JP2012079537A

JP2012079537A - 照度分布算出プログラム

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Publication number: JP2012079537A
Application number: JP2010223446A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Yamamoto; 真義山本
Original assignee: Shimane University
Current assignee: Shimane University
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-19

Abstract

【課題】ＬＥＤ照明パネルのような点光源群を用いた場合の照度分布の計算を容易にするプログラムを提供すること。
【解決手段】所定の評価面上に分布した評価点群それぞれの位置において、点光源群から発せられる光の照度を算出する照度分布算出プログラムであって、コンピュータ２００を、ＬＥＤ素子１１１の光度ないし照度の配光特性を格納した配光特性格納部２０１、ＬＥＤ素子１１１の座標および評価点の座標を入力する座標入力部２０２、ＬＥＤ素子１１１から評価点までの距離を算出する距離算出部２０３、評価面の法線とＬＥＤ素子１１１の光軸とがなす角度を算出する角度算出部２０４、配光特性と距離と角度とに基づいて、評価点群の各位置における照度をＬＥＤ素子１１１それぞれについて算出して重ね合わせる照度算出部２０５、として機能させることを特徴とする照度分布算出プログラム。
【選択図】図７

Description

本発明は、照度分布算出プログラムに関し、特に、トンネル内におけるＬＥＤ照明パネルの設置場所の決定を簡便化する照度分布算出プログラムに関する。

近年、長寿命、省電力化を利点として、様々な場所で光源のＬＥＤ化が進んでいる。そして、光量を増やすためＬＥＤを平面あるいは曲面上に多数整然と植設したＬＥＤ照明パネルが製造され、特に、高速道路等のトンネル内では、従来用いられていたナトリウムランプ等に替えＬＥＤ照明パネルが置換されつつある。

ＬＥＤ照明パネルは、ＬＥＤが長寿命であるうえ、いくつかのＬＥＤ光源が点灯しなくなってもパネル全体を交換せずに済むので、交換やメンテナンス等による交通規制の回数も少なくなり、副次的に経済効果も高くなる。

従来のナトリウムランプ等の陰極管は球面や円筒等の立体的な構造であり、陰極管自体もある程度の大きさがあるため、指向性が小さく、複数の陰極官を用いた照明パネルとして構成しても斜め方向への光量も十分確保できる。このため、例えば、トンネル内に照明パネルを設置する場合であっても、路面上の照度の片寄りは少なく、簡便な設置が可能であった。

一方、ＬＥＤ光源は、陰極管のような大きさを有さず実質的に点光源となるうえ、個々の素子を半球面状の反射体で囲んだり、反射板を用いたりすることもあり指向性が高い。特に、光量を増すため、パネルとして陰極管とは比べものにならないほど多数のＬＥＤ光源を植設した場合には、指向性がより高くなり、従来の照明パネルと同様な配置としても同様の照度が担保されるか不明であり、また、ＬＥＤ照明パネルとしての配光特性も不明となり、照度の濃淡も生じる可能性もはらんでいる。特にトンネル内におけるＬＥＤ照明パネルの配置は道路照明施設設置基準も考慮せねばならず設計が容易でないという問題点があった。

特開２０１０−１５３３５７

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ＬＥＤ照明パネルのような点光源群を用いた場合の照度分布の計算を容易にするプログラムを提供することを目的とする。
特に、トンネル内における複数のＬＥＤ照明パネルの配置設計を簡便化するプログラムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の照度分布算出プログラムは、所定の評価面上に分布した評価点群それぞれの位置において、点光源群から発せられる光の照度を算出する照度分布算出プログラムであって、コンピュータを、点光源の光度ないし照度の配光特性を格納した配光特性格納手段、点光源の座標および評価点の座標を入力する座標入力手段、点光源から評価点までの距離を算出する距離算出手段、評価点における評価面の法線と点光源の光軸とがなす角度を算出する角度算出手段、点光源の配光特性と前記距離と前記角度とに基づいて、評価点群の各位置における照度を点光源それぞれについて算出して重ね合わせる照度算出手段、として機能させることを特徴とする。

