一種用于形成矩形光斑的反光杯的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED照明領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用在路燈中的用于形成矩形光斑的反光杯的 設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] LED路燈的配光方案分為透鏡和反射器兩類。羅毅和劉勝等各自提出了一種面向 LED擴(kuò)展光源的路燈透鏡設(shè)計(jì)方法，可以在路面上產(chǎn)生均勻矩形光斑的效果，但是考慮到透 鏡有兩個(gè)透光面和一定的厚度，對(duì)于其中任意一個(gè)曲面，若曲面設(shè)計(jì)或制作過(guò)程中稍有偏 差，或透鏡中夾有雜質(zhì)，對(duì)光線的折射和能量分布會(huì)產(chǎn)生很大的影響，且在實(shí)際應(yīng)用中透鏡 對(duì)光線有較高的吸收率而造成能量損失，不利于節(jié)能，而用反射器作為二次配光結(jié)構(gòu)，理論 上只需要一個(gè)反射面即可，容易加工且能量損失少，也能在路面上形成均勻的矩形照明區(qū) 域。陳巧云等依據(jù)LED光源的發(fā)光特性建立偏微分方程，利用數(shù)值求解法擬合出反射器自 由曲面。此外，王洪等運(yùn)用能量網(wǎng)格劃分法，迭代計(jì)算出反射器面型，但他們所實(shí)現(xiàn)的是對(duì) 稱矩形配光，并不宜用在路面寬度較大的道路上，比如雙向六車(chē)道等，這時(shí)就需要采用非對(duì) 稱矩形配光，才能保證照亮路面上的所有區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于形成矩形光斑的反光杯的設(shè)計(jì)方法， 經(jīng)過(guò)反光杯的配光，能量基本限制在矩形區(qū)域內(nèi)，且實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的配光，橫向照度均勻度 達(dá)到了 85%，縱向照度均勻度達(dá)到了 80%，滿足道路照明要求。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于形成矩形光斑的反光杯的 設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0005] (1)建立LED光源的空間坐標(biāo)系，以LED光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，Θ角為光線在Χ0Υ平面 上的投影與X軸的夾角，費(fèi)角為出射光線與Z軸正向的夾角；
[0006] (2)設(shè)目標(biāo)照明面與LED的距離為h，目標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為a，寬為b的矩形區(qū)域； 利用分別與X軸和Y軸垂直的直折線將第一象限的目標(biāo)照明區(qū)域劃分為面積相等的Μ份， 并且這Μ個(gè)子區(qū)域無(wú)交集，根據(jù)幾何關(guān)系，有公式
[0007] X⑴·y⑴-X(i_l) ·y(i_l) =S/M(1)；
[0008] 其中S為位于第一象限的路面區(qū)域面積，結(jié)合目標(biāo)照明區(qū)域的長(zhǎng)a和寬b，依次求 出公式⑴中的x(i)和y(i);
[0009] (3)將每一個(gè)子區(qū)域用從坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)出的輻射線分成N份面積相等的區(qū)域，任一 小區(qū)域?yàn)樘菪?，根?jù)梯形的面積公式求出直折線與輻射線的MXN個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)；
[0010] (4)求出反光杯面型的關(guān)鍵在于計(jì)算出反射光線所對(duì)應(yīng)的Θ角和資角；設(shè)定點(diǎn)光 源的中心光強(qiáng)為'那么總的光通量Φ<：=ηI<：，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為：
[0011] Ea=Φ〇/ab=nI〇/ab(2)；
[0012] (5)輻射線與直折線所形成的三角形區(qū)域的直射能量Ez，當(dāng)作圓弧來(lái)積分并求 得：
[0013]
