一種led護(hù)欄燈偏心透鏡照明配光設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種LED護(hù)欄燈偏心透鏡照明配光設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 護(hù)欄燈是一種安裝在道路和橋梁護(hù)欄上的照明燈具，通常以熒光燈管或LED作為 光源，以連續(xù)的護(hù)欄作為載體，用于取代高桿路燈對(duì)各種道路以及橋梁照明，包括高架橋及 引橋照明、機(jī)場(chǎng)及高鐵入口的行車(chē)道照明、停車(chē)場(chǎng)照明等。目前，護(hù)欄燈通常由中低功率的 LED燈條加裝在一個(gè)圓筒形的護(hù)欄塑料管組成，該種護(hù)欄燈的光源發(fā)出的光線會(huì)直接通過(guò) 塑料管射出，護(hù)欄燈的出光角度基本沒(méi)有控制，只可以照明和美化護(hù)欄本身，但起不到道路 照明的作用。
[0003] 現(xiàn)有的護(hù)欄管裝置，由于出射光比較散，照射距離短，如果為了照明道路而使用大 功率LED，則會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的刺眼的眩光，反而起不到很好的效果。
[0004] 為了能讓護(hù)欄燈起到道路照明的作用，需要對(duì)護(hù)欄燈進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，將光線均勻 分配到路面上，以達(dá)到國(guó)家道路照明設(shè)計(jì)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種LED護(hù)欄燈偏心 透鏡照明配光設(shè)計(jì)方法，本方法能快速有效的得到LED護(hù)欄燈偏心透鏡光出射面的自由曲 面，且由此方法得到的LED護(hù)欄燈偏心透鏡光出射面能將光線均勻分配到路面上，起到道 路照明的作用。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種LED護(hù)欄燈偏心透鏡照明配光設(shè) 計(jì)方法，所述LED護(hù)欄燈偏心透鏡包括光入射面、光出射面和底面，所述光入射面為設(shè)置于 所述底面的內(nèi)凹半球面，所述底面與光入射面之間的空間用于安裝LED燈，所述光出射面 為連接所述光入射面和底面并形成封閉空間的自由曲面；
[0007] 所述光出射面分析方法包括以下步驟：
[0008] S1，以底面的圓心為原點(diǎn)，將底面所在平面設(shè)為XOY平面，其中，將車(chē)輛行駛方向 設(shè)為Y軸，將過(guò)原點(diǎn)并與XOY平面垂直的軸設(shè)為Z軸，通過(guò)Y軸和Z軸確定X軸方向，建立 空間坐標(biāo)系X-Y-Z ;
[0009] S2,設(shè)LED護(hù)欄燈在空間坐標(biāo)系X-Y-Z上的目標(biāo)照明面長(zhǎng)度為a，寬度為b，與LED 燈的距離為h，對(duì)XOY平面上的目標(biāo)照明區(qū)域以及該目標(biāo)照明區(qū)域所對(duì)應(yīng)的LED光源空間區(qū) 域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0010] S3,基于步驟S2中的網(wǎng)格劃分尺寸，并根據(jù)LED光源輻射能量與目標(biāo)照明面接收 到的光能量相等建立方程，通過(guò)迭代運(yùn)算，求得光線和Y軸所組成的平面與Z軸之間的夾 角，即光線入射角Θ的值，以及光線與Y軸的夾角珍的值；
[0011] S4,取自由曲面上任意一點(diǎn)作為初始計(jì)算點(diǎn)，通過(guò)與初始計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光線入射 角Θ和夾角#求出該初始計(jì)算點(diǎn)的法向量，從而得到經(jīng)過(guò)該初始計(jì)算點(diǎn)的切平面，求出該 切平面與下一入射光線的交點(diǎn)，即得到自由曲面上下一計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)，如此通過(guò)迭代運(yùn)算， 由前一個(gè)點(diǎn)的切平面與下一條入射光線的交點(diǎn)求得自由曲面的下一點(diǎn)的坐標(biāo)，從而計(jì)算出 自由曲面在該空間坐標(biāo)系中ζ>0且y>0區(qū)域內(nèi)的中所有點(diǎn)的坐標(biāo)，即該區(qū)域內(nèi)的自由曲面 的面型數(shù)據(jù)；
[0012] S5,將上述自由曲面面型數(shù)據(jù)擬合為曲面，并將擬合得到曲面做關(guān)于XOZ平面鏡 像，從而得到光出射面的自由曲面。
[0013] 因?yàn)長(zhǎng)ED護(hù)欄燈偏心透鏡光出射面的形狀關(guān)于XOZ平面對(duì)稱(chēng)，由其在第一象限和 第二象限的自由曲面部分相對(duì)于XOZ平面進(jìn)行對(duì)稱(chēng)，即可以得到光出射面的形狀。采用上 述方法能快速有效的得到LED護(hù)欄燈偏心透鏡光出射面，使得采用該光出射面的LED護(hù)攔 燈能將光線均勻分配到路面上，起到道路照明的作用。
[0014] 進(jìn)一步的，所述步驟S2包括以下步驟：
[0015] S2-1，設(shè)照明目標(biāo)面長(zhǎng)度為a，寬度為b，與LED燈的距離為h，設(shè)光斑在空間坐標(biāo) 系X-Y-Z中XOY平面的第一象限上的長(zhǎng)度為c，在第二象限上的長(zhǎng)度為d，將光斑在X軸方 向以步長(zhǎng)k等分為m份，Y軸方向上以同樣的步長(zhǎng)k等分為η份，得到x(m)和y (η)兩個(gè)數(shù) 組，使得相應(yīng)的目標(biāo)照明區(qū)域被劃分為mXη個(gè)等面積的矩形網(wǎng)格；
[0016] S2-2,對(duì)該目標(biāo)照明區(qū)域所對(duì)應(yīng)的LED光源空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分：設(shè)光線與Y軸 所組成的平面與z軸之間的夾角，即光線入射角為θ，光線與γ軸的夾角為#，對(duì)應(yīng)于目標(biāo) 照明區(qū)域的劃分，在Θ角上等分成m份，在夕角上等分成η份。
