CN114641108A - 一种平面照度的控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面照度的控制方法及其装置，包括如下步骤：1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为2组以上的环形光源组；2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度由内向外呈正弦平方和余弦平方交替分布或呈余弦平方和正弦平方交替分布；3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为

4)控制各环形光源组输出效率实现目标平面由内向外呈特定变化。本发明可使目标平面的照度均匀分布，有效实现对目标平面照度的定量布局，提升调控能力，同时还可实现目标平面照度形成平滑变化，提升用户体验度。

Description

一种平面照度的控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种间接照明的控制方法，具体涉及一种间接照明时对目标平面照明度的控制方法。

背景技术

间接照明是室内照明的一种类型，特征是光源发出的光线不直接投向被照射目标，而投向天花、墙壁、地板，再反射到室内空间。作为一种传统的照明方式，间接照明主要作为室内环境照明和装饰性要素使用。作为建筑化的间接照明系统，光源被建筑或室内装饰的结构部分遮挡，光只投向顶棚或叠级顶棚，借助其他装饰元素产生各种光影效果。同时通过顶棚和墙壁反射提供一定程度的环境照明(Ambient Lighting)，再配合各种功能性照明，可实现装饰性、舒适性、功能性兼备的完整室内照明；灯饰实现的间接照明，光源中90％及以上的光投向顶棚，借助灯饰的造型产生各种光影效果，并通过顶棚反射提供一定程度的室内环境照明(Ambient Lighting)。作为与直接照明相对的照明类型，间接照明通过至少一次的反射，能有效降低直接照明产生的眩光和阴影，营造柔和、具有空间感的室内照明环境。

芦佳宁等发表的《实现大范围均匀照明的LED透镜二次光学设计》(半导体光电，第33卷第3期，2012年6月，334-337)，公开了一款自由曲面透镜，结合LED朗伯体光源，可产生接近120°的最大光强夹角的配光曲线，在离开直径为10米的圆形目标平面的3米处产生照度均匀度为80％以上的光斑，用于直接照明。然而，这种配光对于离目标平面只有几十厘米的间接照明难以产生较大覆盖范围的光斑。

公开号为US2015/0285450A1的美国专利公开了一种间接照明的装置，通过反射器、透镜、棱镜及及光源，在设定所覆盖平面更高的照度均匀度(如均匀度为1)的目标下，以目标平面法线与到达该平面某一点的光强与法线的夹角余弦立方的反比{cos-2(θ)}以远端是近端25-400倍的强度加强。该专利的目标为较低离目标平面距离(d1)实现更大范围(d2)的均匀照度，其极端d2/d1为10的情况下，其远端与近端的光强比需要达到25-400是通过属于科学常理的三角函数cos-2(θ)的θ取值分别为78.5°和87°算得。此外，该专利给出了用于加强远端光强至25-400倍的透镜、棱镜配光的几个实施例，但由于所述光学构件需要光源在不同方向给出对应的光强，尤其是在高达87°的远端接近90°临界角的极端位置给出400倍的光强才能实现，但该专利缺乏这一关键点的技术方案，而这正是实现大范围高照度均匀度的关键，也是实现对覆盖平面进行照度布局和调控的基础。

发明内容

基于现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种具有较大一次反射面覆盖范围，具有对目标平面照度进行定量布局和调控能力照明控制方法及其相应的装置，其目的在于解决较大范围覆盖面时光照均匀度、目标平面照度实现平滑变化以及定量布局有效精准调控等问题。

本发明的目的之一在于提供一种平面照度的控制方法，包括如下步骤：

1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为2组以上的环形光源组；

2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度由内向外呈正弦平方和余弦平方交替分布或呈余弦平方和正弦平方交替分布；

3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为

其中，L为全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径，n为环形光源组数量，k为重叠系数，取值范围为45％-50％。

进一步的，所述正弦平方的垂直照度分布为

所述余弦平方的垂直照度分布为

其中E为垂直照度，d为光源组件投射点距离投影覆盖平面区中心的长度。

进一步的，所述光源组件投射点距离投影覆盖平面区中心的长度d满足：

当i为1时，

当2≤i＜n-1时，

当i为n-1或n时，

其中，i为由内向外顺序的第i组环形光源组。

进一步的，所述重叠系数优选为50％。

进一步的，还包括灯具的安装步骤，其中所述灯具在安装时光源组件距离投射平面的高度h与全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径L之间满足

进一步的，所述灯具在安装时光源组件距离投射平面的高度h为15-70cm。

进一步的，所述方法还包括对所述环形光源组中的至少一组进行单独控制的步骤。

进一步的，所述各环形光源组的光源组件具有相同额定参数。

进一步的，所述环形光源组为3组以上，所述方法还包括控制至少一组的环形光源组的最大照度相对值变化精准调控平面特定区域照度变化的步骤。

进一步的，所述环形光源组的数量为5组以上。

进一步的，所述各环形光源组的最大照度相对值满足e_i≤e_i+1或e_i≥e_i+1，其中e为最大照度相对值，i为由内向外顺序的第i组环形光源组，1≤i≤n-1，n为光源组总数。

