一种以亮度为基础的二次配光方法.pdf

本发明涉及一种以亮度为基础的二次配光方法，先根据路面照明要求建立数学模型，求出像方空间光强分布，然后建立数学模型，求出透镜之表面形状，最后，模拟验证配光效果；本发明综合考虑所有关系到行车、道路安全的道路照明指标，以亮度及其均匀度指标需求、眩光指标需求为设计出发点，并同时兼顾照度指标，针对不同路面需求，依据CIE144-2001推荐的简化亮度系数表，设定不同的光分布空间曲线，实现自由配光，保证路面在行车方向上的亮度均匀性和驾驶者视场范围内无眩光，能同时满足业主和使用者的需求。

1.  一种以亮度为基础的二次配光方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、根据路面照明要求建立数学模型，求出像方空间光强分布：
CIE144定义亮度系数q(β，γ)＝dL(β，γ)/dE(β，γ)  ⑴
亮度系数q(β，γ)与反射系数表Γ(β，Tanγ)的关系是：
Γ(β，γ)＝q(β，γ)*COS³γ  (2)
根据国标CJJ45-2006对相应道路的照明亮度均匀性U₀、眩光TI和环境比的要求，借助反射系数表Γ(β，Tanγ)，应用公式(1)(2)得到如下公式：
dL(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*q(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*Γ(β，γ)/COS³γ  (3)
其中，β，γ指路面被测点的极坐标，dL(β，γ)为路面被测点亮度，dI(β，γ)为路灯在路面被测点方向上的光强，L为路灯光强中心至被测点的距离；
对公式(3)中光强dI(β，γ)值进行列举赋值，采用遗传算法快速收敛，得出像方空间的光强分布集合；
步骤2、建立数学模型，求出透镜之表面形状：
以光源光强分布为物方光强分布，步骤1所得的光强分布为像方光强分布，以透镜表面为界通过剪切法剪切为物方空间和像方空间，物方光强和像方光强在透镜外表面通过表面曲率的作用实现转换，即 利用透镜表面的折射公式n*Sin i＝n'*Sin i'  (4)，其中n、n'分别代表物方和像方折射率，i、i'分别代表透镜表面上光的入射角和出射角，通过剪切法进行制表、运算，得到曲面透镜外表面网格点的空间坐标，将该透镜网格点空间坐标导入现有的建模软件生成透镜3D文件；
步骤3、模拟验证配光效果：
(1)将该透镜3D文件导入光线追迹软件，选配相应光源IES文件进行模拟，生成灯具光强分布IES文件；
(2)将生成的灯具光强分布IES文件导入照明场景模拟软件，模拟路面现场照明效果，验证路面亮度L、路面亮度总均匀度U₀、路面亮度纵向均匀度U_L、路面照度E的模拟值结果与目标值是否一致，若一致则透镜二次配光设计达到要求，若有不一致，则根据差异点调整相应被测点的dI(β，γ)值，重复步骤1至2，直至得出目标值。

一种以亮度为基础的二次配光方法
技术领域
本发明涉及一种以亮度为基础的二次配光方法。
背景技术
目前道路照明指标采用的是照度指标与亮度指标等同的双轨性方案，实质上推行的仍是以照度为基准的照明指标。虽然国标、CIE、EN都以亮度为基础制定道路照明标准，但是，由于亮度配光设计和测量困难，又附加推荐了照度指标，依据路面材料不同，给出了不同的亮度指标对应值。对于同是玻壳灯泡的各类灯具而言，因为都无法灵活配光，其灯具光强分布大致相同，具有一定的方便性。由于以照度为基础的配光设计较容易、测量方便又不受路面反射特性的影响，设计与测量也方便，从而得到设计方和使用方的欢迎而被广泛采用，从而几乎完全忽视了亮度测量。
