，提升环境舒适度和能源利用效率。
四、智能照明系统的发展趋势4.1 人工智能技术：智能照明系统将更多地融合人工智能技术，实现更智能化的场景识别和自动化控制。
4.2 智能互联：智能照明系统将更多地与其他智能设备互联，实现更便捷的智能家居体验。
4.3 定制化服务：未来智能照明系统将提供更多个性化定制化的服务，满足用户不同的需求和喜好。
五、智能照明系统的未来展望5.1 智能照明系统将成为未来家居的标配，为人们的生活带来更多便利和舒适。
5.2 智能照明系统的发展将进一步推动智能家居市场的发展，带动相关产业的繁荣。
PHOTOPIA照明灯具设计软件概述
PHOTOPIA照明灯具设计软件概述PHOTOPIA本称为世界上第一号照明设计软件，对非成像光学系统进行快速准确的设计，生成光学参数，得到相应的灯具形态。
PHOTOPIA 为快速且精确的光度分析程序，可为非影像光学为快速且精确的光度分析程序，可为非影像光学设计作出综合性效能评估。
PHOTOPIA 与制作实体原型相较，以低成本与短时间完成虚与制作实体原型相较，以低成本与短时间完成虚拟灯具。
透过计算机塑型之利用，可测试多种设计拟灯具。
透过计算机塑型之利用，可测试多种设计方案，而不必重新准备制作工具。
提供多种输出选项，可从各种角度来评估灯具的提供多种输出选项，可从各种角度来评估灯具的效能。
PHOTOPIA照明灯具设计软件功能：1.广泛的效能统计广泛的效能统计PHOTOPIA 测试报表包含光强度分布、照明器具效率、利用系测试报表包含光强度分布、照明器具效率、利用系数与分区流明摘要等。
数与分区流明摘要等。
此外，亦可得知哪些材料吸此外，亦可得知哪些材料吸收最多光线以及光线射离灯具所需反射面大小等。
收最多光线以及光线射离灯具所需反射面大小等。
2.分析参数的完全控制分析参数的完全控制由使用者决定要追踪之光线与反射的数量。
由使用者决定要追踪之光线与反射的数量。
3.连续结果显示连续结果显示所有图形与统计值会随模拟过程不断更新，使用者所有图形与统计值会随模拟过程不断更新，使用者随时可中断模拟并变更设计或进行另一模拟工作。
随时可中断模拟并变更设计或进行另一模拟工作。
发光强度可选择以光度曲线、等量曲线与明暗影像发光强度可选择以光度曲线、等量曲线与明暗影像显示并可决定报表中光度计算的角度。
显示并可决定报表中光度计算的角度。
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示基地 4 两点之间用矢量表示; 5 从“基地”出发选择下一个点; 6 从测试点出发找到与光线出发点最接近的坐标点; 7 如果这两点之间矢量方向与实际不符，计算回到步骤 4 ，直到确定交叉点 位置; 此算法打破以往对系统光线进行射线追迹的方法; 8 重复步骤 5 到 7，设置每个“基地点”。 正确构造出实际系统的几何模型可以降低选择测试点进行的计算：曲面 1 和 2 之间交叉点的确定（见图 1 a）我们通过对 Y 坐标进行旋转表示;曲面 2 和 3 之间交叉点坐标用 X -坐标表示。该算法在最优化自动化设计器件过程中运算速 度非常快。 2.3 集光器形状、性能的最优化 理论测得这样得到的集光器发光率约为 85 ％ ，因为菲涅尔损失（光线在 经过两界面时发生折射）和反射损失（在模型表面的镀上理想铝涂层，可使透过 率 R = 0.95 ） 。 集光器的边缘形状，优化技术显示如图 1， 集光器长 11.3 毫米，直径 34 毫米。中央透镜直径 9.6 毫米，长度 4.5 毫米。射线追迹结果（图 3 ，对 106 条射线追踪）显示，集光器整体耦合出射光线大约 84 ％，大部分光以剩余分歧 的形式在± 8 °传播。
2.4
ห้องสมุดไป่ตู้
图 4 金刚石结构晶体旋转得到的集光器
图 5 集光器远场杂散光分布无反光涂层
查看光强度分配（见具有尺度标注的图 6 的 c,d）也与设计目标符合的较好。 测量数据 设计数据
图 6 远场分布的结合集光器，测量数据与设计数据 a)b)-线性亮度分布 c）d)-对数亮度分布
3 直接优化实现
除了良好的准直性能， 复合式反折射集光器并不是 LED 照明系统普遍应用的 器件，一般照明和图像投影均需光源具有均匀的近场光分布。 不考虑光源的偏斜和区域分割的形状如：三角形，长方形或正六边形，均匀光 场分布可通过集光器的多次反射得到。因此，光学扩展量不能定义集光器的所有 特性，最优化设计依附于参数最优化估计：总光通量及其分布。这种算法优点在 于：评价函数是一个偏差估计的加权函数和均匀场分布的估计函数：
