CN103307559B - 一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法，包括以下步骤：①选择光源排布方式，利用若干光源模组依次排列组成圆形的内光源圈和外光源圈，内光源圈和外光源圈同心设置；内光源圈上的光源模组的光轴沿内光源圈的径向方向向外偏转，光源模组包括光源以及灯罩，灯罩为中空圆台形；②根据模拟平面区域面积计算外光源圈的直径；③由模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度高低，通过光环境模拟装置与模拟平面区域的距离、外光源圈的直径，获得内光源圈的直径、内光源圈上的光源模组的光轴偏转角度以及灯罩的尺寸。本发明提供的设计方法成本较低，且照度均匀度较高。
Description
技术领域
本发明涉及光生物学实验仪器技术领域，特别是一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法。
背景技术
随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，人工模拟的光环境被越来越多地应用于各种实验研究中，特别是对自然光环境的模拟，在建筑学、物理学、医学等众多学科均有广泛的应用。并且，在众多信号模拟技术中，光信号的模拟最为复杂，难度远远超过声音模拟、温度模拟、电信号模拟以及力模拟，其难度主要在于如何保证模拟光环境照度的均匀度，这也是众多科研机构一直致力解决的问题。
为了提升模拟光环境照度的均匀度，目前一般使用LED单芯片光源，但单芯片光源的单体光通量较低，如果大量光源阵列排列，其配套的电气部件成本很高，不适于模拟较大空间的光环境，且光照强度的变化范围较小。因此，现有技术如中国专利CN201066112Y公开了一种用于手术无影灯的集成LED单元,由灯罩、LED单元和电源控制器组成，灯罩上规则排满若干灯泡，利用各个灯泡的配光保证光环境照度的均匀度。这样的设计，使用灯罩加LED替代单独的LED单芯片光源，灯罩数量与光环境模拟空间的面积成正比，空间越大，则上述系统需要的灯罩数量越多，因此该系统的设备成本仍旧很高。
为了进一步降低光环境模拟系统的成本，中国专利CN201636710U公开了一种吊灯，包括灯体及安装在灯体上的光源，灯体由第一装饰圈和第二装饰圈组成，其中，第一装饰圈和第二装饰圈是由若干个装饰单元构成，相邻两装饰单元的端部铰接，且第一装饰圈的装饰单元的中部与对应的第二装饰圈的装饰单元的中部设在一起。这样的双圈光源设计，虽然设备成本大幅降低，但光环境照度的均匀度较差，特别是装饰圈圆心位置的投影区域，由于其周围光源数量较多，照射至该区域的光线也较多，此时二次配光现象会导致该区域的照度很高，从而影响整个空间的照度均匀度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的光环境模拟系统照度均匀度差，或者设备成本较高，进而提供了一种成本较低，且照度均匀度较高的光环境模拟装置的光源排布方式的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法，用于设计一种在模拟平面区域内模拟光环境的光环境模拟装置的光源子系统，其特征在于，包括以下步骤：
①选择光源排布方式，利用若干光源模组依次排列组成圆形的内光源圈和外光源圈，所述内光源圈和所述外光源圈同心设置；所述内光源圈上的所述光源模组的光轴沿所述内光源圈的径向方向向外偏转，所述光源模组包括光源以及灯罩，所述灯罩为中空圆台形；
②根据所述模拟平面区域面积计算所述外光源圈的直径；
③由所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度高低，通过所述光环境模拟装置与所述模拟平面区域的距离、所述外光源圈的直径，获得所述内光源圈的直径、所述内光源圈上的所述光源模组的光轴偏转角度以及所述灯罩的尺寸。
上述设计方法中，所述第③步的具体步骤如下：
a.选取某一尺寸的所述灯罩，计算不同所述内光源圈直径、不同所述内光源圈上所述光源模组光轴偏转角度下，所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度，挑选出照度均匀度最高时，所述内光源圈的直径和所述内光源圈上所述光源模组的光轴偏转角度；b.改变所述灯罩的尺寸，重复步骤a，得到所述光源模组在不同尺寸时的最高照度均匀度以及相应的所述内光源圈的直径和所述内光源圈上所述光源模组的光轴偏转角度；
