燈具設(shè)計的快速評價方案與仿真軟件

李強+李湘寧+潘逸+黃浩

摘要： 為了對燈具設(shè)計效果進行評價，提出了一種快速評價方法。基于實際燈具光強的實測數(shù)據(jù)，利用軟件仿真來獲得受照面的照明效果，從而有效控制誤差和降低成本。對單個燈具在自由擺放位置和旋轉(zhuǎn)角度的條件下，利用網(wǎng)格法劃分受照面，由光度學(xué)理論計算得到受照面的照度分布。依據(jù)幾何光學(xué)獨立性，擴展到總體方案的照度分布。將照明效果用照度曲線和圖像顯示，從而對燈具設(shè)計狀況獲得快速、有效、直觀的評價。為使圖像更具直觀性和有效性，提出了圖像顏色隨照度變化近似滿足人眼gamma特性。以研制的天幕燈為例，證明了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)用光學(xué)； 軟件仿真； 照明評價； 光度學(xué)； 顏色

中圖分類號： O435；TH74文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.009

Abstract： A method for the evaluation of the optical design for lamps is proposed.Based on the measured datum of the luminous intensity of the lamps，the method evaluates the by software，so it controls error and reduces the cost effectively.For a single lamp on random position and with random rotation angle，a surface approximation scheme with a rectangular mesh is adopted and the irradiance distribution by the theory of photometry is calculated.According to the independence of the geometrical optics，the result can be extended to the overall scheme.a fast，effective，intuitive evaluation can be made by the illumination curves and picture which show the luminous effect on the surface.Besides，the change of the color on the picture by the irradiance distribution that meets the gamma curve for the human eye approximately is proposed，which may make the picture more intuitive and effective.As an example application，the simulation of a newly designed cyclorama light is presented to prove the feasibility of this method.

Keywords： applied optics； software simulation； lighting evaluation； photometry； color

引言

隨著科技和照明行業(yè)的快速發(fā)展，照明要求已從單個燈點亮飛躍到營造整體光環(huán)境[1-2]。在大范圍高標準的現(xiàn)代照明中，例如舞臺照明、室內(nèi)照明、道路照明、背投式液晶電視等，設(shè)計時利用批量燈具進行疊加。相對于單個燈照明，這樣不僅可以在不對單個燈功率提高要求的情況下實現(xiàn)總功率的達標，而且具有更多變量用來調(diào)整實現(xiàn)特定照明。

燈具在光學(xué)設(shè)計時，利用像Zemax、tracepro、lighttools等光學(xué)設(shè)計仿真軟件，優(yōu)化燈具的外罩面形，從而達到照明要求。雖然傳統(tǒng)設(shè)計軟件可以以實際光源數(shù)據(jù)導(dǎo)入并且合理設(shè)置損耗參數(shù)，使仿真結(jié)果接近實際結(jié)果，但無法完全消除誤差。而且實際生產(chǎn)的燈具，存在著加工、裝配和光源電壓匹配等產(chǎn)生的照明誤差。所以，光學(xué)設(shè)計軟件的仿真結(jié)果并不等于實際燈具效果。

過去，對一個燈具設(shè)計好壞的評價，首先會用光學(xué)儀器測量實際生產(chǎn)的燈具，然后分析比較實際測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的差異性，從而能對單個燈具進行客觀評價。而對整個照明方案進行評價時，需要先生產(chǎn)一批足夠數(shù)量的燈具，然后讓工人們進行安裝后，才能在接受面上觀察和檢測實際效果。這種傳統(tǒng)的評價方法在控制成本和誤差方面都有缺陷。

本文采用光學(xué)軟件的形式，利用光學(xué)儀器對單個實際生產(chǎn)燈具的測量數(shù)據(jù)進行仿真。這種仿真方法只含有燈具的測量誤差和燈具間的差異誤差，從而相比于基于理論模型進行設(shè)計的光學(xué)設(shè)計軟件更具真實性。通過參數(shù)設(shè)置，這種方法能快速仿真出整體方案的照明情況[3]，從而能對設(shè)計進行客觀的評價，達到了低成本、高效率的時代要求。

1設(shè)計原理

1.1獲得光源數(shù)據(jù)

本文以光學(xué)儀器測量單個實際生產(chǎn)的燈具為例，將光強數(shù)據(jù)以一定格式導(dǎo)出并處理[4]，通過計算仿真獲得受照面的照度情況 [5]。

1.2單燈對指定受照面的光強照度轉(zhuǎn)換

對于指定受照面，采樣網(wǎng)格法將受照面分解成n1*n2的方格，并且視各個小方格中心照度為各個方格區(qū)域的照度值，這樣將得到離散的照度數(shù)據(jù)。

對于每個小方格，在計算照度時，如圖1所示，根據(jù)小方格的劃分規(guī)則和與受照面的長寬關(guān)系計算出

該小方格中心X相對于原點O的縱向距離為A2，橫向距離為B2。圖2所示的直角坐標系中，光源為S，則光源在受照面上的垂直投影到方格中心X的縱向距離為|A1-A2|、橫向距離為|B1-B2|。由參數(shù)L、|A1-A2|、

|B1-B2|可以直接計算出光源S投射到方格中心X時的縱向投射角θ1、橫向投射角θ2。由于縱向投射

由此，可以求出每個小方格對應(yīng)的（θ1，θ3）。所以在數(shù)據(jù)矩陣中可以尋找到包圍它的四個數(shù)據(jù)點。然后，根據(jù)這四個數(shù)據(jù)點的所對應(yīng)的光強數(shù)值，利用加權(quán)法求指定小方格中心位置處對應(yīng)的光源θ方向下的輻射強度Iθ。而輻射角θ為

