CN103486538A - 一种面向led扩展光源的道路配光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED照明技术，具体涉及一种面向LED扩展光源的道路配光方法，根据非成像光学理论，建立LED光源与目标照明面之间的能量拓扑关系，采用合适的反馈优化设计方法，获得面向扩展光源且在目标照明面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器，经光学仿真后，光源的能量基本上被限制在一定的矩形区域内，且实现了非对称的配光，横向照度均匀度达到了85%，纵向照度均匀度达到了80%，满足道路照明要求。

Description

一种面向LED扩展光源的道路配光方法

技术领域

本发明涉及LED照明技术，具体涉及一种面向LED扩展光源的道路配光方法。

背景技术

LED路灯的配光方案分为透镜和反射器两类。采用透镜配光虽然可以在路面上产生均匀矩形光斑的效果，但是考虑到透镜有两个透光面和一定的厚度，对于其中任意一个曲面，若曲面设计或制作过程中稍有偏差，或透镜中夹有杂质，对光线的折射和能量分布会产生很大的影响，且在实际应用中透镜对光线有较高的吸收率而造成能量损失，不利于节能，而用反射器作为二次配光结构，理论上只需要一个反射面即可，容易加工且能量损失少，也能在路面上形成均匀的矩形照明区域。现有的反射器一般采用圆弧面的反射装置，它利用LED光源的发光特性建立偏微分方程，利用数值求解法拟合出反射器自由曲面，但他们所实现的是对称矩形配光，并不宜用在路面宽度较大的道路上，目标照明区域较小，而且照射的均匀度不够。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种面向LED扩展光源的道路配光方法，采用非对称矩形配光，保证了光源能够照亮路面上的所有目标照明面。

一种面向LED扩展光源的道路配光方法，包括以下步骤：

（1）、以LED光源为坐标原点O，建立三维坐标系，包括X轴、Y轴和Z轴，X轴和Y轴所在平面与矩形的目标照明面平行，X轴与目标照明面的长边平行，Y轴与目标照明面的短边平行，且原点距离目标照明面的两条短边的距离相等；LED光源与目标照明面的距离为H；目标照明面的长边长度为a，短边长度为b，LED光源在目标照明面的投影点距离两条长边的长度分别为c、d，满足c+d=b；设光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角为θ，光线与Z轴的夹角为

（2）、采用辐射线划分方式将第一象的目标照明面限按照等面积要求划分成M×N个网格，具体划分步骤为：

（21）、将第一象限的目标照明面划分成面积相等的M份，且这M个子区域无交集，即先连接第一象限的目标照明面坐标原点所在的对角线；依次计算该对角线上的M个点的坐标，第M个点的坐标为

计算M个点的坐标的公式如下：

$e1,\left\{\begin{array}{c}x\left(1\right)\·y\left(1\right)=S/M\\ x\left(i\right)\·y\left(i\right)-x(i-1)\·y(i-1)=S/M\\ S=\frac{\mathrm{ac}}{2}\\ \frac{y\left(i\right)}{x\left(i\right)}=\frac{2c}{a}\end{array}\right.,$

x(i)和y(i)分别为第i个点的X坐标和Y坐标，S是第一象限的目标照明区域的面积，M是自然数，2≤i≤M；根据方程组e1可以求出x(i)和y(i)；

（22）、将步骤（21）的M个区域用辐射线分成N份面积相等的区域，其中，N个三角形区域，M×（N-1）个梯形小区域；根据梯形的面积公式求出辐射线与步骤（21）中的M个区域边界的交点坐标，共M×N个点；

（3）、求出反射光线的方向矢量，即计算反射光线所对应的θ角和

角，设定点光源的中心光强为I₀，总的光通量Φ₀=πI₀，路面的平均照度E_a为

E_a=Φ₀/ab=πI₀/ab   （e2）步骤（22）中每一个三角形区域的直射能量E_z(j)，

其中，j为1到N之间的正整数，直射光线对应的θ角和

角可根据步骤（2）求出；反射能量与直射能量的总和为总的光通量Φ₀=πI₀，进而求出N条反射光线对应的θ角和角；将梯形小区域当做矩形小区域，进而求出M×N条反射光线对应的θ角和