c.在全部最高照度均匀度中选取照度均匀度最高时的一组参数作为所述内光源圈的直径、所述内光源圈上的所述光源模组的光轴偏转角度以及所述灯罩的尺寸。
上述设计方法中，在所述第①步之后还包括选取所述光源模组类型的步骤X，在所述步骤X中，选取寿命长、光衰小、二次配光能力强的大功率LED光源作为所述光源模组的所述光源。
上述设计方法中，在所述步骤X之后还包括计算所述光源模组数量的步骤。
上述设计方法中，在所述第③步之后还包括通过照度传感器测量所述光环境模拟装置在所述模拟平面区域内模拟的光环境照度值，从而验证所述光环境模拟装置各项参数的步骤④。
上述设计方法中，在所述第④步之前还包括选取照度传感器的步骤。
上述设计方法中，所述选取所述照度传感器的具体步骤如下：
A.通过单个所述光源模组的光通量、所述光源模组的数量、系统照明设计效率、反光膜反射率以及保护玻璃透过率计算所述模拟平面区域内的照度范围。
B.根据所述步骤A中计算的所述模拟平面区域内的照度范围，确定所述照度传感器的量程，并选取量程符合要求的所述照度传感器。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
㈠本发明的设计方法，包括以下步骤：①选择光源排布方式，利用若干光源模组依次排列组成圆形的内光源圈和外光源圈，内光源圈和外光源圈同心设置；内光源圈上的光源模组的光轴沿内光源圈的径向方向向外偏转，光源模组包括光源以及灯罩，灯罩为中空圆台形；②根据模拟平面区域面积计算外光源圈的直径；③由模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度高低，通过光环境模拟装置与模拟平面区域的距离、外光源圈的直径，获得内光源圈的直径、内光源圈上的光源模组的光轴偏转角度以及灯罩的尺寸。这样设计出的光源子系统，通过光源模组向外偏转，降低每个光源模组在模拟平面区域中心位置的照度，通过各个光源模组的二次配光使得该位置的照度与模拟平面区域的其他位置大致相同，避免了模拟平面区域中心位置照度过高，从而可以使得光环境模拟装置在模拟平面区域内模拟的光环境的光照均匀度较高；同时，本发明设计出的光源子系统采用内光源圈和外光源圈互相配合的形式保证模拟平面区域的照度均匀度，整个系统所需的光源模组数量与模拟平面区域的直径/边长成正比，与LED单芯片光源加灯罩的照明方式相比，本发明单个光源模组的光通量更高，所需的光源模组数量更少，制造和使用成本更低。
㈡本发明的设计方法，第③步的具体步骤如下：a.选取某一尺寸的灯罩，计算不同内光源圈直径、不同内光源圈上光源模组光轴偏转角度下，模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度，挑选出照度均匀度最高时，内光源圈的直径和内光源圈上光源模组的光轴偏转角度；b.改变灯罩的尺寸，重复步骤a，得到光源模组在不同尺寸时的最高照度均匀度以及相应的内光源圈的直径和内光源圈上光源模组的光轴偏转角度；c.在全部最高照度均匀度中选取照度均匀度最高时的一组参数作为内光源圈的直径、内光源圈上的光源模组的光轴偏转角度以及灯罩的尺寸。通过重复模拟的方法挑选出内光源圈的直径、内光源圈上的光源模组的光轴偏转角度以及灯罩的尺寸的最优化值，这种方法得到的设计参数，通过增加重复模拟的次数可以提升其在模拟平面区域内模拟出的光环境的照度均匀度，可适应实验研究对于照度均匀度的要求。
㈢本发明的设计方法，在第③步之后还包括通过照度传感器测量光环境模拟装置在模拟平面区域内模拟的光环境照度值，从而验证光环境模拟装置各项参数的步骤④。通过测量模拟光环境的照度值，保证了各项参数的准确性，从而确保了光环境模拟装置的使用精度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明设计的光环境模拟装置光源排布方式的示意图；
图2是图1中A-A’截面图。
图中附图标记表示为：1-电源模组，11-灯罩，2-内光源圈，3-外光源圈。
具体实施方式
一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法，用于设计一种在模拟平面区域内模拟光环境的光环境模拟装置的光源子系统，所述光环境模拟装置的光源子系统是一种新产品。所述设计方法包括以下步骤：
