Pobierz streszczenie

Analiza i synteza właściwości świetlnych
odbłyśników obrotowoobrotowo-symetrycznych
metodą uporządkowanego śledzenia
strumieni elementarnych
W rozprawie autor postawił sobie za cel wykazanie możliwości zastosowania metody uporządkowanego śledzenia promieni świetlnych, wychodzących ze źródła
światła, do przeprowadzenia analizy i syntezy właściwości świetlnych odbłyśników obrotowo-symetrycznych o dowolnym profilu. Wymagało to przeprowadzenia
analizy wpływu parametrów obliczeniowych na dokładność uzyskiwanych wyników oraz szybkość ich otrzymywania. Przy zastosowaniu opracowanej metody
ciężar obliczeń przeniesiony jest na wyznaczanie wartości strumieni elementarnych
i kierunków odbicia promieni. Chociaż zakładane rozmiary elementów powierzchni odbłyśnika są mniejsze niż w klasycznej metodzie strumieniowej i chociaż
większa jest związana z tym liczba wykonywanych obliczeń, algorytmy obliczeniowe są znacznie prostsze i szybsze. Po wykonaniu wstępnej dyskretyzacji powierzchni odbłyśnika i źródła światła, który to proces zależy od parametrów analizowanego układu, dalsze etapy są identyczne we wszystkich przypadkach. Obliczenie wartości wszystkich strumieni elementarnych oraz rozdzielenie tych strumieni, na podstawie kierunków odbicia ich promieni środkowych pomiędzy założone elementarne kąty bryłowe, prowadzi do wyznaczenia od razu całej bryły fotometrycznej układu.
W prezentowanej metodzie, autor aproksymuje powierzchnię odbłyśników
wykorzystując tylko elementy stożkowe. We wcześniej stosowanych algorytmach
obliczeniowych, z takiej aproksymacji korzystano wyjątkowo i to tylko w oprawach ze źródłami światła o dużej powierzchni świecącej. W układach takich
kształt odbłyśnika ma bowiem mniejszy wpływ na parametry świetlne oprawy.
W innych przypadkach aproksymacja elementami stożkowymi, prowadziła
do uzyskania niejednorodnej bryły fotometrycznej oprawy lub niejednorodnego
kształtu odbłyśnika. W pracy wykazano, że możliwa jest analiza dowolnego układu
obrotowo-symetrycznego na podstawie dyskretyzacji jego powierzchni na elementy stożkowe o odpowiednio małym rozmiarze.
W kolejnych etapach pracy analizowano układy o coraz większym stopniu złożoności. Początkowo zakładano pomijalne wymiary źródła światła, lecz uwzględniano różne krzywe światłości źródeł światła. Dyskretyzacji podlega wtedy tylko
powierzchnia odbłyśnika, gdyż promienie, z którymi związane są elementarne
strumienie świetlne, wysyłane są z jednego punktu. Następnie przeanalizowano
układy z odbłyśnikami o powierzchni o odbiciu kierunkowo-rozproszonym z rozpraszaniem w ograniczonym kącie. W końcowym etapie uwzględniono w obliczeniach rzeczywiste wymiary źródeł światła: kołowych, walcowych i kulistych.
W wyniku badań stwierdzono również, że obliczenia układów bardziej złożonych
można, w określonych przypadkach, zastępować trwającymi krócej obliczeniami
układów prostszych. Odbłyśniki o odbiciu kierunkowo-rozproszonym i małym
kącie rozpraszania mogą być rozpatrywane jako zwierciadlane. Rzeczywiste źródło
światła może natomiast być zastąpione punktowym, gdy jego wymiary są odpowiednio małe w porównaniu z wymiarami odbłyśnika.
Wnioski z przeprowadzonych analiz wykorzystano podczas syntezy kształtów
obrotowo-symetrycznych odbłyśników, realizujących krzywą światłości zapewniającą normatywną równomierność oświetlenia. Proponowana syntetyczna metoda
wyznaczania kształtu odbłyśnika, w najogólniejszym zarysie, polega na porównywaniu strumienia świetlnego wysyłanego przez poszczególne elementy stożkowe
odbłyśnika ze strumieniem świetlnym wymaganym do zrealizowania założonego
celu oświetleniowego. Praktyczna część pracy dotyczyła metodologii projektowania opraw oświetlenia ogólnego z diodami świecącymi LED o dużej mocy, które to
zagadnienie pozostaje obecnie w centrum zainteresowania konstruktorów. Zaprojektowana oprawa o odbłyśniku zwierciadlanym spełniała wszystkie wymagania
normatywne. Praktycznie postanowiono jednak wykonać odbłyśniki z powierzchnią o odbiciu kierunkowo-rozproszonym. Wymagania normatywne dotyczące
ograniczenia luminancji mówią bowiem o średniej wartości luminancji oprawy.
