使用Zemax OpticStudio 設計路面照明


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摘要:這份文件討論了如何使用OpticStudio中的Roadway Lighting Designer,以及如何善用這些功能讓使用者更有效率以及生產力。
原文連結:Designing Roadway Lighting in Zemax
原文作者:Akash Arora
原文發布時間:February 5, 2013

介紹
Zemax有些工具是專門給路燈設計者分析以及優化照明結果的。內建的路燈設計功能基於CIE 140-2000標準計算規範值,並快速的檢測照明系統對於每個規定是否通過或不通過。NSC路面評價函數 (NSC Roadway Merit Function) 進一步的使用這些規範計算資料作為優化目標,OpticStudio中的優化引擎可以完全的支援這些優化目標。在這篇文章中,我們會檢視這些功能的細節,以及瞭解這些功能如何幫助路面照明設計者更有效率以及生產力。

路面照明分析
如同前面提到的,Zemax的路面照明分析功能 (Roadway Lighting Analysis) 是根據CIE140-2000標準計算的。計算的數值主要目的在於衡量照明光源的光散佈狀況,以及當駕駛進入路面照明區域時所受到的眩光,包含平均輝度、全體輝度均勻度、最小照度、照度均勻度等。輝度值須綜合考慮路面 (面的種類) 以及駕駛車輛接近的位置。根據CIE標準,計算結果為考慮所有道路及小巷後的最差情況。照度值單純的經由計算燈具在路面以及路面附近的光通量散佈狀況而得來。
要計算所有這些數值,需要定義路面照明設定中的數個參數。如同在Setting對話框中看到的,分析功能允許使用者指定安裝高度 (Mounting Height)、間距 (Longitudinal Spacing) 、排列方式 (Arrangement) 、側向偏移 (Lateral Offset) 、線道數 (Number of Lanes) 、線道寬度 (Lane Width) 、路面種類 (Surface Classification) ,以及道路分級 (Road Class) 。


參數的長度單位等同於鏡頭單位,雖然在路面照明應用上,更常用公尺為單位。但請注意,此工具計算後輸出的結果將會使用公尺以及流明標示,這符合CIE 140-2000標準。分析結果會輸出為文字報告,包含指定的設定值、計算後的數值、目標 (基於道路分級),以及表示是否通過的狀態。


這個分析可用兩種方式操作,使用光線追跡或是不使用。經常,一個使用者會使用路面照明光源的遠場資料檔案,IESNA (.IES) 或是 EULUMDAT (.LDT) 格式。這些資料檔的型態由製造商網站所提供。如果這些檔案以Source IESNA光源物件或是Source EULUMDAT光源物件的形式被讀取到現有系統中,分析功能將會基於遠場資料計算路面照明資料,而不需要光線追跡。使用者只須要簡單的把設定中的 “Origin” 選項定義為要分析的光源即可。
而在另一種情況,使用者欲設計路面照明光源,但不持有遠場照明資料。這時,設定中的 “Origin” 選項應被設定到一個物件,此物件表示該燈具的局域座標系統;這個物件的位置應該盡可能接近燈具中心,可能是主反射面或是燈具中的光源。在這個分析方式中,系統中應該只剩下燈具物件以及燈具光源存在。Zemax將會從所有光源追跡光線,作為分析的第一步,接著計算遠場光通量分布,最後路面照明規範值將會基於這些資料來計算。這個設定方式也可以應用在優化上。

非序列元件路面評價函數 (NSC Roadway Merit Function)
利用前面討論時定義的照明光源,路面照明評價函數允許使用者可以利用這些規範值計算結果,作為優化用途。此時,除了一般的光線追跡以及評價函數設定,同樣也需要路面資料才能產生所需的評價函數。


設定完成後,Zemax會根據目標設定評價函數。Zemax首先需要計算系統遠場強度分布,NSTW優化操作數將會使用對話框中的設定追跡光線,並且儲存遠場強度資料。NSRW操作數則計算需要的規範值資料。評價函數工具總共加入8個規範值到評價函數,雖然依照標準,必須符合的目標其實只有5個。另外3個操作數僅為參照用,其權重為零。請注意標準要求的是閥值,因此評價函數中使用的是OPGT以及OPLT操作數。


接著優化的過程就像是在非序列中一樣:定義可以改變的變數,並且搭配使用局域以及全域優化器。

分析一個路面照明光源
如同前面提及的,如果路面照明分析的 “Origin” 設定為IES或是LDT檔案,此分析將會基於檔案中的遠場資料來計算。此外,照明光源的傾斜也會被考慮在內。其他許多參數 (例如位置、使用者自訂能量等) 也會被考慮在內。此文章附件的IES檔是從街燈製造商網站獲得的,其中包含了LED光源遠場遠場的光通量分布。請儲存此檔案到 “<data>/Object/Sources/IESNA” 並打開OpticStudio。
請在NSCE中,加入Source IESNA物件並選擇這個檔案。請確認改變系統單位為公尺以及流明,你可以在系統視窗側邊的System Explorer中的Units標籤裡找到這個設定。光源的強度分佈可以用配光曲線圖 (Source Directivity Plot) 或是極座標圖 (Source Polar Plot) 的方式顯示,你可以在Ribbon工具列中Analysis標籤裡的Source Viewer群組找到這兩個工具。極座標圖被設定為顯示超過90度的資料。在這個座標中,路面方向為延著Y軸。請注意在約80度邊緣處有相對銳利的截止線,這是被特意設計來防止光線射向天空的,也就是所謂的光汙染。同時也請注意,強度峰值並不是在照明光源的正前方 (方位角0度) ,設計是為接近照明區域的駕駛照亮路面。




在檢測這個光源的照明標準之前,先確保對Z軸旋轉光源90度。路面照明分析功能假設路面的方向是平行於X軸,IES檔則假設照明光源對著一條平行於Y軸的道路。雖然配光曲線以及極座標圖可忽略系統設置,但路面照明分析則會考慮這些設定。
請試著改變不同的設定並查看對於計算結果的改變狀況。舉例來說,當燈具高度增加,平均照度就會下降,但是照度均勻度則會上升。這種變化是設計路面照明時,設計師必須取捨的。程式提供照明光源在每個規範上通過與否的快速指標,以供使用者決定是否需要優化。
下方的Shaded Model分析功能,分別用False Color以及True Color顯示模式描述了照明光源輸出。這些模擬使用了一個技巧,把探測器置於透明平面 (代表路面) 之下,以幫助視覺化分析結果。燈具之機械結構使用了匯入的CAD物件來模擬,用途只是單純的為了讓分析結果較為美觀。在這個分析情境中,其對於分析計算的影響是可以略過的。





總結
路面照明分析以及NSC路面照明分析評價函數允許照明設計者以之前無法達到的方式分析並優化路燈。使用這些功能以快速的檢測CIE-140-2000標準,並且優化設計以符合標準。更多的相關資訊可以在OpticStudio的使用者手冊的分析條目中找到。


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