● ● ●
每个LED典型光通量：红色： - 30流明； 绿色：- 40流明; 蓝色：流明; 光源为朗伯辐射源; 没有透镜
2. 边缘光线原理设计 光源满足下列条件时可以用边缘光线原理设计集光器形状：射线，光源发出 光线在规定最大角范围内传播（旨最大限度的仿真光线输出） ，当光线离开准直 器后。光线模拟软件能很好的模拟、追迹该光束。 ● 从光源的两个对称表面取一维扇形光线; ● 以这样一种方式优化系统，即光线以扇面形式在一个最大孔径角范围内传输。 对应关系边缘点和孔径角（角度正或负）应该由设计师提前制定（这取决于系统 的类型） 。这种优化类似于成像光学，其所用到的标准波算法应考虑到以下特点： ● 此功能的优点是每个扇形中光线的偏差用均方根误差表示; ● 光线追踪是非顺序的。即复式抛物集光器发射光线路径不是预先确定的：折 射光线通过一次折射直接出设（所谓的直接照射） ，或在反射器侧表面经过多 次反射后出射。 ● 在最优化和参数逐步优化过程中聚能器形状会有一定的形状弯曲、凹凸变化; ● 另一方面，形状应允许“微调” ，以近似椭圆形的二次曲线或笛卡儿曲线描 述; ● 二维建模的优化是有利的，因为只用一个三维射线球追迹，从而节省计算时 间。 常规边缘光线原则，就是将完美的近场投影扩展到远场的系统。因此，要求 集光器有较高的集光率。如果不能达到设计要求，我们建议使用特殊加权运算功 能， 此功能的优点为： 每条光线偏离目标角余弦加权后仍在原扇形区域内。 因此， 直接照射优化算法相当于朗伯光源分布。 2.1 RXI（从叠式）集光器设计 分析不同的设计结果表明， 集光器聚光行为是光线通过折叠、 多次反射 （ RXI 形式） 。 此外， 相对于单次光线折射类型的设备具有较大的内外经比 （约 1/3） 。 与传统的 RXI 设备相比，我们在集光器使用了中央透镜。由于简化制造，无反射 涂层中心， 该模型实施一套用户自定义的 ZEMAX ®软件和二阶分段贝塞尔曲线 （曲 线图 1） 全部系统用九条分段贝塞尔样条曲线表示： ● 反射面（图 1a 中曲线 1 ）-4 贝塞尔样条 ● 反射面涂层（图 1a 中曲线 2）-2 贝塞尔样条 ● 出射面面（图 1a 中曲线 3 ） - 2 贝塞尔样条 ● 中央透镜（图 1a 中曲线 4） - 1 贝塞尔样条 ● 图1中的A和B ， （ a ）眼睛在定点观察集光器中光线分布。 由于ZEMAX®软件的非连续性不能用于二维表示，我们制定了一个2.5维代表（见 图1 b）项。根据特别规定的参数的集光器形象图。图（a）可以通过加深深度挤 出（优化，参见图1b）或绕Z -轴旋转（分析）得到图b） 。
实现和测量 为了程序化获得集光器模型，系统进行自动优化过程中宏命令被定义和应 用， （见图 4，图 5）固态集光器通过直接角度定义方法，在 PMMA 边缘处得到， 造成的形状误差（偏差小于 5 微米）和表面质量有足够的“经验验证”。损失光 能，通过整体侧角光分布范围内的剩余发散角来测量（图 5） 。设计与实测值符 合得很好，但总的耦合光能大约小于设计值 5%到 6%。这种差异可以用光线在凹 槽处的衍射、表面上的散射和在粗糙面的反射损失来解释。 集光器（图 6）性能在计算机三维模拟表现出良好的光强分布后，二维扫描 侧角处的远场光强分布，在中垂线两侧对称放置两个光源，达到对光能的平均分 布（通过在整个区域内进行微分，调整准确度，以达到精确） 。一方面可以通过 坐标表示确定 LED 发光的光线分布，发光二极管（图 6，a b 的发散角大小为 ±5°） 。
自动优化非成像光学照明系统
谢尔盖 库达威 , 彼德 许莱柏 应用光学与精密机械研究所,夫琅和费协会 阿尔伯特爱因斯坦- STR。 7 D - 07745 德国 耶拿