すなわち、請求項１に係る発明は、ＬＥＤ照明パネルのような点光源群を用いた場合の照度分布の計算を容易にするプログラムを提供することができる。具体的には、形状や光源数に依存して全体としての配光特性を評価しにくい点光源群であっても、個々の点光源の配光特性等を重ね合わせることにより、簡便に評価面上の照度分布を算出することが可能となる。

請求項２に記載の照度分布算出プログラムは、請求項１に記載の照度分布算出プログラムにおいて、同規格のＬＥＤ光源が植設された照明パネルであって道路のトンネルに複数設置された照明パネルを点光源群とし、路面を評価面とし、コンピュータを、さらに、評価点からみて４番目に近い照明パネルまでのＬＥＤ光源に基づいて当該評価点における照度を算出する算出制御手段、として機能させることを特徴とする。

すなわち、請求項２に係る発明は、トンネル内における複数のＬＥＤ照明パネルの配置設計を簡便化することができる。４番目としたのは、照度は距離の二乗に反比例することを考慮して、実際のトンネルでは進行車線と対向車線の上空壁面に対象にＬＥＤ照明パネルが配置されることを加味したものである。

請求項３に記載の照度分布算出プログラムは、請求項２に記載の照度分布算出プログラムにおいて、コンピュータを、さらに、個々の照明パネルをひとまとまりとして点光源群をトンネル内壁の形状に従って移動させるパネル移動手段、として機能させることを特徴とする。

すなわち、請求項３に係る発明は、ＬＥＤ照明パネルを一基ごと移動して路面における簡便な照度評価を実現する。

請求項４に記載の照度分布算出プログラムは、請求項３に記載の照度分布算出プログラムにおいて、コンピュータを、さらに、評価点における最低照度を入力する最低照度入力手段、照度算出手段で算出された評価点の照度が最低照度を下回った場合に、パネル移動手段を制御して、当該評価点における照度が最低照度を超える照明パネルの座標の範囲を算出する座標範囲算出手段、として機能させることを特徴とする。

すなわち、請求項４に係る発明は、規格ないし仕様に沿って照明パネルの適正かつ簡便な配置設計が可能となる。

本発明によれば、ＬＥＤ照明パネルのような点光源群を用いた場合の照度分布の計算を容易にするプログラムを提供することが可能となる。
特に、トンネル内における複数のＬＥＤ照明パネルの配置設計を簡便化するプログラムを提供することが可能となる。

ＬＥＤ照明パネルの概略構成図である。ＬＥＤ光源の配光特性の測定概要図である。１個のＬＥＤ素子の配光特性の測定結果を示した図である。トンネル内におけるＬＥＤ照明ユニットの配置の様子を示したトンネル断面図（図左）および、車道進行方向を左右とした平面図（図右）である。ＬＥＤ照明ユニットを設置したトンネル内の道路面における照度の実測値を示した図である。シミュレーションにより得られた照度分布を示した図である。照度分布算出プログラムをインストールしたコンピュータの機能ブロック図である

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
ここでは、同一のＬＥＤ光源（ＬＥＤ素子）を平板に多数植設したＬＥＤ照明パネルを試作するとともに、そのうちの一つのＬＥＤ光源の配光特性を実測し、実際にトンネル内で路面上で測定した照度と、配光特性に基づいてシミュレーションソフト（照度分布算出プログラム）による照度との整合性を比較することとした。

図１は、ＬＥＤ照明パネルの概略構成図である。ＬＥＤ照明パネル１００は、縦２枚横３枚の計６枚のＬＥＤ単パネル１０１が平面基台上に並べられて構成され、各ＬＥＤ単パネル１０１は同一のＬＥＤ素子１１１が２４個植設されている。すなわち、ＬＥＤ照明パネル１００は、１４４個のＬＥＤ素子１１１が組み込まれた平面基調のパネルである。なお、用いたＬＥＤ素子１１１は、島根電子今福製作所製の３素子内蔵タイプのプロトタイプ品であり、ＬＥＤ単パネル１０１上に縦の間隔は４ｃｍ、横の間隔は２．７ｃｍとして碁盤目状に植設し、その光軸はＬＥＤ単パネル１０１の法線方向と同じ向きとしたものである。