进一步的，所述环形光源组为5组，所述各环形光源组对应的最大照度相对值为100：70-90：40-60：10-30：10-20。本发明的目的之二在于提供一种能调控平面照度的灯具装置，包括：光源组件，所述光源组件为环形，以灯具中心为圆心布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧。

进一步的，每个所述光源组中的光源元件为1个。

进一步的，每组所述光源组件中光源元件有多个且间距满足该组件照射形成均匀环带光。

进一步的，所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为10-15°垂直射出而设置。

进一步的，所述准直器反射腔的反射率为95％以上。

进一步的，所述光再定向器为自由曲面，透光率为95％以上。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明创造性地提出利用多光源组件分别在投影覆盖平面区域实现垂直照度成正余弦交替分布的方式，并对投影覆盖平面区域的照度分布形成45％-50％的重叠部分，有效防止整个投射区域出现异常光点(即异常亮点或暗点)，尤其是当重叠部分控制为50％时，在各光源组保持相同相率的条件下使目标平面的照度均匀分布，大幅提升用户体验度。

2、本发明创造性地提出利用多光源组件分别在投影覆盖平面区域实现垂直照度成正余弦交替分布的方式、各光源组的投影覆盖区域、各光源组的重叠区域等参数，可以有效实现对目标平面照度的定量布局，当各光源组输出效率整体呈现梯度时能够有效保证出射光线整体形成光滑地梯度变化，各最大照度点(即特征点)间不会出现异常光电(即异常亮点或暗点)，提升用户体验度。

3、本发明创造性地提出利用多光源组件正余弦布置，并控制重叠区域、各光源组的投射区域等参数，能够有实现各光源组的独立变化而使其他光源组对应的最大照度点(即特征点)仍然保持不变，有效提升控制精准化，提升用户体验。

4、本发明通过将重叠部分控制在45％-50％，由此可以在改变重叠部分比例的情况下使各光源组对应的最大照度点(即特征点)对于位置的偏移量控制在10％以内，理想特征点对应的光照强度最大偏差控制在12.5％以内，进而在调控独立光源组输出占比实现重叠区域照度分布不出现明显差异，以此实现调控独立光源组即可对目标平面特定区域照度分布进行精准控制。

附图说明

图1为本发明光源组件的结构示意图。

图2为本发明实施例1灯具装置照明投射示意图。

图3为本发明实施例1光源组件全效率启动时照度分布示意图。

图4为本发明实施例1光源组件效率第一方式变化启动时照度分布示意图。

图5为本发明实施例1光源组件效率第二方式变化启动时照度分布示意图。

图6为本发明实施例1光源组件效率第三方式变化启动时照度分布示意图。

图7为本发明实施例3光源组件效率第一方式变化启动时照度分布示意图。

图8为本发明实施例3光源组件效率第二方式变化启动时照度分布示意图。

图9为本发明对比例1光源组件效率第一方式变化启动时照度分布示意图。

图10为本发明对比例1光源组件效率第二方式变化启动时照度分布示意图。

其中，1为光源元件，2为准直器，3为光再定向器；①为第1光源组的投射区域，②为第2光源组的投射区域，③第3光源组的投射区域，④第4光源组的投射区域，⑤为第5光源组的投射区域。

具体实施方式

实施例1

一种灯具装置，包括：5组光源组件，所述光源组件以灯具中心为圆心环形布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧，每组所述光源组件中光源元件的间距满足该组件照射形成均匀环带光，所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为15°垂直射出而设置，所述准直器反射腔的反射率为95％，所述光再定向器为自由曲面，透光率为95％。

采用上述灯具控制平面照度的方法，包括如下步骤：1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为5组的环形光源组，吊装高度设置为0.4m；2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度为正、余弦平方交替分布；3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为50％，全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径为2m，此时，各光源组件的处置照度分布为：

区域①：E₁＝cos²(d×π),

区域②：E₂＝sin²(d×π),d∈[0,1]；

区域③：E₃＝cos²(d×π),

区域④：E₄＝sin²(d×π),d∈[1,2]；

区域⑤：E₅＝cos²(d×π),

以灯具中心为圆心O，投射覆盖平面区域各点与圆心O的连线与垂线的夹角θ，归一化后，各光源组件的强度分布为：

或约为

或约为

或约为

或约为

或约为

当各光源组件全效率100％的第一方式输出光源时，可实现目标平面的照度完全均匀，此时，在分别距离投射覆盖平面区域圆心O’点0、0.5、1、1.5、2米的5个点的相对照度值为10:10:10:10:10，如图3所示。