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摘要： 非成像光学系统需要用一定的算法自动优化。现阶段商用的光学设计软件 有两种，他们对光学设计非常适用。第一种方法是边缘光线修正原则。在这种情 况下，优化的标准是几何光学中的字词（举例来说，准扩展光源） 。应用边缘光 线修正原则我们不仅可以讨论复式抛物线集光器的准直问题， 还可以在设计复杂 的折射反射类系统中应用。 第二种优化准则体现在能量学的观点。 在这种情况下， 非序列光线追迹分析需要对光源发出大量的按一定空间光强分布的随机光线进 行追迹分析。这些随机出射光线的位置、方向以及行进过程中与各界面所产生的 反射、折射、散射、吸收都需用蒙特卡罗(MonteCarlo)方法来模拟。我们用直接 优化算法，对入射光线采用统计学方法、忽略闲杂光线对系统灵敏性的影响。入 射光能量为连续入射，不考虑其无规则性，将入射光通量作为一个参数描述，采 用分段贝塞尔样条方法，这种方法可以优化形状复杂的光学系统，但需对系统光 线交叉从叠部分分开考虑，以及温度升高所引起的漂移现象。 关键词： LED 光源，最优化算法，非成像光学，边缘光线原则，非连续光线追 迹 1 导言 使用发光二极管作为光源的光学设备和传统照明方式相比有很多优势， 主要 的优势是低耗电量，长寿命和色彩多样逼真。然而，现有发光二极管发光利用率 相对较低。因此，光学设计者的首要任务是让所有的光进入系统。分析现有光学 系统表明，非成像光学理论在准扩展光源中应用广泛。同时，非成像光学设计方 法与大家所熟知的成像光学设计理论相近，其算法已相当成熟，有些研究成果已 获得专利。 成像技术中的关键光学设计是自动优化。 设计者提供了一个合理的最初系统 方案和评价（或误差）函数来估计系统的性能。不同的非线性优化算法（最初研 究用阻尼最小二乘法，常用的模拟分析和反复迭代算法）都是为找到最佳的解决 方案。 在整个漫长的成像光学设计历史上，成像质量和简单的几何参数，如光源作 为点光源考虑时光斑半径作为偏差或作为一个光程差使用。 这足以追迹少量的射 线，以确定系统的性能。此外，这种评价函数作为系统参数几乎在所有的光学系 统中都有应用。 边缘光线准则在非成像光学设计中广泛应用。 大多数算法依据边缘光线准则 确定集光器的最初形状，但在商用光学设计软件中应用较少。 用光学设计软件ZEMAX，利用非成像光学理论，我们已经开发出许多设计软 件和优化算法。根据边缘光线原则制定出集光器的具体形状，满足特定的照度分 布。下面以欧司朗公司产品为例说明，模块具体参数如下： ● 4个LED （每个面积为1×1毫米）按0.1毫米间距排列（红、绿、绿、蓝方式 或单色排列）
图 3 射线追踪结果法完整模型集光器形状 a)二维远场分布,±20°范围 b）轴向截面的分布
分析图 3 显示，该集光器不能完全满足光学扩展量为±4°（优化标准） 。我们 假定这种差异由以下原因引起： ● 集光器的直径根据光学扩展量条件设定，假定所有到达器件边缘部分的光线 都能出射，从图 1（a）如下，可知实际有部分光线在器件边缘不能出射; ● 二阶贝塞尔曲线在表示曲线形状时不具有足够的灵活性， ● 较大的扩展光源发出光线中边缘残余光线经器件校准后出射角一般大于± 4°。 为克服这些缺点，需要进一步改进集光器模型和优化算法。但是，这个集光 器的性能已经非常好：例如，复式抛物线系统在±8 °角内能汇聚整体出光的 80%，抛物线系统长半轴至少 100 毫米。 值得提及的是：旋转坐标式贝塞尔曲线在连接端点处优化后几乎连续出射 （所有出射光线几乎完全平行） 。这意味着，该优化过程是稳定的，其收敛率逐 层提高，在描述一个单一高阶样条曲线时可取代分段贝塞尔样条，这样可以提高 光线追迹的速度。
MF
w1 2 w2 (1 k angle ) 2 w1 w2
其中： 为有效值或辐射偏差; k angle ：出光率（LED 光源发光通过集光器发射后 的出光率）; w1 ， w2 ：定义的权重值。 这种评价函数能获得一般收集率的集能器件， 获得高发光率的集能器件的一 种必要条件是有高的光收集率， 然而， 这将使优化过程变得繁琐， 优化速度变慢， 应用于评价函数的一种下山单法，每个检测器收集到的光线至少 100 条，这时系 统偏差将小于人眼对物体的识别率，然而这个最优化标准将无法精确达到。这时 和由于： ●光通量取决于探测器追踪到的光线数目，参数的小幅度改变也许不会改变整 体光通量的变化;如果没有足够的射线进入探测器使光圈改变，阻尼最小二 乘算法不能计算有限差在这种情况下表示出光线的改变。 ● 最优化算法参数有较大的可变范围，改变优化参数不影响评价函数，如图 7 加以解释说明，具有确定的入射孔径角、出射孔径角和形状的二维正方形贝 塞尔式集光器的自由曲线，x 、y 坐标位于发光点中心，图 7（a）显示出系 统明显的光强变化.7（b）由于长周期和系统的非光滑拓展，波优化过程中 显示出找到最低限度的难度。