次に、ＬＥＤ素子１１１の配光特性を測定した。測定に際してはＬＥＤ単パネル１０１上に植設した他の２３個のＬＥＤ素子１１１を被覆し、１個のＬＥＤ素子１１１の照度Ｅ［ｌｘ］を測定した。図２に測定の概要図を示した。ＬＥＤ素子１１１の直下３６．８ｃｍ離れた位置を原点として、横方向を５ｃｍ間隔で１ｍ先まで２１点、斜め４５°方向には、１ｍ×１ｍの範囲の対角線上を約７ｃｍ間隔の２１点として測定した。これは、ＬＥＤ素子１１１は点光源と見なせ、植設された平面の法線方向を軸に、点対称に光を発散することを考慮したものである。

測定した照度Ｅは式（１）により、光度Ｉ［ｃｄ］に変換できる。

なお、Ｌは、測定点までの距離、θはＬＥＤ素子１１１の光軸（ＬＥＤ単パネル１０１の法線方向）からみた測定点の方向である。

得られた結果をもとにして最小二乗法により光度近似式を求め、任意の方向における光度分布Ｉ（θ）を得ることができる。図３は、１個のＬＥＤ素子１１１の配光特性を示した図である。図中の実線は、ＬＥＤ素子１１１直下の３６．８ｃｍ離れた位置から測定した光度を原点とした各測定点における光度を示式をグラフ化したものである。

次に、得られた光度近似式Ｉ（θ）を用いて任意の評価点における照度を計算する方法を説明する。評価点におけるＬＥＤ照明パネル１００による照度は、各ＬＥＤ素子１１１からの評価点における照度を重ね合わせることによって得られると仮定する。なお、個々のＬＥＤ素子１１１からの照度は、式（１）に基づき光度から求めることができる。なお、光度と照度の関係は式（１）で互いに変換可能であるので、使用の態様によっては、照度から光度を算出するようにしてもよい。

照度計算は、まず、ＬＥＤ照明パネル１００またはＬＥＤ単パネル１０１の表面形状に基づき、対象とするＬＥＤ素子１１１の座標を決定する（ステップＳ１）。
つづいて、評価点の座標とＬＥＤ素子１１１の座標に基づき距離を計算する。必要に応じて、評価点における平面ないし曲面の法線と、対象とするＬＥＤ素子１１１の植設面の法線とがなす角度を算出する（ステップＳ２）。
光度分布Ｉ（θ）に基づき、当該ＬＥＤ素子１１１に由来する評価点における照度を計算する（ステップＳ３）。
ＬＥＤ照明パネル１００上の各ＬＥＤ素子１１１について、ステップＳ１〜ステップＳ３までを繰り返して照度を１４４素子分合計し、評価点におけるＬＥＤ照明パネル１００の照度を算出する（ステップＳ４）。
なお、評価点が１箇所でなく道路等の平面上に分布している場合には、平面をメッシュ分割して適宜評価点を設定し、各点における照度を算出して照度分布を得る（ステップＳ５）。

次に、複数のＬＥＤ照明パネル１００が設置される場合の照度分布のシミュレーションと実測との照合をおこなうこととした。ここでは、島根県雲南市国道３１４号にある平田トンネルにて、実際に試作されたＬＥＤ照明ユニットを設置し、トンネル内の照度測定をおこなった。図４は、トンネル内におけるＬＥＤ照明ユニットの配置の様子を示したトンネル断面図である。なお、用いたＬＥＤ照明パネルは上述したものと同じものを用いることとした。

図示したように、ＬＥＤ照明パネル１００は、道路面から５．２ｍの高さに、２９．４°傾いた状態で５ｍの間隔でトンネル両壁面に千鳥状に５基配置した。路面の実測値を図５に示し、シミュレーションにより得られた照度分布を図６に示した。なお、実測は、幅８ｍ×長さ２０ｍの部分を２ｍ間隔ごとに５５点を測定し、シミュレーションでは、幅８ｍ×長さ２０ｍの部分を０．５ｍ間隔の評価点として計８６１点を算出した。

図から明らかなように、両者の照度分布はよく一致している。これより、ＬＥＤ素子１１１を点光源と見なしたこと、ＬＥＤ素子１１１の配光特性が軸対象でありθに依存すること、多数のＬＥＤ素子１１１を植設したＬＥＤ照明パネルの場合でも重ね合わせによる照度算出が有効なこと、反射を考慮しなくても正確な照度計算ができることが確認できた。