道路照明的目的是为了照亮路面及障碍物，保证车辆行驶视线范围清晰可鉴，避免交通事故；同时要求观察舒适，减轻眩光危害。因此，道路照明指标的着眼点应是路面亮度而非路面照度，如图1所示，路面照度人眼其实感觉不到。路面照度系单位路面面积所获取的光通量E＝dΦ/dA*cosα＝I*dω/(dA/cosα)＝I*cosα/r²＝(I/r₀²)*cos³α)；它与路灯光源投射到路面各点的光强和投射角有关，而与路面性质无关，也与人眼观察角无关，人眼感觉不到。而路面亮度就不同了，它 是光线射到路面后，部分被吸收、部分被漫反射，其中，一小部分进入人眼，引起视觉感应，被人眼所“看见”，从眼睛端观察，路面亮度Lv＝Iv/cosα*dA,其中路面反射光光强Iv除了与灯具照射在该点的光强有关外，还与路面性质、观察点的坐标、光线的入射角以及人眼的观察视角有关，见图2。路面照度和路面亮度并无准确的转换关系，它与路面位置、灯光入射角及其光强有关，还因灯具的光强分布不同而不同，LED灯具配光灵活，配光正确与否影响很大。
由于LED发出的光为朗伯分布，很难直接用于照明，需要进行二次光学设计。对LED芯片的封装视为一次光学设计，根据一次光学设计的结果设计出折射透镜及反光灯罩等满足照明应用的光学设计过程为二次光学设计，目的是将朗伯型配光改造成能应用于不同场景照明的配光。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以亮度为基础的二次配光方法，摆脱单独针对照度的配光设计，实现真正意义上从观察者视角进行的、符合人因工程学的机理的照明设计；在满足道路照明设计要求的同时还能兼顾照度配光要求，配光灵活正确。
本发明一种以亮度为基础的二次配光方法，包括如下步骤：
步骤1、根据路面照明要求建立数学模型，求出像方空间光强分布：
CIE144定义亮度系数q(β，γ)＝dL(β，γ)/dE(β，γ)  ⑴
亮度系数q(β，γ)与反射系数表Γ(β，Tanγ)的关系是：
Γ(β，γ)＝q(β，γ)*COS³γ  (2)
根据国标CJJ45-2006对相应道路的照明亮度均匀性U₀、眩光TI和环境比的要求，借助反射系数表Γ(β，Tanγ)，应用公式(1)(2)得到如下公式：
dL(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*q(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*Γ(β，γ)/COS³γ               (3)
其中，β，γ指路面被测点的极坐标，dL(β，γ)为路面被测点亮度，dI(β，γ)为路灯在路面被测点方向上的光强，L为路灯光强中心至被测点的距离；
对公式(3)中光强dI(β，γ)值进行列举赋值，采用遗传算法快速收敛，得出像方空间的光强分布集合；
步骤2、建立数学模型，求出透镜之表面形状：
以光源光强分布为物方光强分布，步骤1所得的光强分布为像方光强分布，以透镜表面为界通过剪切法剪切为物方空间和像方空间，物方光强和像方光强在透镜外表面通过表面曲率的作用实现转换，即利用透镜表面的折射公式n*Sin i＝n'*Sin i'(4)，其中n、n'分别代表物方和像方折射率，i、i'分别代表透镜表面上光的入射角和出射角，通过剪切法进行制表、运算，得到曲面透镜外表面网格点的空间坐标，将该透镜网格点空间坐标导入现有的建模软件生成透镜3D文件；
步骤3、模拟验证配光效果：
(1)将该透镜3D文件导入光线追迹软件，选配相应光源IES文件进行模拟，生成灯具光强分布IES文件；
(2)将生成的灯具光强分布IES文件导入照明场景模拟软件，模拟路面现场照明效果，验证路面亮度L、路面亮度总均匀度U₀、路面亮度纵向均匀度U_L、路面照度E的模拟值结果与目标值是否一致，若一致则透镜二次配光设计达到要求，若有不一致，则根据差异点调整相应被测点的dI(β，γ)值，重复步骤1至2，直至得出目标值。
本发明综合考虑所有关系到行车、道路安全的道路照明指标，以亮度及其均匀度指标需求、眩光指标需求为设计出发点，并同时兼顾照度指标，针对不同路面需求，依据CIE144-2001推荐的简化亮度系数表，设定不同的光分布空间曲线，实现自由配光，保证路面在行车方向上的亮度均匀性和驾驶者视场范围内无眩光，能同时满足业主和使用者的需求。
