为解决目前侧入式导光板网点优化设计中存在经验式手动优化繁琐、且很难达到一个高均匀效果的问题, 提出了一种基于模糊优化理论的网点自动优化设计方法。网点形状采用锥形结构, 为使目标面上各处的光能分布主要由其正下方网点的散射光贡献, 分析了其半顶角与网点位置的关系, 并使得网点半顶角仅由其位置决定。以网点半径为主要优化参数, 通过隶属度函数将网点结构模糊化, 并自定义评价函数来解模糊化实现均匀照明。进而, 采用动态数据交换(DDE)技术将Matlab与TracePro进行联立, 通过Matlab语言与Scheme语言混编控制TracePro自动进行数据交换、光线追迹与模糊优化。导光板网点优化设计实例仿真结果表明, 优化后均匀度达到92.17%, 光能利用率达到70.37%, 全程实现自动优化, 无需任何手动调节。

提出一种基于自然选择的粒子群算法(SelPSO)的扩展光源匀透镜设计方法。该方法通过DDE技术, 将TracePro的光线追迹功能与Matlab的信息处理功能有机结合, 建立以点光源透镜轮廓为对象的优化模型, 进而利用加入平滑度约束的SelPSO算法对模型进行全局优化。以h/d=2.5∶1的紧凑型匀光透镜为例, 结果表明: SelPSO算法与PSO算法在相同参数下进行优化, SelPSO算法具有更强且更快的全局收敛能力, 优化后透镜表面光滑易加工, 且均匀度、光效分别达到87.566%、89.536%; 对透镜安装公差进行分析后, 将横向、纵向位移误差分别控制在[0 mm,2 mm]内, 对照明效果产生的影响较小; 此方法还具有较强普适性, 可针对不同照明范围的照明系统进行优化, 且整体照明效果良好。

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制, 用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口, 出光面背对目标面的结构, 提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源, 将微面光源视为点光源, 根据矩形匀光照明配光条件, 建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律, 建立反射器的数学模型, 只要给定参数, 无需进行反馈优化, 即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例, 用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析, 结果表明, 在有效照明区域内均匀度可达到80%以上, 光能利用率达到90%。

为解决LED扩展光源照明系统设计时, 优化时间较长且多软件数据传输繁琐等问题, 提出了一种仅用Matlab软件进行快速优化设计的方法。该方法将成像设计中的序列光线追迹原理应用于照明设计中, 并利用菲涅尔公式与照度补偿理论, 提高了照度拟合速度。同时, 通过该方法可将光线追迹与反馈优化紧密相连, 实现对照明系统的一站式优化设计。以一紧凑型(h/d=2.5:1)匀光透镜设计为例进行试验, 结果表明: 给定光源和目标面的参数后, 获得匀光透镜数值解的优化时间仅为8 min, 优化时间缩短近一个数量级; 经SolidWorks成型和TracePro仿真测试, 目标面上的均匀度和光效分别达到86.75%和88.42%, 照明效果提高明显。