角；

（4）、计算M×N条反射光线对应的M×N个离散点的三维坐标X轴坐标S_x(i,j)，Y轴坐标S_y(i,j)，Z轴坐标S_z(i,j)，i为小于等于M的正整数，j为1到N之间的正整数；

（41）、根据步骤（3）的M×N条反射光线对应的θ角和

角求出M×N个离散点的法向量N_x(i,j)、N_y(i,j)、N_z(i,j)；

（42）、计算M×N个离散点的三维坐标，具体计算公式为：

S_y(i,j+1)=S_x(i,j+1)·tanθ(i,j+1)   （e5）

（5）、根据步骤（2）至步骤（4）相同的原理求出第四象限的离散点的三维坐标；

（6）、将所有离散点的坐标导入建模软件中，形成相应的反射器曲面。

其中，所述道路配光方法还包括以下步骤：

（7）、反馈优化反射器曲面，具体包括：

辐射线与垂直边界线之间区域对应的角度为Δθ，满足Δθ′(i,j)=K₁·Δθ(i,j)，Δθ′(i,j)为反馈优化时所设定的反射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角θ的积分范围，K₁为优化系数；

辐射线与水平边界线之间区域对应的角度为

满足

为反馈优化时所设定的反射光线与Z轴的夹角

的积分范围，K₂为优化系数；

先保持K₁或K₂不变，再根据照度分布的变化趋势不断调整K₂或K₁的值，使得横向照度均匀度大于85%，纵向照度均匀度大于80%。

本发明的有益效果是：本发明的面向LED扩展光源的道理配光方法根据非成像光学理论，建立LED光源与目标照明面之间的能量拓扑关系，获得面向扩展光源且在目标照明面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器，经光学仿真后，光源的能量基本上被限制在一定的矩形区域内，且实现了非对称的配光，横向照度均匀度达到了85%，纵向照度均匀度达到了80%，满足道路照明要求。

附图说明

图1为LED光源的三维坐标图。

图2为目标照明面的网格辐射划分示意图。

图3是光线的角度分布图。

图4是LED光源的仿真结果图。

图5是优化前的照度图。

图6是反射器的实体模型的结构示意图。

图7是优化后的模拟结构图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参见图1至图7，反射器的设计涉及两部分的能量分配，一部分为直接从灯具射出的能量,称之为直射能量，另一部分是被反射器反射出灯具的能量，称之为反射能量，直接出射的那部分光照射到目标照明面上形成初始的矩形照明区域，反射器的作用就是反射其余的能量到这个初始的矩形照明区域内，使两部分能量叠加后形成均匀的照明区域。

一种面向LED扩展光源的道路配光方法，包括以下步骤：

（1）、如图1所示，以LED光源为坐标原点O，建立三维坐标系，包括X轴、Y轴和Z轴，X轴和Y轴所在平面与矩形的目标照明面平行，X轴与目标照明面的长边平行，Y轴与目标照明面的短边平行，且原点距离目标照明面的两条短边的距离相等；LED光源与目标照明面的距离为H；目标照明面的长边长度为a，短边长度为b，LED光源在目标照明面的投影点距离两条长边的长度分别为c、d，满足c+d=b；设光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角为θ，光线与Z轴的夹角为

（2）、如图2所示，采用辐射线划分方式将第一象的目标照明面限按照等面积要求划分成M×N个网格，具体划分步骤为：

（21）、将第一象限的目标照明面划分成面积相等的M份，且这M个子区域无交集，即先连接第一象限的目标照明面坐标原点所在的对角线；依次计算该对角线上的M个点的坐标，第M个点的坐标为