[0017] 該網(wǎng)格劃分方法簡(jiǎn)單、快速、有效，因?yàn)長(zhǎng)ED護(hù)欄燈偏心透鏡光出射面相對(duì)于XOZ 平面相對(duì)稱(chēng)，所以只需針對(duì)XOY平面上的目標(biāo)照明區(qū)域以及該目標(biāo)照明區(qū)域所對(duì)應(yīng)的LED 光源空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟S3包括以下步驟：
[0019] S3-1，以X軸上的每條矩形區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)能量守恒定律得到：
[0020]
[0021] 求解上式可得Θ的迭代計(jì)算公式：
[0023] 由此，計(jì)算出每條光線所對(duì)應(yīng)的Θ值，其中，I。為中心光強(qiáng)，Ev指目標(biāo)照明面的平 均照度；
[0024] S3-2,以目標(biāo)區(qū)域的每一小方格作為研究對(duì)象，建立能量對(duì)應(yīng)關(guān)系，由能量守恒得 到：
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[0026] 求解上式可得：
[0027] 根據(jù)已經(jīng)求得的每條光線所對(duì)應(yīng)的Θ值，結(jié)合該式，并通過(guò)迭代運(yùn)算得到與每條 光線所對(duì)應(yīng)的Θ值所對(duì)應(yīng)的f值。
[0028] 其中，I。中心光強(qiáng)I。和目標(biāo)照明面的平均照度E龍可采用現(xiàn)有公知方法計(jì)算得 到。該方法采用能量守恒原理及迭代運(yùn)算能快速準(zhǔn)確的得到所需要的Θ值和f值。
[0029] 進(jìn)一步的，所述步驟S4包括以下步驟：
[0030] S4-1，根據(jù)光源和目標(biāo)照明面的能量對(duì)應(yīng)關(guān)系，在光源上選擇一條初始光線，確定 經(jīng)自由曲面折射后對(duì)應(yīng)于目標(biāo)照明面上的初始位置，然后選定自由曲面上任意一點(diǎn)作為初 始計(jì)算點(diǎn)，由初始位置和初始計(jì)算點(diǎn)這兩點(diǎn)坐標(biāo)求出初始光線入射光方向的單位向量和出 射光方向的單位向量；
[0031] S4-2,計(jì)算自由曲面在初始計(jì)算點(diǎn)處的單位法向量，計(jì)算公式為：
其中，In為入射光線單位向量，Out為出 射光線單位向量，N單位法向量，η為折射率；
[0033] S4-3，由初始計(jì)算點(diǎn)處的單位法向量和初始計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)求出過(guò)初始計(jì)算點(diǎn)的切 平面；
[0034] S4-4,在光源上選擇第二條出射光線，確定經(jīng)自由曲面折射后對(duì)應(yīng)于目標(biāo)照明面 上的第二位置點(diǎn)，第二條出射光線與初始計(jì)算點(diǎn)切平面相交于第二計(jì)算點(diǎn)，由第二位置點(diǎn) 和第二計(jì)算點(diǎn)這兩個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)求出第二條出射光線入射光方向的單位向量和出射光方向的 單位向量；
[0035] S4-5,計(jì)算自由曲面在第二計(jì)算點(diǎn)處的單位法向量，計(jì)算公式為：
,其中，In為入射光線單位向量，Out為出射 光線單位向量，N單位法向量，η為折射率；
[0037] S4-6,通過(guò)以上迭代計(jì)算，不斷通過(guò)前一個(gè)點(diǎn)的切平面與下一條入射光線的交點(diǎn) 求得自由曲面的下一點(diǎn)的坐標(biāo)，從而計(jì)算出自由曲面在該空間坐標(biāo)系中ζ>0且y>0區(qū)域內(nèi) 的所有點(diǎn)的坐標(biāo)，由此得到該區(qū)域內(nèi)的自由曲面的面型數(shù)據(jù)。
[0038] 該方法根據(jù)LED光源輻射通量與目標(biāo)照明面接收到的光通量相等的原理，通過(guò)迭 代運(yùn)算得到自由曲面面型數(shù)據(jù)，該方法計(jì)算速度快，且準(zhǔn)確度高，節(jié)約了時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成 本。
[0039] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0041] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的道路與光斑位置圖；
[0042] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的LED光源空間坐標(biāo)圖；
[0043] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的目標(biāo)照明面網(wǎng)格劃分圖；
[0044] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中護(hù)欄燈偏心透鏡的三維外觀圖；
[0045] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中護(hù)欄燈偏心透鏡在正前方1. 2米遠(yuǎn)處的光斑形狀及照度分 布圖；
[0046] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中護(hù)欄燈偏心透鏡的配光曲線圖；
[0047] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例中護(hù)欄燈偏心透鏡雙側(cè)護(hù)欄燈照明時(shí)路面照度分布的模擬 示意圖；
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