CN104902622A - 一种实现路面照度与亮度双重均匀性的led光源系统设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，属于电子技术领域。该系统由光电探测系统、单片机控制系统、光学系统和LED路灯系统组成。通过光电探测系统探测光信号，经单片机控制系统、光学系统处理，最后LED路灯系统可以实现路面照度与亮度双重均匀。本发明目的在于实现道路照明双方向都有非均匀照度和亮度分布，满足保证夜间车辆行驶的安全性的要求，即照亮路面，让驾驶员看清路面避免交通事故，而且尽可能地让驾驶员观察舒适，缓解驾驶疲劳。

Description

一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计

技术领域

本发明涉及一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，具体涉及一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统结构设计和算法优化，本发明属于电子技术领域。

背景技术

路灯作为重要的城市和道路照明组成部分，对其的性能特点如亮度、照度、节能、寿命等要求越来越高。传统的路灯高压钠灯，由于其采用高压供电、光效低等缺点，逐渐被具有高效、安全、环保、寿命长、效应速度快、显色指数高等独特优点的LED(发光二极管)取代。大功率LED路灯的光源可采用低压直流供电，更加节约能源。

作为道路照明，LED路灯不仅要满足保证夜间车辆行驶的安全性的要求，即照亮路面，让驾驶员看清路面避免交通事故，而且尽可能地让驾驶员观察舒适，缓解驾驶疲劳。对于道路照明，路面照度是入射到路面单位面积的光通量，不受光线的入射角度、路面情况等的干扰，而亮度则是人眼感觉到的照明光经路面反射后进入人眼睛的光线，受到入射光线方向、强度、路面情况、里面材质以及观察角度的影响，即人眼观察到的只是路面的亮度而并非路面照度。只有当路面的反射特性接近均匀漫反射(朗伯型反射体)时，路面照度才会和亮度实现均匀。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。因此，LED路灯的照度和亮度必须达到双重均匀，才能真正实现最佳的道路照明。而不同的道路的平整性、道路宽度、道路两边的建筑物以及LED路灯安装高度等因素会直接影响了LED路灯的照度和亮度的均匀性分布。照度分布可以通过增加透镜等有效控制光线来实现。例如，在LED路灯设计中，增加形状为花生米型的透镜就可以获得照度比较均匀的矩形光斑，从而实现整个路面的均匀照度。而对于亮度均匀的实现，目前还没有很好的解决办法。

针对上述提出的实现路面照度与亮度双重均匀的要求，本发明基于里面反射特性，设计了一种能实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统，旨在解决道路照明双方向都有非均匀照度和亮度分布。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统，主要用于优化道路照明。

一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，其结构特征在于：由光电探测系统、单片机控制系统、光学系统和LED路灯系统组成。

所述的光电探测系统主要探测外界光信号，如月光、星光、车灯，将探测到的信号分别传输到单片机控制系统和光学系统。

所述的单片机控制系统一方面接收光强探测信号传输给光学系统，另一方面输出信号给LED路灯系统。

所述的光学系统将光强探测信号和单片机控制系统输出信号进行处理，最后输入到LED路灯系统。

所述的LED路灯系统接收光学系统的输出信号和单片机控制系统的输出信号，最后输出双重均匀的照度和亮度。

附图说明

图1为“斑马线”效应示意图

图2为路面光线传输示意图

图3为整个系统框图

图4为实现非对称光型照度亮度同时均匀的路灯透镜示意图

图5为对LED光源能量的横向划分示意图

图6为实现非对称光型照度亮度同时均匀的路灯透镜示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做详细说明。

一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，其结构特征在于：光电探测系统、单片机控制系统、光学系统和LED路灯系统。

如图1所示，“斑马线”效应反应出道路上的亮度均匀性的差别，这种差别的形成是因为实际路面是反射是镜面反射与漫反射的结合体，同时受路面的材质和路面情况的影响，路灯照射到路面的光通量小于散射进入观察者(驾驶员)的光通量。