保持第1组环形光源组的输出效率不变，第2-5组环形光源组的输出效率按照80％、50％、30％、10％的第二方式输出光源时，目标平面对应上述5个点的相对照度值为10:8:5:3:1，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现，如图4所示。

保持第1组环形光源组的输出效率不变，第2-5组环形光源组的输出效率按照70％、70％、70％、50％的第三方式输出光源时，目标平面对应上述5个点的相对照度值为10:7:7:7:5，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现，如图5所示。

保持第1-2、5组环形光源组的输出效率不变，第3-4组环形光源组的输出效率按照70％、50％的第四方式输出光源时，目标平面对应上述5个点的相对照度值为10:10:7:5:10，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制。

保持第4-5组环形光源组的输出效率不变，第1-3组环形光源组的输出效率按照50％、70％、70％的第五方式输出光源时，目标平面对应上述5个点的相对照度值为5:7:7:10:10，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现。

实施例2

一种灯具装置，包括：7组光源组件，所述光源组件以灯具中心为圆心环形布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧，每组所述光源组件中光源元件的间距满足该组件照射形成均匀环带光，所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为15°垂直射出而设置，所述准直器反射腔的反射率为95％，所述光再定向器为自由曲面，透光率为95％。

采用上述灯具控制平面照度的方法，包括如下步骤：1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为7组的环形光源组，吊装高度设置为0.4m；2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度为正、余弦平方交替分布；3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为50％，全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径为2m，此时，各光源组件的处置照度分布为：

区域①：E₁＝cos²(d×π),

区域②：E₂＝sin²(d×π),

区域③：E₃＝cos²(d×π),

区域④：E₄＝sin²(d×π),

区域⑤：E₅＝cos²(d×π),

区域⑥：E₄＝sin²(d×π),

区域⑦：E₅＝cos²(d×π),

以灯具中心为圆心O，投射覆盖平面区域各点与圆心O的连线与垂线的夹角θ，归一化后，各光源组件的强度分布为：

或约为

或约为

或约为

或约为

或约为

或约为

或约为

当各光源组件全效率100％的第一方式输出光源时，可实现目标平面的照度完全均匀，此时，在分别距离投射覆盖平面区域圆心O’点0、

1、

2米的7个点的相对照度值为10:10:10:10:10:10:10。

保持第1组环形光源组的输出效率不变，第2-7组环形光源组的输出效率按照80％、70％、50％、40％、30％、10％的第二方式输出光源时，目标平面对应上述7个点的相对照度值为10:8:7:5:4:3:1，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现。

保持第1组环形光源组的输出效率不变，第2-7组环形光源组的输出效率按照70％、70％、70％、50％、50％、30％的第三方式输出光源时，目标平面对应上述7个点的相对照度值为10:7:7:7:7:5:5，为最大照度点(即特征点)，可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现。

实施例3

一种灯具装置，包括：5组光源组件，所述光源组件以灯具中心为圆心环形布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧，每组所述光源组件中光源元件的间距满足该组件照射形成均匀环带光，所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为15°垂直射出而设置，所述准直器反射腔的反射率为95％，所述光再定向器为自由曲面，透光率为95％。

采用上述灯具控制平面照度的方法，包括如下步骤：1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为5组的环形光源组，吊装高度设置为0.4m；2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度为正、余弦平方交替分布；3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为45％，全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径为2m，此时，各光源组件的处置照度分布为：

区域①：E₁＝cos²(d×π),

区域②：E₂＝sin²(d×π),

区域③：E₃＝cos²(d×π),

区域④：E₄＝sin²(d×π),

区域⑤：E₅＝cos²(d×π),

以灯具中心为圆心O，投射覆盖平面区域各点与圆心O的连线与垂线的夹角θ，归一化后，各光源组件的强度分布为：

当各光源组件全效率100％的第一方式输出光源时，经测定，相对照度达到10:10:10:10的最大照度点(即特征点)的位置为距离投射覆盖平面区域圆心O’点0、0.55、1.10、1.65米。可见，相对于同等条件下50％重叠度的设置而言，特征点的位置最大偏移量为10％，相对于各光源组对应的最大照度比的最大偏差为11％

保持第1组环形光源组的输出效率不变，第2-5组环形光源组的输出效率按照80％、50％、30％、10％的第二方式输出光源时，目标平面对应上述4个特征点及距离圆心2米位置点的相对照度值为10:8:5:3:1.2，为最大照度点(即特征点)，而距离圆心0、0.5、1、1.5、2米位置点(即理想特征点)的相对照度值为10:7.8:4.7:2.8:1.2，相对于各光源组对应的最大照度比的最大偏差为6.67％。可见，相对于同等条件下50％重叠度的设置而言，特征点的位置最大偏移量为10％，理想特征点的照度最大偏差控制在12.5％以内。可见，相对于第一方式而言，变化效率的光源组对未变化效率光源组对应的最大照度的位置并无影响，同时变化重叠度发生的最大位置偏移量仅为10％，即实现了精准控制；同时，整个投射区域整体表现出光滑变化的趋势，并无异常亮点或暗点出现。

