引言

随着科技和照明行业的快速发展, 照明要求已从单个灯点亮飞跃到营造整体光环境^[1-2]。在大范围高标准的现代照明中, 例如舞台照明、室内照明、道路照明、背投式液晶电视等, 设计时利用批量灯具进行叠加。相对于单个灯照明, 这样不仅可以在不对单个灯功率提高要求的情况下实现总功率的达标, 而且具有更多变量用来调整实现特定照明。

灯具在光学设计时, 利用像Zemax、tracepro、lighttools等光学设计仿真软件, 优化灯具的外罩面形, 从而达到照明要求。虽然传统设计软件可以以实际光源数据导入并且合理设置损耗参数, 使仿真结果接近实际结果, 但无法完全消除误差。而且实际生产的灯具, 存在着加工、装配和光源电压匹配等产生的照明误差。所以, 光学设计软件的仿真结果并不等于实际灯具效果。

过去, 对一个灯具设计好坏的评价, 首先会用光学仪器测量实际生产的灯具, 然后分析比较实际测量数据与理论数据的差异性, 从而能对单个灯具进行客观评价。而对整个照明方案进行评价时, 需要先生产一批足够数量的灯具, 然后让工人们进行安装后, 才能在接受面上观察和检测实际效果。这种传统的评价方法在控制成本和误差方面都有缺陷。

本文采用光学软件的形式, 利用光学仪器对单个实际生产灯具的测量数据进行仿真。这种仿真方法只含有灯具的测量误差和灯具间的差异误差, 从而相比于基于理论模型进行设计的光学设计软件更具真实性。通过参数设置, 这种方法能快速仿真出整体方案的照明情况^[3], 从而能对设计进行客观的评价, 达到了低成本、高效率的时代要求。

1 设计原理 1.1 获得光源数据

本文以光学仪器测量单个实际生产的灯具为例, 将光强数据以一定格式导出并处理^[4], 通过计算仿真获得受照面的照度情况^[5]。

1.2 单灯对指定受照面的光强照度转换

对于指定受照面, 采样网格法将受照面分解成n₁*n₂的方格, 并且视各个小方格中心照度为各个方格区域的照度值, 这样将得到离散的照度数据。

对于每个小方格, 在计算照度时, 如图 1所示, 根据小方格的划分规则和与受照面的长宽关系计算出该小方格中心X相对于原点O的纵向距离为A₂, 横向距离为B₂。图 2所示的直角坐标系中, 光源为S, 则光源在受照面上的垂直投影到方格中心X的纵向距离为|A₁-A₂|、横向距离为|B₁-B₂|。由参数L、|A₁-A₂|、|B₁-B₂|可以直接计算出光源S投射到方格中心X时的纵向投射角θ₁、横向投射角θ₂。由于纵向投射角θ₁和B坐标系的纵向角度坐标对应, 而横向投射角θ₂和B坐标系的横向角度坐标不对应, 需转换成θ₃。由图 2可知:

(1)

由此, 可以求出每个小方格对应的(θ₁, θ₃)。所以在数据矩阵中可以寻找到包围它的四个数据点。然后, 根据这四个数据点的所对应的光强数值, 利用加权法求指定小方格中心位置处对应的光源θ方向下的辐射强度I_θ。而辐射角θ为

(2)

光源到受照面的垂直距离为L, 设光源到小方格中心X的距离为l, 由辐照度公式可知, 光源使小方格中心获得的照度E^[6-7]为

(4)

所以, 小方格中心获得的照度E可以用I_θ、θ和L来表示:

(5)

由于L是初始设置值, 每个小方格的θ和I_θ都可以一一对应求得, 所以每个小方格的照度值E可以一一对应求得, 并且组成由横纵采点数决定的n₁*n₂的数据矩阵。

灯具在位置固定后, 如果要上下转动灯具, 则先调整光强数据的顺序, 再进行照度计算。由此, 单盏灯对受照面的照度图就可通过对n₁*n₂照度数据矩阵可视化来实现。

1.3 多盏灯同时照明

当多盏天幕灯照射时, 由于几何光学中能量的独立性, 先分别根据各盏灯的位置和角度计算出各自相对应的n₁*n₂数据矩阵, 然后将每盏灯的照度矩阵进行相加, 最终得到的n₁*n₂数据矩阵就是多盏灯照射下的平面照度情况。