如图2所示，路灯发出的光通量并不是直接入射到驾驶员的眼睛里，而是以一定的角度照射到地面，经地面反射后再以一定的角度入射到驾驶员的眼睛。因此，路面材质、路灯安装高度、车辆行驶距离路灯的宽度等都会影响到反射到驾驶员的光通量即驾驶员观察到的路面亮度。

如图3所示，本发明的系统设计包括光电探测系统、单片机控制系统、光学系统和LED路灯系统。综合考虑道路的平均亮度、亮度的均匀度、显色指数等，采用相应的方法求得合适的路面光分布，然后利用光学系统将LED路灯的光进行重新分配，获得目标光分布。

对于路面亮度和路面照度来说，计算公式为

L(x，y)＝f(x，y)q(x，y)           (1) 

其中，L(x，y)为某确定点(x，y)的路面亮度，f(x，y)为路灯在该点的照度，q(x，y)为该点路面的亮度系数。

q(x，y)＝ksinαcos²β          (2) 

其中，k为不同的路面材质对路面亮度系数的影响因子，α为驾驶员对路面上(x，y)点的观察角度，β为LED路灯向(x，y)点的照射角。

对于路面上的(x，y)点来说，其照度满足：

f(x，y)＝k₁₁wx²+k₁₂wx⁴+...+k_1nwx²ⁿ+k₂₁hx²+k₂₂hx⁴+...+k_2nhx²ⁿ+k₃₁dx²+k₃₂dx⁴+...+k_3ndx²ⁿ(3)

k₁₁+k₁₂+...+k_1n＝k₁         (4) 

k₂₁+k₂₂+...+k_2n＝k₂          (5) 

k₃₁+k₃₂+...+k_3n＝k₃             (6) 

k₁+k₂+k₃＝1           (7) 

式中，w为路面宽度，h为LED路灯的安装高度，d为LED路灯到路边的水平距离，k₁₁，k₁₂...k_1n为路面宽度w对(x，y)点处照度作用系数，k₂₁，k₂₂...k_2n为LED路灯的安装高度h对(x，y)点处照度作用系数，k₃₁，k₃₂...k_3n为LED路灯到路边的水平距离d对(x，y)点处照度作用系数，通过改变多项式系数n来调节照度分布。

为了满足路面的照度和亮度的同时均匀性，照度f(x，y)和亮度L(x，y)的方差和需达到最小值，对每一个y值可得到一个最小的方差和，即

$\mathrm{\δ}\left(y\right)=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}[k_4{(f(x,y)-\stackrel{\‾}{E})}^2+k_5{(L(x,y)-\stackrel{\‾}{L})}^2]\mathrm{dx}---\left(8\right)$

其中，k₄，k₅分别为照度和亮度均匀度对方差和的权重，为路面的平均照度，为路面的平均亮度，s为两个LED路灯之间的距离。

为了使δ(y)值最小，对(8)式中的k_1j、k_2j、k_3j(1≤j≤n)分别求偏导，令偏导值为0，得方程：

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{\∂k_{1j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{\∂k_{1j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{\∂k_{1j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(9\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{\∂k_{2j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{\∂k_{2j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{\∂k_{2j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(10\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{\∂k_{3j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{\∂k_{3j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{\∂k_{3j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(11\right)$

对3个方程分别求解，分别得到以k₁₁～k_1n，k₂₁～k_2n，k₃₁～k_3n为未知数的3个方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{11}+a_{12}{k}_{12}+......a_{1n}{k}_{1n}=b_1\\ a_{21}{k}_{11}+a_{22}{k}_{12}+......a_{2n}{k}_{1n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{11}+a_{n2}{k}_{12}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{1n}=b_n\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{21}+a_{12}{k}_{22}+......a_{1n}{k}_{2n}=b_1\\ a_{21}{k}_{21}+a_{22}{k}_{22}+......a_{2n}{k}_{2n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{21}+a_{n2}{k}_{22}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{2n}=b_n\end{array}\right.---\left(13\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{21}+a_{12}{k}_{22}+......a_{1n}{k}_{2n}=b_1\\ a_{21}{k}_{21}+a_{22}{k}_{22}+......a_{2n}{k}_{2n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{21}+a_{n2}{k}_{22}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{2n}=b_n\end{array}\right.---\left(14\right)$