①选择光源排布方式，利用若干光源模组1依次排列组成圆形的内光源圈2和外光源圈3，所述内光源圈2和所述外光源圈3同心设置；所述内光源圈2上的所述光源模组1的光轴沿所述内光源圈2的径向方向向外偏转，所述光源模组1包括光源以及灯罩11，所述灯罩11为中空圆台形。
②选取所述光源模组1类型：选取寿命长、光衰小、二次配光能力强的大功率LED光源作为所述光源模组1的所述光源。
③计算所述光源模组1的数量
④根据所述模拟平面区域面积计算所述外光源圈3的直径。
⑤由所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度高低，通过所述光环境模拟装置与所述模拟平面区域的距离、所述外光源圈3的直径，获得所述内光源圈2的直径、所述内光源圈2上的所述光源模组1的光轴偏转角度以及所述灯罩11的尺寸。在本实施例中，所述外光源圈3的直径，获得所述内光源圈2的直径、所述内光源圈2上的所述光源模组1的光轴偏转角度以及所述灯罩11的尺寸是通过计算机软件进行模拟计算得到的。所述第⑤步的具体步骤如下：
a.选取某一尺寸的所述灯罩11，计算不同所述内光源圈2直径、不同所述内光源圈2上所述光源模组1光轴偏转角度下，所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度，挑选出照度均匀度最高时，所述内光源圈2的直径和所述内光源圈2上所述光源模组1的光轴偏转角度。
b.改变所述灯罩11的尺寸，重复步骤a，得到所述光源模组1在不同尺寸时的最高照度均匀度以及相应的所述内光源圈2的直径和所述内光源圈2上所述光源模组1的光轴偏转角度。
c.在全部最高照度均匀度中选取照度均匀度最高时的一组参数作为所述内光源圈2的直径、所述内光源圈2上的所述光源模组1的光轴偏转角度以及所述灯罩11的尺寸。
⑥选取照度传感器。所述第⑥步的具体步骤如下：
A.通过单个所述光源模组1的光通量、所述光源模组1的数量、系统照明设计效率、反光膜反射率以及保护玻璃透过率计算所述模拟平面区域内的照度范围。
B.根据所述步骤A中计算的所述模拟平面区域内的照度范围，确定所述照度传感器的量程，并选取量程符合要求的所述照度传感器。
⑦通过照度传感器测量所述光环境模拟装置在所述模拟平面区域内模拟的光环境照度值，从而验证所述光环境模拟装置各项参数。
由所述设计方法设计得到的光源子系统如图1-2所示。
所述光源子系统由若干光源模组1组成，每个所述光源模组1均可在通电的情况下发光并为所述模拟平面区域提供照明，所述光源模组1依次排列组成圆形的内光源圈2和外光源圈3，所述内光源圈2和所述外光源圈3同心设置。
所述光源模组1依次等间距排列。在本实施例中，所述内光源圈2和所述外光源圈3位于同一平面，且该平面平行于所述模拟平面区域，设置在所述内光源圈2上的所述光源模组1的数目为18个，设置在所述外光源圈3上的所述光源模组1的数目为48个。进一步地，所述内光源圈2分三段悬挂，所述外光源圈3分十二段悬挂。
所述光源模组1为LED光源模组，在本实施例中，所述LED光源模组由大功率LED光源、LED聚光罩、聚光罩盖和保护镜片组成。所述LED聚光罩为中空圆台形，圆台上底面内壁直径m为30mm，下底面内壁直径n为104mm，高h为80mm。进一步地，所述聚光罩内壁面上镀有反光膜，所述反光膜可耐温230℃以上，可见光波段反射率超过88％。
所述内光源圈2上的所述光源模组1的光轴沿所述内光源圈2的径向方向向外偏转，所述外光源圈3上的所述光源模组1的光轴垂直于所述模拟平面区域。在本实施例中，所述内光源圈2上的全部所述光源模组1的光轴沿所述内光源圈2的径向方向向外偏转角度相等。
在本实施例中，所述内光源圈2、所述外光源圈3与所述模拟平面区域之间的距离为3.3米～3.5米，所述内光源圈2的直径为0.95米～1.05米，所述外光源圈3的直径为4.4米～4.6米，所述内光源圈2上的所述光源模组1的偏转角度a为9.508°～10.508°。进一步地，所述内光源圈2、所述外光源圈3与所述模拟平面区域之间的距离为3.4米，所述内光源圈2的直径为1米，所述外光源圈3的直径为4.5米，所述内光源圈2上的所述光源模组1的偏转角度a为10.008°。此时所述模拟平面区域内模拟光环境各直径范围内照度均匀度数值见表1。
表1各直径范围内照度均匀度