附图说明
图1为亮度和照度示意图；
图2为路面亮度观测示意图；
图3为本发明计算出的透镜3D效果图；
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。
具体实施方式
本发明一种以亮度为基础的二次配光方法，包括如下步骤：
步骤1、根据路面照明要求建立数学模型(如图2)，求出像方空间光强分布：
CIE144-2001提出不同路面的反射系数表Γ(β，Tanγ)，用于表示路面的反射性能。
CIE144定义亮度系数q(β，γ)＝dL(β，γ)/dE(β，γ)  ⑴即亮度系数为路面被测点的亮度与该点照度之比(见图2)；
亮度系数q(β，γ)与反射系数表Γ(β，Tanγ)的关系是：
Γ(β，γ)＝q(β，γ)*COS³γ  (2)
根据国标CJJ45-2006对相应道路的照明亮度均匀性U₀、眩光TI和环境比等的要求，借助反射系数表Γ(β，Tanγ)，应用公式(1)(2)得到如下公式：
dL(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*q(β，γ)＝(dI(β，γ)/L²)*Γ(β，γ)/COS³γ             (3)
其中，β，γ指路面被测点的极坐标，dL(β，γ)为路面被测点亮度，dI(β，γ)为路灯在路面被测点方向上的光强，L为路灯光强中心至被测点的距离。
对公式(3)中光强dI(β，γ)值进行列举赋值，采用遗传算法快速收敛，得出像方空间的光强分布集合；
下面例举一种快捷的遗传算法，用于“根据路面照明要求建立数学模型，求出像方空间光强分布”过程中加速列举得出有效值，该算法在生态学已有成熟的应用，在这里只是采用了这个方法，并非此专利的核心。
如根据现有标准要求：路面亮度总均匀度U0≥0.4，路面亮度纵向均匀度UL≥0.7；
建立公式：适应函数F＝δ1*(U0-0.4)+δ2*(UL-0.7)
当U0≥0.4时，δ1＝1；当U0＜0.4时，δ1＝100迅速被淘汰；
当UL≥0.7时，δ2＝1；当UL＜0.7时，δ2＝100迅速被淘汰；
其中δ1、δ2为误差参数，当其中一项≥100时，则相应U值被淘汰；
步骤2、建立数学模型，求出透镜之表面形状：
剪切法在1993年由Ries提出，他以透镜表面为界将光线传递过程分为前后两部分，前面是光源部分，后面是像面(路面)部分；根据透镜曲面的变化，使其出射光强分布与路面光强分布的要求一一对应，即表明透镜的配光满足了路面的照明要求。
透镜表面的折射公式n*Sin i＝n'*Sin i'       (4)
其中n、n'分别代表物方和像方折射率，i、i'分别代表透镜表面上光的入射角和出射角。
以光源光强分布(通常为朗柏分布)为物方光强分布，步骤1所得的光强分布为像方光强分布，以透镜表面为界通过剪切法剪切为物方空间和像方空间，物方光强和像方光强在透镜外表面通过表面曲率的作用实现转换，利用公式(4)，通过剪切法进行制表、运算，得到曲面透镜外表面网格点的空间坐标。
将该透镜网格点空间坐标导入建模软件如犀牛、Solidworks生成透镜3D文件，如图3：
步骤3、模拟验证配光效果：
(1)将该透镜3D文件导入TracePro、ZEMAX、SPEOS等光线追迹软件，选配相应光源IES文件进行模拟，生成灯具光强分布IES文件；
(2)将生成的灯具光强分布IES文件导入Dialux等照明场景模拟软件，模拟路面现场照明效果，验证路面亮度L、路面亮度总均匀度U₀、路面亮度纵向均匀度U_L、路面照度E等模拟值与目标值是否一致，若一致则透镜二次配光设计达到要求，若有不一致，则根据差异点调整相应被测点的dI(β，γ)值，重复步骤1至2，直至得出目标值。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。