计算M个点的坐标的公式如下：

$e1,\left\{\begin{array}{c}x\left(1\right)\·y\left(1\right)=S/M\\ x\left(i\right)\·y\left(i\right)-x(i-1)\·y(i-1)=S/M\\ S=\frac{\mathrm{ac}}{2}\\ \frac{y\left(i\right)}{x\left(i\right)}=\frac{2c}{a}\end{array}\right.,$

x(i)和y(i)分别为第i个点的X坐标和Y坐标，S是第一象限的目标照明区域的面积，M是自然数，2≤i≤M；根据方程组e1可以求出x(i)和y(i)；

为了达到均匀照明的要求，需要将目标照明面按照等面积要求划分成若干个网格，常见的划分方式有两种，一种是平行线划分方式，另一种则是辐射线划分方式，在本发明中采用辐射线的划分方式，同时考虑整个目标照明面是关于Y轴对称的情况,故只需考虑位于X正半轴的目标照明面。因此首先考虑第一象限的目标照明面的划分。

（22）、将步骤（21）的M个区域用辐射线分成N份面积相等的区域，其中，N个三角形区域，M×（N-1）个梯形小区域；根据梯形的面积公式求出辐射线与步骤（21）中的M个区域边界的交点坐标，共M×N个点；即图2中直折线与辐射线的交点坐标。

图3中的上半部分，虚线表示直射光线，实线表示反射光线，图3中的阴影部分从左到右分别表示直射能量和反射能量，按照能量补偿的要求，这两部分能量一起叠加照射到图2中的目标照明面的阴影区域，从而使得该区域的照度达到一致。（3）、求出反射光线的方向矢量，即计算反射光线所对应的θ角和

角，设定点光源的中心光强为I₀，总的光通量Φ₀=πI₀，路面的平均照度E_a为

E_a=Φ₀/ab=πI₀/ab   （e2）

步骤（22）中每一个三角形区域的直射能量E_z(j)，可当做圆弧来积分求得，

其中，j为1到N之间的正整数，直射光线对应的θ角和

角可根据步骤（2）求出；反射能量与直射能量的总和为总的光通量Φ₀=πI₀，进而求出N条反射光线对应的θ角和角；同理，梯形小区域可近似为矩形小区域，将梯形小区域当做矩形小区域，进而求出M×N条反射光线对应的θ角和

角；进一步计算出入射光线（对反射器而言，此时的反射光线是入射光线）的方向矢量。初始出射光线的方向矢量由初始坐标点计算得出，而该点的法线矢量可依据反射定律的矢量形式求出。

（4）、计算M×N条反射光线对应的M×N个离散点的三维坐标X轴坐标S_x(i,j)，Y轴坐标S_y(i,j)，Z轴坐标S_z(i,j)，i为小于等于M的正整数，j为1到N之间的正整数；

（41）、根据步骤（3）的M×N条反射光线对应的θ角和

角求出M×N个离散点的法向量N_x(i,j)、N_y(i,j)、N_z(i,j)；

（42）、计算M×N个离散点的三维坐标，具体计算公式为：

S_y(i,j+1)=S_x(i,j+1)·tanθ(i,j+1)   （e5）

公式（e4）（e5）（e6）满足纵向迭代的原则。

（5）、根据步骤（2）至步骤（4）相同的原理求出第四象限的离散点的三维坐标；此时的反射光线所对应的θ角的范围从π～3π/2到π/2～π，

角的范围因边界条件的变化而变化，也可以得到一系列离散点。

（6）、将所有离散点的坐标导入建模软件中，形成相应的反射器曲面。保存为实体后导入TracePro软件中进行光学仿真，在本实例中，LED光源到目标照明面的距离H取10m，长a取20m，宽b取12m，c为8m，d为4m，仿真结果见图4，表明目标照明面内的均匀性良好。