可见所述光环境模拟装置在所述模拟平面区域内模拟的光环境在4m直径内均匀度可以达到0.915，4.7m直径内达到照度均匀度0.8以上(欧洲国家标准)，5.2m直径内达到照度均匀度0.7以上(国家标准)。
在其他实施例中，设置在所述内光源圈2上的所述光源模组1的数目还可以为14个、16个、20个等，设置在所述外光源圈3上的所述光源模组1的数目还可以为40个、44个、52个等。
在其他实施例中，所述光源模组1还可以选用白炽灯等其他光源。
在其他实施例中，所述内光源圈2、所述外光源圈3与所述模拟平面区域之间的距离还可以为3.3米、3.35米、3.45米、3.5米或其他数值，所述内光源圈2的直径还可以为0.95米、0.98米、1.02米、1.05米或其他数值，所述外光源圈3的直径还可以为4.4米、4.45米、4.55米、4.6米或其他数值。
在其他实施例中，所述内光源圈2上的所述光源模组1的偏转角度a还可以为9.508°、9.8°、10.2°、10.508°或其他数值。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种光环境模拟装置的光源子系统的设计方法，用于设计一种在模拟平面区域内模拟光环境的光环境模拟装置的光源子系统，其特征在于，包括以下步骤：
①选择光源排布方式，利用若干光源模组(1)依次排列组成圆形的内光源圈(2)和外光源圈(3)，所述内光源圈(2)和所述外光源圈(3)同心设置；所述内光源圈(2)上的所述光源模组(1)的光轴沿所述内光源圈(2)的径向方向向外偏转，所述光源模组(1)包括光源以及灯罩(11)，所述灯罩(11)为中空圆台形；
②根据所述模拟平面区域面积计算所述外光源圈(3)的直径；
③由所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度高低，通过所述光环境模拟装置与所述模拟平面区域的距离、所述外光源圈(3)的直径，获得所述内光源圈(2)的直径、所述内光源圈(2)上的所述光源模组(1)的光轴偏转角度以及所述灯罩(11)的尺寸；
其中所述第③步的具体步骤如下：
a.选取某一尺寸的所述灯罩(11)，计算不同所述内光源圈(2)直径、不同所述内光源圈(2)上所述光源模组(1)光轴偏转角度下，所述模拟平面区域内模拟的光环境的照度均匀度，挑选出照度均匀度最高时，所述内光源圈(2)的直径和所述内光源圈(2)上所述光源模组(1)的光轴偏转角度；
b.改变所述灯罩(11)的尺寸，重复步骤a，得到所述光源模组(1)在不同尺寸时的最高照度均匀度以及相应的所述内光源圈(2)的直径和所述内光源圈(2)上所述光源模组(1)的光轴偏转角度；
c.在全部最高照度均匀度中选取照度均匀度最高时的一组参数作为所述内光源圈(2)的直径、所述内光源圈(2)上的所述光源模组(1)的光轴偏转角度以及所述灯罩(11)的尺寸。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：在所述第①步之后还包括选取所述光源模组(1)类型的步骤X，在所述步骤X中，选取寿命长、光衰小、二次配光能力强的大功率LED光源作为所述光源模组(1)的所述光源。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：在所述步骤X之后还包括计算所述光源模组(1)数量的步骤。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：在所述第③步之后还包括通过照度传感器测量所述光环境模拟装置在所述模拟平面区域内模拟的光环境照度值，从而验证所述光环境模拟装置各项参数的步骤④。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：在所述第④步之前还包括选取照度传感器的步骤。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述选取所述照度传感器的具体步骤如下：
A.通过单个所述光源模组(1)的光通量、所述光源模组(1)的数量、系统照明设计效率、反光膜反射率以及保护玻璃透过率计算所述模拟平面区域内的照度范围；
B.根据所述步骤A中计算的所述模拟平面区域内的照度范围，确定所述照度传感器的量程，并选取量程符合要求的所述照度传感器。
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