なお、以上の照度分布のシミュレーションはコンピュータプログラムにより実行可能である。図７は、照度分布算出プログラムをインストールしたコンピュータの機能ブロック図の構成例である。ここでは、照度分布算出プログラムをパーソナルコンピュータにインストールした場合について説明する。なお、パーソナルコンピュータのハードウェアは、ＣＰＵ，ＨＤＤ，ＲＡＭ等、汎用的な構成により実現できるのでその説明を省略する。

コンピュータ２００は、その機能的構成として、配光特性格納部２０１、座標入力部２０２、距離算出部２０３、角度算出部２０４、照度算出部２０５、算出制御部２０６、表示部２０７、パネル移動部２０８、最低照度入力部２０９、座標範囲算出部２１０、を有する。

配光特性格納部２０１は、ＬＥＤ素子１１１の光度の配光特性を格納する（場合により照度の配光特性を格納してもよい）。同一のＬＥＤ素子を用いるため、配光特性は総て同じであるが、規格が異なるＬＥＤが混在するパネル等を用いる場合は、適宜それぞれの配光特性を格納して利用する。なお、配光特性は、θと距離に依存するので、光度ないし照度とともに間隔を適宜区切って数値化して格納してもよい。照度は、評価点と光源との距離の二乗に反比例するので、配光特性として格納されている数値に距離の二乗の比を乗じて当該評価点における照度を算出することができる。

配光特性格納部２０１は、例えば、コンピュータ２００のＨＤＤやＲＡＭなどによりその機能を実現することができる。

座標入力部２０２は、光源と見なすＬＥＤ素子１１１の空間座標と、評価点の空間座標（路面の場合は平面座標）と、をそれぞれ入力する。座標入力部２０２は、例えば、キーボード、マウス、ＲＡＭなどによりその機能を実現することができる。使用の態様により、トンネル内の形状をデザインするＣＡＤと連動させて、ＣＡＤからのデータを入力するようにしてもよい。

距離算出部２０３は、ＬＥＤ素子１１１から評価点までの距離を、座標入力部２０２により入力された座標に基づき算出する。

また、角度算出部２０４は、評価点における評価面の法線（路面の場合は鉛直上向き）とＬＥＤ素子１１１の光軸とがなす角度を算出する。これは、ＬＥＤ照明パネル１００またはＬＥＤ単パネル１０１が路面に対して傾いて取り付けられる場合もあり（図４参照）、配光特性においてθとする角度が、評価点からみたＬＥＤ素子１１１の仰角とずれてくる場合があるからである。なお、設置態様や要求される精度によっては、仰角そのものを配光特性におけるθとすることもできる。算出に必要な情報は、予め与えられる場合もあり、また、必要に応じて入力してもよい。

照度算出部２０５は、ＬＥＤ素子１１１の配光特性と距離と角度とに基づいて、評価点における照度を点光源それぞれについて算出して重ね合わせる。コンピュータ２００では、各評価点について同様の照度計算をおこない、評価面（路面）における照度分布を得る。

なお、ＬＥＤ素子１１１は、ＬＥＤ照明パネル１００として一塊となっているが、トンネルなどには、略等間隔に隣のＬＥＤ照明パネル１００が存在し、そこからの光も評価点における照度に寄与する。しかしながら、照度は距離の２条に反比例するのであまりに遠くのＬＥＤ照明パネル１００は、照度にほとんど影響しない。そこで、照度分布算出プログラムでは、計算負荷も考慮して一定範囲のＬＥＤ照明パネルを対象として照度を算出するようにしてもよい。例えば、算出制御部２０６では、評価点からみて４番目に近いＬＥＤ照明パネル１００までのＬＥＤ素子１１１に基づいて当該評価点における照度を算出するようにしてもよい。

距離算出部２０３、角度算出部２０４、照度算出部２０５、算出制御部２０６は、適宜プログラミング可能であり、コンピュータ２００の処理能力に応じて、効率的な処理フローを採用することができる。

表示部２０７は、照度算出部２０５で算出された各評価点における照度を照度分布として表示する。表示の態様は限定されないが、図６に示したように、色分けして視覚的に把握しやすいようにするのが好ましい。表示部２０７は、モニタ、ＣＰＵ、ＶＲＡＭなどによりその機能を実現することができる。