[0014] 其中j取1到N之間的正整數(shù)，直射對(duì)應(yīng)的Θ和角直接根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系求得，結(jié) 合公式（2)和（3)式即可求出該區(qū)域所需的反射能量Ef，進(jìn)而求得N條反射光線對(duì)應(yīng)的Θ 和角；同理，輻射線與直折線所形成的梯形區(qū)域近似為矩形，求出MXN條反射光線對(duì)應(yīng)的 Θ和擊角，進(jìn)一步算出入射光線的方向矢量；初始出射光線的方向矢量由初始
[0015]
[0018] (6)依據(jù)公式（4)、（5)、（6)式求得MXN個(gè)離散點(diǎn)；同理分析位于第四象限的目標(biāo) 照明區(qū)域，此時(shí)反射光線所對(duì)應(yīng)的Θ角的范圍從π~33T/2變成3T/2~3Τ，Ρ角的范圍 因邊界條件的變化而變化，也可以得到一系列離散點(diǎn)，將上述的離散點(diǎn)依次導(dǎo)入建模軟件 中，形成相應(yīng)的反射器自由曲面，保存為實(shí)體后導(dǎo)入TracePro中進(jìn)行光學(xué)仿真得到反光杯 模型。
[0019] 作為改進(jìn)，由光源空間與路面網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，每條輻射線對(duì)應(yīng)相同的Θ 角，因此對(duì)Θ角進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹匦聞澐挚山鉀Q輻射線與水平邊界線之間區(qū)域的照度大于輻 射線與垂直邊界線之間區(qū)域的照度這一問(wèn)題，依據(jù)公式（3)式，可知Φ(X，y)和Θ及#角之 間的關(guān)系，表明輻射線與水平邊界線之間區(qū)域所對(duì)應(yīng)的反射光線間的ΑΘ偏大，需要減小 此區(qū)域?qū)?yīng)的△Θ，增大輻射線與垂直邊界線之間區(qū)域?qū)?yīng)的△Θ，進(jìn)而改變兩者之間的 光通量分配比例，在前一區(qū)域中令Αθ'α，_?)=Κι·Δθα，_?)，ΔΘ' (i，j)為反饋優(yōu) 化時(shí)所設(shè)定的反射光線在Χ0Υ平面上的投影與X軸的夾角Θ的積分范圍，K1為優(yōu)化系數(shù)， 這里Kl〈l，反之若該區(qū)域的照度值偏小，則K1>1 ;同理可知，對(duì)*角進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹匦聞澐挚?解決在水平邊界線的附近區(qū)域，沿著輻射線方向上的照度明顯大于其他區(qū)域的照度這一問(wèn) 題，令Δφ'?,Ι) =Κ2 ?Δφ(10,φ角度的優(yōu)化與Θ角度的優(yōu)化方法類似；先代入初 始的κι和Κ2值，觀察所生成的照度分布圖，按照單因子變量的原則，先保持其中一個(gè)κ值 不變，查看各區(qū)域的照度變化，再調(diào)整另一個(gè)κ值，依據(jù)照度分布的變化趨勢(shì)來(lái)不斷調(diào)整κι 和Κ2的取值，多次之后，取得均勻照明所需的最佳Κ1和Κ2值，即完成模型的優(yōu)化。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所帶來(lái)的有益效果是：
[0021] 本發(fā)明根據(jù)非成像光學(xué)理論，建立點(diǎn)光源與被照面之間的能量拓?fù)潢P(guān)系，采用合 適的反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，獲得面向擴(kuò)展光源且在目標(biāo)平面上形成均勻非對(duì)稱矩形光斑的反 光杯，經(jīng)光學(xué)仿真后，光源的能量基本上被限制在20mX12m的矩形區(qū)域內(nèi)，且實(shí)現(xiàn)了非對(duì) 稱的配光，橫向照度均勻度達(dá)到了 85%，縱向照度均勻度達(dá)到了 80%，滿足道路照明要求。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為L(zhǎng)ED光源的空間坐標(biāo)圖。
[0023] 圖2為路面網(wǎng)格輻射劃分示意圖。
[0024] 圖3為光線的角度分布圖。
[0025] 圖4為點(diǎn)光源的仿真結(jié)果圖。
[0026] 圖5為優(yōu)化前的照度圖。
[0027] 圖6為實(shí)體模型圖。
[0028] 圖7為優(yōu)化后的照度分布圖。
[0029] 圖8為優(yōu)化后的光強(qiáng)分布圖。
[0030] 圖9為實(shí)測(cè)后的配光曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0032] 反光杯的設(shè)計(jì)涉及兩部分的能量分配，一部分為直接從燈具射出的能量，稱之為 直射能量Ez，另一部分是被反光杯反射出燈具的能量，稱之為反射能量Ef，直接出射的那部 分光照射到目標(biāo)面上形成初始的矩形照明區(qū)域，反光杯的作用就是反射其余的能量到這個(gè) 初始的照明區(qū)域內(nèi)，使兩部分能量疊加后形成均勻照明區(qū)域。