对方程组(12)、(13)、(14)进行矩阵运算可以得到对应不同y的k₁₁～k_1n，k₂₁～k_2n，k₃₁～k_3n，根据(3)式可以得到单盏LED路灯在道路上的照度分布，利用亮度与照度之间的关系式进而可以得到不同驾驶员位置观察到的路面亮度。根据照度分布，即可计算得到理论的路面照度与亮度情况。

将本算法运用在结合传统分离变量法和最小能量块迭代法处理的路灯透镜设计中，可以有效解决单纯采用分离变量法无法实现的道路纵向和横向照度不均匀的问题。

如图4(a)所示，沿着θ方向将LED光源采用分离变量法进行划分，光源的能量被分成许多个能量条，每个能量条的光通量如下：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}{I}_0}{2}[\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{d\θ})-\sin \mathrm{\θ}]---\left(15\right)$

用最小能量块迭代法对接收面的长度方向进行能量划分，在长度方向上以足够小的间隙d_min将接收面分成许多个细条，然后将光通量依次叠加，总光通量值达到光源对应的能量条的光通量时停止叠加，则叠加的起始和终止长条即为光源对应的能量条的边界。

如图4(b)所示，每个能量条的宽度和路面的照度分布一一相关。

如图5所示，继续对LED光源的能量条进行划分，沿着α方向将每个能量条划分成许多个能量块。每个能量块的光通量为：

$\mathrm{\φ}=\frac{I_0}{2}[\sin ((\mathrm{\θ}+\mathrm{d\θ})-\sin \mathrm{\θ}]\·[\mathrm{d\α}+\frac{\sin 2(\mathrm{\α}+\mathrm{d\α})-\sin 2\mathrm{\α}}{2}]---\left(16\right)$

如图5(b)所示，用最小能量块迭代法对接收面的宽度方向进行能量划分，由于道路照度分布的不均匀性，不同能量条在宽度方向上的划分存在差异。

如图6，透镜形状为类花生形，在宽度方向上透镜不对称，是为了实现道路照明横向和纵向不均匀。

Claims (6)

1.一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，包括光电探测系统、单片机控制系统、光学系统和LED路灯系统组成，其特征在于：

所述的光电探测系统主要探测外界光信号，如月光、星光、车灯，将探测到的信号分别传输到单片机控制系统和光学系统。

所述的单片机控制系统一方面接收光强探测信号传输给光学系统，另一方面输出信号给LED路灯系统。

所述的光学系统将光强探测信号和单片机控制系统输出信号进行处理，最后输入到LED路灯系统。

所述的LED路灯系统接收光学系统的输出信号和单片机控制系统的输出信号，最后输出双重均匀的照度和亮度。

2.根据权利要求1所述的一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，其特征在于综合LED路灯到路边距离、路面宽度、LED路灯安装高度因素，采用相应的算法求得合适路面光分布，然后利用光学系统将LED路灯的光进行重新分配，获得目标光分布。

3.根据权利要求1所述的一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，路面亮度和照度之间的关系式为：

L(x，y)＝f(x，y)q(x，y)   (1)

L(x，y)为某确定点(x，y)的路面亮度，f(x，y)为路灯在该点的照度，q(x，y)为该点路面的亮度系数；

q(x，y)＝ksinαcos²β   (2)

其中，k为不同的路面材质对路面亮度系数的影响因子，α为驾驶员对路面上(x，y)点的观察角度，β为LED路灯向(x，y)点的照射角；

对于路面上的(x，y)点来说，其照度满足：

f(x，_y)＝k₁₁wx²+k₁₂wx⁴+...+k_1nwx²ⁿ+k₂₁hx²+k₂₂hx⁴+...+k_2nhx²ⁿ+k₃₁dx²+k₃₂dx⁴+...+k_3ndx²ⁿ

                                                   (3)

k₁₁+k₁₂+...+k_1n＝k₁   (4)

k₂₁+k₂₂+...+k_2n＝k₂   (5)

k₃₁+k₃₂+...+k_3n＝k₃   (6)

k₁+k₂+k₃＝1   (7)

