一种led护栏灯偏心透镜照明配光设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种LED护栏灯偏心透镜照明配光设计 方法。
【背景技术】
[0002] 护栏灯是一种安装在道路和桥梁护栏上的照明灯具，通常以荧光灯管或LED作为 光源，以连续的护栏作为载体，用于取代高杆路灯对各种道路以及桥梁照明，包括高架桥及 引桥照明、机场及高铁入口的行车道照明、停车场照明等。目前，护栏灯通常由中低功率的 LED灯条加装在一个圆筒形的护栏塑料管组成，该种护栏灯的光源发出的光线会直接通过 塑料管射出，护栏灯的出光角度基本没有控制，只可以照明和美化护栏本身，但起不到道路 照明的作用。
[0003] 现有的护栏管装置，由于出射光比较散，照射距离短，如果为了照明道路而使用大 功率LED，则会产生很强的刺眼的眩光，反而起不到很好的效果。
[0004] 为了能让护栏灯起到道路照明的作用，需要对护栏灯进行配光设计，将光线均匀 分配到路面上，以达到国家道路照明设计要求。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种LED护栏灯偏心 透镜照明配光设计方法，本方法能快速有效的得到LED护栏灯偏心透镜光出射面的自由曲 面，且由此方法得到的LED护栏灯偏心透镜光出射面能将光线均匀分配到路面上，起到道 路照明的作用。
[0006] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种LED护栏灯偏心透镜照明配光设 计方法，所述LED护栏灯偏心透镜包括光入射面、光出射面和底面，所述光入射面为设置于 所述底面的内凹半球面，所述底面与光入射面之间的空间用于安装LED灯，所述光出射面 为连接所述光入射面和底面并形成封闭空间的自由曲面；
[0007] 所述光出射面分析方法包括以下步骤：
[0008] S1，以底面的圆心为原点，将底面所在平面设为XOY平面，其中，将车辆行驶方向 设为Y轴，将过原点并与XOY平面垂直的轴设为Z轴，通过Y轴和Z轴确定X轴方向，建立 空间坐标系X-Y-Z ;
[0009] S2,设LED护栏灯在空间坐标系X-Y-Z上的目标照明面长度为a，宽度为b，与LED 灯的距离为h，对XOY平面上的目标照明区域以及该目标照明区域所对应的LED光源空间区 域进行网格划分；
[0010] S3,基于步骤S2中的网格划分尺寸，并根据LED光源辐射能量与目标照明面接收 到的光能量相等建立方程，通过迭代运算，求得光线和Y轴所组成的平面与Z轴之间的夹 角，即光线入射角Θ的值，以及光线与Y轴的夹角珍的值；
[0011] S4,取自由曲面上任意一点作为初始计算点，通过与初始计算点对应的光线入射 角Θ和夹角#求出该初始计算点的法向量，从而得到经过该初始计算点的切平面，求出该 切平面与下一入射光线的交点，即得到自由曲面上下一计算点的坐标，如此通过迭代运算， 由前一个点的切平面与下一条入射光线的交点求得自由曲面的下一点的坐标，从而计算出 自由曲面在该空间坐标系中ζ>0且y>0区域内的中所有点的坐标，即该区域内的自由曲面 的面型数据；
[0012] S5,将上述自由曲面面型数据拟合为曲面，并将拟合得到曲面做关于XOZ平面镜 像，从而得到光出射面的自由曲面。
[0013] 因为LED护栏灯偏心透镜光出射面的形状关于XOZ平面对称，由其在第一象限和 第二象限的自由曲面部分相对于XOZ平面进行对称，即可以得到光出射面的形状。采用上 述方法能快速有效的得到LED护栏灯偏心透镜光出射面，使得采用该光出射面的LED护拦 灯能将光线均匀分配到路面上，起到道路照明的作用。
[0014] 进一步的，所述步骤S2包括以下步骤：
[0015] S2-1，设照明目标面长度为a，宽度为b，与LED灯的距离为h，设光斑在空间坐标 系X-Y-Z中XOY平面的第一象限上的长度为c，在第二象限上的长度为d，将光斑在X轴方 向以步长k等分为m份，Y轴方向上以同样的步长k等分为η份，得到x(m)和y (η)两个数 组，使得相应的目标照明区域被划分为mXη个等面积的矩形网格；