パネル移動部２０８は、個々のＬＥＤ照明パネル１００をひとまとまりとして例えばトンネル内壁の形状に従って移動させる。これにより、トンネル内のＬＥＤ照明パネル１００をどのような間隔で、また、反対車線側のＬＥＤ照明パネル１００の列との間隔も考慮して、配光設計が可能となる。なお、パネル移動部２０８は、ＣＡＤにおけるトンネル内面形状と連動させてＬＥＤ照明パネル１００の位置を対話的に移動させるようにする。より具体的には、ＬＥＤ照明パネル１００をマウスでドラッグして、トンネル内壁面を移動させ、そのときの路面上の照度分布の変化を動的に把握可能にするようにすれば、利便性が高まる。

最低照度入力部２０９は、仕様書等に基づいて、評価点の最低照度を入力する。これは、路面に一律に○［ｌｘ］以上と規定されていることもあれば、車線中央と、端部側とで異なる場合もあり得るため、評価点ごとに設定してもよい。

座標範囲算出部２１０は、照度算出部２０５で算出された評価点の照度が最低照度を下回った場合に、パネル移動部２０８を制御して、当該評価点における照度が最低照度を超えるＬＥＤ照明パネル１００の座標の範囲を算出する。これにより、ＬＥＤ照明パネル１００の移動可能位置が表示できるので、例えばトンネルでは隣のＬＥＤ照明パネルとの間隔を詰めたり、設置高さを低くしたりすることが可能となり、トンネルの配光設計が容易となる。

なお、以上は、コンピュータプログラムを機能的に説明した一例であって、適宜、ＤＬＬやサブプログラムにより構成されていてもよいことは言うまでもない。

以上、本発明によれば、ＬＥＤ照明パネルのような点光源群を用いた場合の照度分布の計算を容易にするプログラムを提供することが可能となる。特に、トンネル内における複数のＬＥＤ照明パネルの配置設計を簡便化するプログラムを提供可能となる。

本発明は、照度分布算出プログラムとしているが、光度と照度とは、式（１）により変換される関係にあるので、光度分布算出プログラムとすることもできる。

１００照明パネル
１０１ＬＥＤ単パネル
１１１ＬＥＤ素子
２００コンピュータ
２０１配光特性格納部
２０２座標入力部
２０３距離算出部
２０４角度算出部
２０５照度算出部
２０６算出制御部
２０７表示部
２０８パネル移動部
２０９最低照度入力部
２１０座標範囲算出部

Claims

所定の評価面上に分布した評価点群それぞれの位置において、点光源群から発せられる光の照度を算出する照度分布算出プログラムであって、
コンピュータを、
点光源の光度ないし照度の配光特性を格納した配光特性格納手段、
点光源の座標および評価点の座標を入力する座標入力手段、
点光源から評価点までの距離を算出する距離算出手段、
評価点における評価面の法線と点光源の光軸とがなす角度を算出する角度算出手段、
点光源の配光特性と前記距離と前記角度とに基づいて、評価点群の各位置における照度を点光源それぞれについて算出して重ね合わせる照度算出手段、
として機能させることを特徴とする照度分布算出プログラム。
同規格のＬＥＤ光源が植設された照明パネルであって道路のトンネルに複数設置された照明パネルを点光源群とし、
路面を評価面とし、
コンピュータを、さらに、
評価点からみて４番目に近い照明パネルまでのＬＥＤ光源に基づいて当該評価点における照度を算出する算出制御手段、
として機能させることを特徴とする請求項１に記載の照度分布算出プログラム。
コンピュータを、さらに、
個々の照明パネルをひとまとまりとして点光源群をトンネル内壁の形状に従って移動させるパネル移動手段、
として機能させることを特徴とする請求項２に記載の照度分布算出プログラム。
コンピュータを、さらに、
評価点における最低照度を入力する最低照度入力手段、
照度算出手段で算出された評価点の照度が最低照度を下回った場合に、パネル移動手段を制御して、当該評価点における照度が最低照度を超える照明パネルの座標の範囲を算出する座標範囲算出手段、
として機能させることを特徴とする請求項３に記載の照度分布算出プログラム。