本发明的实施例采用CITIZEN公司CLL020系列的COB光源，其尺寸约为13.5*13.5mm，图5表示将此COB光源近似为一个理想的点光源后所计算得到反射器的照度模拟结果，从中可知两点：辐射线与水平边界线之间区域的照度大于辐射线与垂直边界线之间区域的照度；在水平边界线的附近区域，沿着辐射线方向上的照度明显大于其他区域的照度，整体均匀度偏低，未达到设计要求，其原因是水平边界线附近区域的反射能量偏大，中间区域的反射能量过少。目标照明面上照度分布与光通量及照明面积的关系为E(x,y)=Φ(x,y)/S(x,y)，要改变照度E(x,y)有两种方式，一种是改变Φ(x,y)，另一种是改变S(x,y)。本实施例采用改变Φ(x,y)的方式，即不改变路面网格划分的情况下，通过调整光源发出的反射光线，改变反射光线对应的θ角和

角，进而使目标照明面上的照度重新分布以达到预期要求。由光源空间与目标照明面网格的对应关系可知，每条辐射线对应相同的θ角，因此对θ角进行适当的重新划分可解决辐射线与水平边界线之间区域的照度大于辐射线与垂直边界线之间区域的照度这一问题，依据公式(e3)，可知Φ(x,y)和θ角及

角之间的关系，表明辐射线与水平边界线之间区域所对应的反射光线间的Δθ偏大，需要减小此区域对应的Δθ，增大辐射线与垂直边界线之间区域对应的Δθ，进而改变两者之间的光通量分配比例。即反馈优化反射器曲面。

其中，所述道路配光方法还包括以下步骤：

（7）、反馈优化反射器曲面，具体包括：

辐射线与垂直边界线之间区域对应的角度为Δθ，在前一个区域中，令Δθ′(i,j)=K₁·Δθ(i,j)，Δθ′(i,j)为反馈优化时所设定的反射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角θ的积分范围，K₁为优化系数，这里K₁<1，反之若该区域的照度值偏小，则K₁>1。

同理可知，对

角进行适当的重新划分可解决在水平边界线的附近区域，沿着辐射线方向上的照度明显大于其他区域的照度这一问题,

角度的优化与θ角度的优化方法类似。

辐射线与水平边界线之间区域对应的角度为

满足为反馈优化时所设定的反射光线与Z轴的夹角

的积分范围，K₂为优化系数；

先保持K₁或K₂不变，再根据照度分布的变化趋势不断调整K₂或K₁的值，具体为：先代入初始的K₁和K₂值，观察所生成的照度分布图，按照单因子变量的原则，先保持其中一个值不变，查看各区域的照度变化，再调整另一个值，多次之后，取得均匀照明所需的最佳K₁和K₂值，即完成反馈优化，K₁和K₂的初始取值根据具体的偏差程度来定，本实施例可以取0.9或0.8；优化后实体模型结构示意图如图6所示，高度为30mm，底部和开口呈矩形，底部矩形的长度为45mm，宽度为15mm，开口矩形的长为65.15mm，宽为36.63mm。图7为仿真结果。

本发明的面向LED扩展光源的道理配光方法根据非成像光学理论，建立LED光源与目标照明面之间的能量拓扑关系，采用合适的反馈优化设计方法，获得面向扩展光源且在目标照明面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器，经光学仿真后，光源的能量基本上被限制在20m×12m的矩形区域内，且实现了非对称的配光，横向照度均匀度达到了85%，纵向照度均匀度达到了80%，满足道路照明要求。反射面型的配光结构可避免透镜的加工成本高及对能量吸收率高等缺点，且相比对称的矩形配光结构，这种非对称矩形配光结构在宽度较大的道路极具优势。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种面向LED扩展光源的道路配光方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、以LED光源为坐标原点O，建立三维坐标系，包括X轴、Y轴和Z轴，X轴和Y轴所在平面与矩形的目标照明面平行，X轴与目标照明面的长边平行，Y轴与目标照明面的短边平行，且原点距离目标照明面的两条短边的距离相等；LED光源与目标照明面的距离为H；目标照明面的长边长度为a，短边长度为b，LED光源在目标照明面的投影点距离两条长边的长度分别为c、d，满足c+d=b；设光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角为θ，光线与Z轴的夹角为