由于L是初始設(shè)置值，每個小方格的θ和Iθ都可以一一對應(yīng)求得，所以每個小方格的照度值E可以一一對應(yīng)求得，并且組成由橫縱采點數(shù)決定的n1*n2的數(shù)據(jù)矩陣。

燈具在位置固定后，如果要上下轉(zhuǎn)動燈具，則先調(diào)整光強數(shù)據(jù)的順序，再進行照度計算。

由此，單盞燈對受照面的照度圖就可通過對n1*n2照度數(shù)據(jù)矩陣可視化來實現(xiàn)。

1.3多盞燈同時照明

當(dāng)多盞天幕燈照射時，由于幾何光學(xué)中能量的獨立性，先分別根據(jù)各盞燈的位置和角度計算出各自相對應(yīng)的n1*n2數(shù)據(jù)矩陣，然后將每盞燈的照度矩陣進行相加，最終得到的n1*n2數(shù)據(jù)矩陣就是多盞燈照射下的平面照度情況。

1.4可視化與人眼特性

在獲得表示照度分布的n1*n2數(shù)據(jù)矩陣后，可利用n1*n2像素的圖片，對相對照度用偽彩圖[8]或灰度圖顯示，并附于各點的兩維照度擬合曲線。

為了使顏色變化所表現(xiàn)的照明效果更好地接近人眼的實際觀察效果，在顏色選取時，必須考慮人眼的gamma特性，使照度變化所引起的顏色變化近似滿足gamma特性曲線，如圖3所示。由于人眼對亮度光強變化的響應(yīng)是非線性的，所以通常把人眼主觀上剛剛可辨別亮度差別所需的最小光強差值稱為亮度的可見度閾值。即當(dāng)光強I增大時，在一定幅度內(nèi)無感覺，必須變化到一定值I+ΔI時，人眼才能感覺到亮度的變化，ΔI/I也稱為對比靈敏度。人眼對暗色比較敏感，所需的亮度閾值小。對明亮的顏色，所需的亮度閾值大。所以在80%照度區(qū)域，顏色幾乎近似，而80%照度以下，隨著照度的降低，顏色變化越明顯。

2仿真與評價

用本文提出的方法，我們對自行設(shè)計的天幕燈進行評價。利用虹譜光電HPG系列分布式光度計[9]對研制的天幕燈進行光強測量和指定接受面照度測量，先根據(jù)光強數(shù)據(jù)對單盞天幕燈進行仿真，對比照度數(shù)據(jù)，驗證軟件的正確性，然后對天幕燈整體方案進行仿真。

2.1單盞天幕燈效果

在64.8 m×64.8 m幕布中心垂直上方距離10 m處放置一盞天幕燈，不進行旋轉(zhuǎn)，用本文軟件進行仿真，得到結(jié)果如圖4所示。將照度灰度圖與虹譜光電測量后給出的等照度曲線報告（見圖5）進行對比，基本確認本軟件仿真結(jié)果的正確性。

而在本軟件中移動灰度圖中的十字掃描光標，橫縱掃描線上的照度曲線能直接更新顯示。并且本軟件具有燈具旋轉(zhuǎn)功能，能直接仿真出燈具旋轉(zhuǎn)后幕布上的照明情況。故相比于傳統(tǒng)的燈具報告，利用本軟件能更快速、直觀評價單個燈具設(shè)計結(jié)果。

2.2天幕燈整體方案仿真效果

根據(jù)天幕燈整體方案要求，在20 m×10 m的幕布中心垂直距離2.2 m的平面內(nèi)，上下各水平放置13個天幕燈，兩排燈縱向間隔為8 m，每排燈之間的橫向間隔為2 m，兩排燈擺放以幕布中心成中心對稱。然后，將上方一排燈集體向下旋轉(zhuǎn)15°，下方一排燈集體向上旋轉(zhuǎn)15°。由此，在如圖6所示的設(shè)置界面中設(shè)置參數(shù)。

從圖7中可以看到幕布在這兩排天幕燈照射下的照度分布灰度圖。觀察灰度圖可以發(fā)現(xiàn)，這兩排燈可以對20 m×8 m左右的幕布實現(xiàn)均勻度80%以上的均勻照明。從右側(cè)的折線圖中更能詳細分析照明均勻情況。

故在利用本軟件仿真了整體天幕燈方案的照明情況后，對于該燈具的設(shè)計所達到的實際效果能快速、直觀做出評價。

而在實際應(yīng)用時，可以修改具體布局參數(shù)，比較各仿真結(jié)果，選取最優(yōu)布局，從而對實際場景達到優(yōu)化照明效果。

3結(jié)論

本文提出以實際燈具的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從而避免了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計仿真軟件的設(shè)計誤差和加工裝配等實際誤差。以軟件仿真結(jié)果為評價條件，避免了實際成本，同時增加了靈活性，充分體現(xiàn)了計算機輔助的優(yōu)點。以設(shè)計試制的天幕燈為例，證明了軟件的正確性，更展現(xiàn)了靈活運用軟件仿真能快速、直觀的對燈具設(shè)計做出評價。針對幾何光學(xué)照明獨立性，本文以數(shù)據(jù)矩陣為切入點，同時結(jié)合人眼的gamma特性，給出直觀的可視化效果。所以這種評價方法非常適用于當(dāng)今的遠距離照明系統(tǒng)，并且已被該種天幕燈廠商實際應(yīng)用。光學(xué)軟件與光學(xué)實際應(yīng)用結(jié)合各自的優(yōu)點可以開發(fā)出更為強大的功能，希望本文能起到拋磚引玉的作用。

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