1.4 可视化与人眼特性

在获得表示照度分布的n₁*n₂数据矩阵后, 可利用n₁*n₂像素的图片, 对相对照度用伪彩图^[8]或灰度图显示, 并附于各点的两维照度拟合曲线。

为了使颜色变化所表现的照明效果更好地接近人眼的实际观察效果, 在颜色选取时, 必须考虑人眼的gamma特性, 使照度变化所引起的颜色变化近似满足gamma特性曲线, 如图 3所示。由于人眼对亮度光强变化的响应是非线性的, 所以通常把人眼主观上刚刚可辨别亮度差别所需的最小光强差值称为亮度的可见度阈值。即当光强I增大时, 在一定幅度内无感觉, 必须变化到一定值I+ΔI时, 人眼才能感觉到亮度的变化, ΔI/I也称为对比灵敏度。人眼对暗色比较敏感, 所需的亮度阈值小。对明亮的颜色, 所需的亮度阈值大。所以在80%照度区域, 颜色几乎近似, 而80%照度以下, 随着照度的降低, 颜色变化越明显。

2 仿真与评价

用本文提出的方法, 我们对自行设计的天幕灯进行评价。利用虹谱光电HPG系列分布式光度计^[9]对研制的天幕灯进行光强测量和指定接受面照度测量, 先根据光强数据对单盏天幕灯进行仿真, 对比照度数据, 验证软件的正确性, 然后对天幕灯整体方案进行仿真。

2.1 单盏天幕灯效果

在64.8 m×64.8 m幕布中心垂直上方距离10 m处放置一盏天幕灯, 不进行旋转, 用本文软件进行仿真, 得到结果如图 4所示。将照度灰度图与虹谱光电测量后给出的等照度曲线报告(见图 5)进行对比, 基本确认本软件仿真结果的正确性。

而在本软件中移动灰度图中的十字扫描光标, 横纵扫描线上的照度曲线能直接更新显示。并且本软件具有灯具旋转功能, 能直接仿真出灯具旋转后幕布上的照明情况。故相比于传统的灯具报告, 利用本软件能更快速、直观评价单个灯具设计结果。

2.2 天幕灯整体方案仿真效果

根据天幕灯整体方案要求, 在20 m×10 m的幕布中心垂直距离2.2 m的平面内, 上下各水平放置13个天幕灯, 两排灯纵向间隔为8 m, 每排灯之间的横向间隔为2 m, 两排灯摆放以幕布中心成中心对称。然后, 将上方一排灯集体向下旋转15°, 下方一排灯集体向上旋转15°。由此, 在如图 6所示的设置界面中设置参数。

从图 7中可以看到幕布在这两排天幕灯照射下的照度分布灰度图。观察灰度图可以发现, 这两排灯可以对20 m×8 m左右的幕布实现均匀度80%以上的均匀照明。从右侧的折线图中更能详细分析照明均匀情况。

故在利用本软件仿真了整体天幕灯方案的照明情况后, 对于该灯具的设计所达到的实际效果能快速、直观做出评价。而在实际应用时, 可以修改具体布局参数, 比较各仿真结果, 选取最优布局, 从而对实际场景达到优化照明效果。

3 结论

本文提出以实际灯具的测量数据为基础, 从而避免了传统光学设计仿真软件的设计误差和加工装配等实际误差。以软件仿真结果为评价条件, 避免了实际成本, 同时增加了灵活性, 充分体现了计算机辅助的优点。以设计试制的天幕灯为例, 证明了软件的正确性, 更展现了灵活运用软件仿真能快速、直观的对灯具设计做出评价。针对几何光学照明独立性, 本文以数据矩阵为切入点, 同时结合人眼的gamma特性, 给出直观的可视化效果。所以这种评价方法非常适用于当今的远距离照明系统, 并且已被该种天幕灯厂商实际应用。光学软件与光学实际应用结合各自的优点可以开发出更为强大的功能, 希望本文能起到抛砖引玉的作用。