基于LED的自由曲面反射器设计软件研究[2]

　　3 软件算法验证

　　如图4 所示为自由曲面反射器设计软件主界面，其主要包括参数设置、几何模型和照度分布三个功能区域。其中参数设置功能区域主要用来设置被照面照度分布形状，有矩形、圆形和正多边形三种形状供选择，并可以分别设置被照面的几何尺寸。对于LED 光源配光可以选择朗伯配光，也可以自定义配光数据导入软件。另外，设计过程中还需要设置反射器中心与LED 光源的垂直距离。在设置好上述参数后，运行软件就可以计算出反射器面型，并在右面的几何模型界面中显示出反射器的外形，包括三维视图和二维投影视图。设计软件导出的反射器模型可以导入光学追迹软件进行光学仿真以验证设计效果。本软件中也提供了被照面照度分布分析。

　　为了验证软件算法的效率和可靠性，使用矩形和圆形照度分布自由曲面反射器设计实例来进行验证。对于圆形照度分布自由曲面反射器，其参数设置为被照面半径1000mm，LED 与反射器中心距离30mm，LED 与被照面距离2000mm。将软件计算得到的反射器导入光学仿真软件进行追迹验证设计准确性，反射器外形光线追迹和照度分布分别如图5和图6 所示。　　

　　从图6 可以看到，圆形被照面的照度均匀度为0. 92，设计结果与预期一致，算法设计是合理的。对于矩形照度分布反射器，参数设置为LED 与反射器中心距离30mm，矩形被照面长度2000mm，宽度为3500mm，矩形被照面与LED 中心距离2000mm。矩形照度分布反射器外形和照度分布分别如图7 和图8 所示。　

　　　　从图8 可以看到，矩形被照面照度基本呈矩形分布，照度分布均匀，其纵向照度均匀度为0. 8，横向照度均匀度为0. 9。另外，被照面的照度分布不是严格的矩形分布，这个误差主要是数值求解和曲面拟合建模过程中引入的; 数值求解差分格式的稳定性和步长影响了求解精度，三维模型软件使用样条曲面拟合曲面上离散数据，也引入了误差。另外，从被照面照度分布可以看到，在矩形对角线上的照度较高，这是由对角线部分的反射器表面不平滑引起。

　　4 结论

　　针对LED 光源配光建立了自由曲面反射器设计模型，根据设计模型分别设计了数值计算和光线追迹算法，并编译成可操作的GUI 界面。和使用有限差分法求解得到了自由曲面反射器面型并使用光学软件进行了分析验证，被照面纵向和横向照度均匀度分别达到了0. 8 和0. 9。该软件适用于道路照明灯具设计和汽车前照灯设计等领域。可以通过优化软件算法提高计算效率和精度，降低反射器面型误差，进一步提高反射器光学性能。