对比例1

一种灯具装置，包括：5组光源组件，所述光源组件以灯具中心为圆心环形布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧，每组所述光源组件中光源元件的间距满足该组件照射形成均匀环带光，所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为15°垂直射出而设置，所述准直器反射腔的反射率为95％，所述光再定向器为自由曲面，透光率为95％。

采用上述灯具控制平面照度的方法，包括如下步骤：1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为5组的环形光源组，吊装高度设置为0.4m；2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度为正、余弦平方交替分布；3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为40％，全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径为2m，此时，各光源组件的处置照度分布为：

区域①：E₁＝cos²(d*π),

区域②：E₂＝sin²(d*π),

区域③：E₃＝cos²(d*π),

区域④：E₄＝sin²(d*π),

区域⑤：E₅＝cos²(d*π),

以灯具中心为圆心O，投射覆盖平面区域各点与圆心O的连线与垂线的夹角θ，归一化后，各光源组件的强度分布为：

或约为

或约为

或约为

或约为

或约为

当各光源组件独立输出时，对应投射覆盖平面区域的垂直照度仍成余弦平方或正弦平方分布，根据设计时控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为40％，相对于实施例1中以50％重叠的特征点为基准特征点，相对于实施例1在本实施例中特征点偏移到距离投射覆盖平面区域圆心O’点0、0.6、1.2、1.8米，偏移幅度最大为20％。虽然在各特征点的照度仍达到10:10:10:10，但相对于各光源组对应的最大照度比的最大偏差为已超过20％，如图9所示。实现效果相对于实施例1不理想。

当各光源组件效率以圆心O为基准由内而外按照100％、80％、50％、30％、10％的第一方式输出光源时，目标平面对应上述4个偏移特征点及目标平面远端端点的照度分别为10:8:5:3:2，如图7所示。虽然在特征点上仍能反映目标照度分布调控，但相对于各光源组对应的最大照度比的最大偏差已近20％，如图10所示。实现效果相对于实施例1不理想。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种精准调控平面照度的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将光源组件以灯具中心为圆心布置为2组以上的环形光源组；

2)控制环形光源组投射覆盖平面区域的垂直照度由内向外呈正弦平方和余弦平方交替分布或呈余弦平方和正弦平方交替分布；

3)控制环形光源组的投射覆盖平面区域满足相邻两组光源组投射覆盖平面局域的重叠距离为

其中，L为全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径，n为环形光源组数量，k为重叠系数，取值范围为45％-50％。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述环形光源组为3组以上，所述方法还包括控制至少一组的环形光源组的最大照度相对值变化精准调控平面特定区域照度变化的步骤。

3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述正弦平方的垂直照度分布为

所述余弦平方的垂直照度分布为

其中E为垂直照度，d为光源组件投射点距离投影覆盖平面区中心的长度。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述光源组件投射点距离投影覆盖平面区中心的长度d满足：

当i为1时，

当2≤i＜n-1时，

当i为n-1或n时，

其中，i为第i组环形光源组。

5.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述重叠系数为50％。

6.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：还包括灯具的安装步骤，其中所述灯具在安装时光源组件距离投射平面的高度h与全部环形光源组投射覆盖平面区域的半径L之间满足

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述灯具在安装时光源组件距离投射平面的高度h为15-70cm。

8.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述各环形光源组的最大照度相对值满足e_i≤e_i+1或e_i≥e_i+1，其中e为最大照度相对值，i为由内向外顺序的第i组环形光源组，1≤i≤n-1，n为光源组总数。

9.如权利要求2或8所述的控制方法，其特征在于：所述环形光源组为5组，所述各环形光源组对应的最大照度相对值为100：70-90：40-60：10-30：10-20。

10.一种执行如权利要求1-9任一项所述方法的灯具装置，其特征在于：包括2组以上的光源组件，所述光源组件为环形，以灯具中心为圆心布置于灯具上，所述光源组件包括光源元件、准直器、光再定向器，所述准直器位于光源元件灯光照射一侧，所述光再定向器位于所述准直器远离所述光源元件一侧。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于：每组所述光源组件中光源元件有多个且间距满足该组件照射形成均匀环带光。

12.如权利要求10或11所述的装置，其特征在于：所述准直器包括反射腔，所述反射腔以满足光源元件汇聚形成光束角为10-15°垂直射出而设置。

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