[0016] S2-2,对该目标照明区域所对应的LED光源空间区域进行网格划分：设光线与Y轴 所组成的平面与z轴之间的夹角，即光线入射角为θ，光线与γ轴的夹角为#，对应于目标 照明区域的划分，在Θ角上等分成m份，在夕角上等分成η份。
[0017] 该网格划分方法简单、快速、有效，因为LED护栏灯偏心透镜光出射面相对于XOZ 平面相对称，所以只需针对XOY平面上的目标照明区域以及该目标照明区域所对应的LED 光源空间区域进行网格划分即可。
[0018] 进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：
[0019] S3-1，以X轴上的每条矩形区域为研究对象，根据能量守恒定律得到：
[0020]
[0021] 求解上式可得Θ的迭代计算公式：
[0023] 由此，计算出每条光线所对应的Θ值，其中，I。为中心光强，Ev指目标照明面的平 均照度；
[0024] S3-2,以目标区域的每一小方格作为研究对象，建立能量对应关系，由能量守恒得 到：
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[0026] 求解上式可得：
[0027] 根据已经求得的每条光线所对应的Θ值，结合该式，并通过迭代运算得到与每条 光线所对应的Θ值所对应的f值。
[0028] 其中，I。中心光强I。和目标照明面的平均照度E龙可采用现有公知方法计算得 到。该方法采用能量守恒原理及迭代运算能快速准确的得到所需要的Θ值和f值。
[0029] 进一步的，所述步骤S4包括以下步骤：
[0030] S4-1，根据光源和目标照明面的能量对应关系，在光源上选择一条初始光线，确定 经自由曲面折射后对应于目标照明面上的初始位置，然后选定自由曲面上任意一点作为初 始计算点，由初始位置和初始计算点这两点坐标求出初始光线入射光方向的单位向量和出 射光方向的单位向量；
[0031] S4-2,计算自由曲面在初始计算点处的单位法向量，计算公式为：
其中，In为入射光线单位向量，Out为出 射光线单位向量，N单位法向量，η为折射率；
[0033] S4-3，由初始计算点处的单位法向量和初始计算点的坐标求出过初始计算点的切 平面；
[0034] S4-4,在光源上选择第二条出射光线，确定经自由曲面折射后对应于目标照明面 上的第二位置点，第二条出射光线与初始计算点切平面相交于第二计算点，由第二位置点 和第二计算点这两个点坐标求出第二条出射光线入射光方向的单位向量和出射光方向的 单位向量；
[0035] S4-5,计算自由曲面在第二计算点处的单位法向量，计算公式为：
,其中，In为入射光线单位向量，Out为出射 光线单位向量，N单位法向量，η为折射率；
[0037] S4-6,通过以上迭代计算，不断通过前一个点的切平面与下一条入射光线的交点 求得自由曲面的下一点的坐标，从而计算出自由曲面在该空间坐标系中ζ>0且y>0区域内 的所有点的坐标，由此得到该区域内的自由曲面的面型数据。
[0038] 该方法根据LED光源辐射通量与目标照明面接收到的光通量相等的原理，通过迭 代运算得到自由曲面面型数据，该方法计算速度快，且准确度高，节约了时间成本和经济成 本。
[0039] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0040] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0041] 图1是本发明实施例中的道路与光斑位置图；
[0042] 图2是本发明实施例中的LED光源空间坐标图；
[0043] 图3是本发明实施例中的目标照明面网格划分图；
[0044] 图4是本发明实施例中护栏灯偏心透镜的三维外观图；
[0045] 图5是本发明实施例中护栏灯偏心透镜在正前方1. 2米远处的光斑形状及照度分 布图；
[0046] 图6是本发明实施例中护栏灯偏心透镜的配光曲线图；
[0047] 图7是本发明实施例中护栏灯偏心透镜双侧护栏灯照明时路面照度分布的模拟 示意图；
[0048]