（2）、采用辐射线划分方式将第一象的目标照明面限按照等面积要求划分成M×N个网格，具体划分步骤为：

（21）、将第一象限的目标照明面划分成面积相等的M份，且这M个子区域无交集，即先连接第一象限的目标照明面坐标原点所在的对角线；依次计算该对角线上的M个点的坐标，第M个点的坐标为

计算M个点的坐标的公式如下：

$e1,\left\{\begin{array}{c}x\left(1\right)\&CenterDot;y\left(1\right)=S/M\\ x\left(i\right)\&CenterDot;y\left(i\right)-x(i-1)\&CenterDot;y(i-1)=S/M\\ S=\frac{\mathrm{ac}}{2}\\ \frac{y\left(i\right)}{x\left(i\right)}=\frac{2c}{a}\end{array}\right.,$

x(i)和y(i)分别为第i个点的X坐标和Y坐标，S是第一象限的目标照明区域的面积，M是自然数，2≤i≤M；根据方程组e1可以求出x(i)和y(i)；

（22）、将步骤（21）的M个区域用辐射线分成N份面积相等的区域，其中，N个三角形区域，M×（N-1）个梯形小区域；根据梯形的面积公式求出辐射线与步骤（21）中的M个区域边界的交点坐标，共M×N个点；

（3）、求出反射光线的方向矢量，即计算反射光线所对应的θ角和角，设定点光源的中心光强为I₀，总的光通量Φ₀=πI₀，路面的平均照度E_a为

E_a=Φ₀/ab=πI₀/ab   （e2）

步骤（22）中每一个三角形区域的直射能量E_z(j)，

其中，j为1到N之间的正整数，直射光线对应的θ角和角可根据步骤（2）求出；反射能量与直射能量的总和为总的光通量Φ₀=πI₀，进而求出N条反射光线对应的θ角和角；将梯形小区域当做矩形小区域，进而求出M×N条反射光线对应的θ角和角；

（4）、计算M×N条反射光线对应的M×N个离散点的三维坐标X轴坐标S_x(i,j)，Y轴坐标S_y(i,j)，Z轴坐标S_z(i,j)，i为小于等于M的正整数，j为1到N之间的正整数；

（41）、根据步骤（3）的M×N条反射光线对应的θ角和

角求出M×N个离散点的法向量N_x(i,j)、N_y(i,j)、N_z(i,j)；

（42）、计算M×N个离散点的三维坐标，具体计算公式为：

S_y(i,j+1)=S_x(i,j+1)·tanθ(i,j+1)   （e5）

（5）、根据步骤（2）至步骤（4）相同的原理求出第四象限的离散点的三维坐标；

（6）、将所有离散点的坐标导入建模软件中，形成相应的反射器曲面。

2.根据权利要求1所述的一种面向LED扩展光源的道路配光方法，其特征在于，所述道路配光方法还包括以下步骤：

（7）、反馈优化反射器曲面，具体包括：

辐射线与垂直边界线之间区域对应的角度为Δθ，满足Δθ′(i,j)=K₁·Δθ(i,j)，Δθ′(i,j)为反馈优化时所设定的反射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角θ的积分范围，K₁为优化系数；

辐射线与水平边界线之间区域对应的角度为

满足

为反馈优化时所设定的反射光线与Z轴的夹角

的积分范围，K₂为优化系数；

先保持K₁或K₂不变，再根据照度分布的变化趋势不断调整K₂或K₁的值，使得横向照度均匀度大于85%，纵向照度均匀度大于80%。

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