式中，w为路面宽度，h为LED路灯的安装高度，d为LED路灯到路边的水平距离，k₁₁，k₁₂，..k_1n为路面宽度w对(x，y)点处照度作用系数，k₂₁，k₂₂...kk_2n为LED路灯的安装高度h对(x，y)点处照度作用系数，k₃₁，k₃₂...k_3n为LED路灯到路边的水平距离d对(x，y)点处照度作用系数，通过改变多项式系数n来调节照度分布。

为了满足路面的照度和亮度的同时均匀性，照度f(x，y)和亮度L(x，y)的方差和需达到最小值，对每一个y值可得到一个最小的方差和，即

$\mathrm{\δ}\left(y\right)=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}[k_4{(f(x,y)-\stackrel{\‾}{E})}^2+k_5{(L(x,y)-\stackrel{\‾}{L})}^2]\mathrm{dx}---\left(8\right)$

其中，k₄，k₅分别为照度和亮度均匀度对方差和的权重，为路面的平均照度，为路面的平均亮度，s为两个LED路灯之间的距离。

为了使δ(y)值最小，对(8)式中的k_1j、k_2j、k_3j(1≤j≤n)分别求偏导，令偏导值为0，得方程：

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{{\∂k}_{1j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{{\∂k}_{1j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{{\∂k}_{1j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(9\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{{\∂k}_{2j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{{\∂k}_{2j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{{\∂k}_{2j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(10\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}\left(y\right)}{{\∂k}_{3j}}=\underset{0}{\overset{s}{\∫}}\{k_4\frac{\∂{[f(x,y)-\stackrel{\‾}{E}]}^2}{{\∂k}_{3j}}+k_5\frac{\∂[L(x,y)-\stackrel{\‾}{L}]}{{\∂k}_{3j}}\}\mathrm{dx}=0,(j=1~n)---\left(11\right)$

对3个方程分别求解，分别得到以k₁₁～k_1n，k₂₁～k_2n，k₃₁～k_3n为未知数的3个方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{11}+a_{12}{k}_{12}+......a_{1n}{k}_{1n}=b_1\\ a_{21}{k}_{11}+a_{22}{k}_{12}+......a_{2n}{k}_{1n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{11}+a_{n2}{k}_{12}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{1n}=b_n\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{11}+a_{12}{k}_{12}+......a_{1n}{k}_{1n}=b_1\\ a_{21}{k}_{11}+a_{22}{k}_{12}+......a_{2n}{k}_{1n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{11}+a_{n2}{k}_{12}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{1n}=b_n\end{array}\right.---\left(13\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{11}{k}_{11}+a_{12}{k}_{12}+......a_{1n}{k}_{1n}=b_1\\ a_{21}{k}_{11}+a_{22}{k}_{12}+......a_{2n}{k}_{1n}=b_2\\ ......\\ a_{n1}{k}_{11}+a_{n2}{k}_{12}+......a_{\mathrm{nn}}{k}_{1n}=b_n\end{array}\right.---\left(14\right)$

对方程组(12)、(13)、(14)进行矩阵运算可以得到对应不同y的k₁₁k_1n，k₂₁k_2n，k₃₁k_3n，根据(3)式可以得到单盏LED路灯在道路上的照度分布，利用亮度与照度之间的关系式进而可以得到不同驾驶员位置观察到的路面亮度。根据照度分布，即可计算得到理论的路面照度与亮度情况。

4.根据权利要求1所述的一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，将本算法运用在结合传统分离变量法和最小能量块迭代法处理的路灯透镜设计中，可以有效解决单纯采用分离变量法无法实现的道路纵向和横向照度不均匀的问题。

5.根据权利要求1所述的一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，用最小能量迭代法对接收面的长度、宽度方向进行能量划分，然后将光通量依次叠加，实现道路照度分布的不均匀性。

6.根据权利要求1所述的一种实现路面照度与亮度双重均匀性的LED光源系统设计，设计的透镜形状为花生形，在宽度方向上透镜不对称，实现道路照明横向和纵向的不均匀。