[0033] 本發(fā)明反光杯的主體設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0034] (1)如圖1為L(zhǎng)ED光源的空間坐標(biāo)系，以LED光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，Θ角為光線在Χ0Υ 平面上的投影與X軸的夾角，參角為出射光線與Z軸正向的夾角。
[0035] (2)如圖2所示為路面網(wǎng)格輻射劃分示意圖，設(shè)目標(biāo)照明面與LED的距離為h，目 標(biāo)照明區(qū)域是長(zhǎng)為a，寬為b的矩形區(qū)域；為了達(dá)到均勻照明的要求，需要將路面區(qū)域按照 等面積要求劃分成MXN個(gè)網(wǎng)格，常見(jiàn)的劃分方式有兩種，一種是平行線劃分方式，另一種 則是輻射線劃分方式，在本文中采用輻射線的劃分方式，同時(shí)考慮整個(gè)路面是關(guān)于Y軸對(duì) 稱的情況，故只需考慮位于X正半軸的路面區(qū)域；利用分別與X軸和Y軸垂直的直折線將第 一象限的目標(biāo)照明區(qū)域劃分為面積相等的Μ份，并且這Μ個(gè)子區(qū)域無(wú)交集，根據(jù)幾何關(guān)系， 有公式：
[0036] X⑴·y⑴-X(i_l) ·y(i_l) =S/M(1)；
[0037] 其中S為位于第一象限的路面區(qū)域面積，結(jié)合目標(biāo)照明區(qū)域的長(zhǎng)a和寬b，依次求 出公式⑴中的x(i)和y(i)。
[0038] (3)將每一個(gè)子區(qū)域用從坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)出的輻射線分成N份面積相等的區(qū)域，任一 小區(qū)域?yàn)樘菪危鶕?jù)梯形的面積公式求出直折線與輻射線的MXN個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)。
[0039] (4)在圖3中的上半部分，虛線表示直射光線，實(shí)線表示反射光線，圖中的陰影部 分從左到右分別表示直射能量和反射能量，按照能量補(bǔ)償?shù)囊?，這兩部分能量一起疊加 照射到圖2中的路面陰影區(qū)域，從而使得該區(qū)域的照度達(dá)到一致。求出反光杯面型的關(guān)鍵 在于計(jì)算出反射光線所對(duì)應(yīng)的Θ角和#角；設(shè)定點(diǎn)光源的中心光強(qiáng)為I。，那么總的光通量 〇。= 311。，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為：
[0040]Ea=Φ〇/ab=πI0/ab(2)〇
[0041] (5)輻射線與直折線所形成的三角形區(qū)域的直射能量Ez，當(dāng)作圓弧來(lái)積分并求 得：
[0042]
[0043] 其中j取1到N之間的正整數(shù)，直射對(duì)應(yīng)的Θ和$角直接根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系求得，結(jié) 合公式（2)和（3)式即可求出該區(qū)域所需的反射能量Ef，進(jìn)而求得N條反射光線對(duì)應(yīng)的Θ 和#角；同理，輻射線與直折線所形成的梯形區(qū)域近似為矩形，求出MXN條反射光線對(duì)應(yīng)的 Θ和#角，進(jìn)一步算出入射光線的方向矢量；初始出射光線的方向矢量由初始坐標(biāo)點(diǎn)S。計(jì) 算得出，而該點(diǎn)的法線矢量可依據(jù)反射定律的矢量形式求出，按照縱向迭代的原則，則有：
[0044]
[0047] (6)依據(jù)公式（4)、（5)、（6)式求得MXN個(gè)離散點(diǎn)；同理分析位于第四象限的目標(biāo) 照明區(qū)域，此時(shí)反射光線所對(duì)應(yīng)的Θ角的范圍從JT~3π/2變成π/2~31，P角的范圍 因邊界條件的變化而變化，也可以得到一系列離散點(diǎn)，將上述的離散點(diǎn)依次導(dǎo)入建模軟件 中，形成相應(yīng)的反光杯自由曲面，保存為實(shí)體后導(dǎo)入TracePro中進(jìn)行光學(xué)仿真得到反光杯 模型。在本實(shí)例中，光源到目標(biāo)面的距離h取10m，長(zhǎng)a取20m，寬b取12m，其上半部分寬度 為8m，下半部分寬度為4m，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4,表明照明區(qū)域內(nèi)的均勻性良好。
[0048] 反饋優(yōu)化