Obawiano się zatem, że miejscowe odbicia zwierciadlane mogą powodować
olśnienie obserwatorów. Wykonano modele odbłyśników o odbiciu kierunkowo-rozproszonym, o trzech różnych stopniach rozproszenia. Wyniki pomiarowe układów modelowych potwierdziły zarówno wystarczającą dokładność analiz prowadzonych z wykorzystaniem metody uporządkowanego śledzenia promieni,
jak i przydatność prezentowanej metody w praktyce projektowej.
Analysis and synthesis of lighting properties
of rotationallyrotationally-symmetric reflectors using
the method of ordered tracing
of elementary luminous fluxes
The main goal of this thesis was to prove the potential application of the method
of ordered tracing of elementary luminous fluxes, originating from a light source,
for conducting analysis and synthesis of lighting properties of rotationallysymmetric reflectors with arbitrary profiles. This process required conducting a
series of analysis on the influence of numeric parameters on the precision of obtained results and their computation speed. In the elaborated method, the main
weight of necessary calculations is related with determination of values of individual elementary luminous fluxed and reflection directions for individual rays.
Despite the smaller assumed dimensions of the reflector surface (when compared
with the classical method) and an increased number of calculations resulting from
this fact, the calculation algorithms turned out to be much simpler and quicker.
Once the initial digitization (the process which depends on the parameters of the
examined system) of the reflector surface and the light source is done, the following steps are the same for all examined cases. Calculating values of all individual
elementary luminous fluxes and their separation (based on reflection directions
of their central rays) into complex, elementary solid angles results in determination
of the complete luminous intensity distribution solid of the system at once.
In the presented method, the author approximates the reflector surface using
only conical elements. In the previously proposed calculation algorithms, such an
approximation was used only in exceptional cases and only in luminaires with light
sources with large light emitting surfaces. In such systems, the reflector shape has a
secondary effect on the lighting properties of the luminaire. In other cases, approximation with conical elements resulted in a non-uniform luminous intensity distribution solid for the examined luminaire or the reflector profile. In this work, we proved
that it is possible to analyse an arbitrary rotationally-symmetric system based on
digitization of its surface into conical elements of appropriately small sizes.
In the following stages of the work, we examined systems with an increasing
level of complexity. First, the light source dimensions were disregarded, though
various luminous intensity curves for the light sources were examined. In such
a case, only the reflector surface was subject to the digitization process, since rays closely related with the elementary luminous fluxes - are emitted then from a single point. Next, systems with reflectors with surface with directional-dissipating
properties were examined, using limited-angle dissipation effects. In the final stage
of the work, calculations account also for real dimensions of the light sources: flat,
circular, cylindrical and spherical ones. In the result of the conducted research,
it was also concluded that calculations of very complex systems may under specific
conditions be represented with calculations of much simpler systems, which take
less time to converge. Reflectors with directional-dissipating properties and a small
dissipation angle can be examined as a subtype of mirror reflectors. Real light
sources might be replaced with point light sources, once that the dimensions
of such a real light source are sufficiently small when compared with the dimensions of the examined reflector.
Conclusions from the conducted analyses were used for synthesis of shapes
of various rotationally-symmetric reflectors, implementing specific luminous intensity curves guaranteeing in turns a normative lighting uniformity. The proposed
synthetic method of determining reflector shapes, in most generic terms, is based
on comparing the luminous flux emitted by individual conical elements of the examined reflector with the luminous flux required to implement a specific lighting
target. The practical part of this work was focused on methodology of designing
general purpose lighting luminaires using high-power LED sources, which is currently one of the main points of interests of many designers and companies.
The designed luminaire with a mirror reflector met all the necessary normative
requirements. For practical reasons, it was decided to implement reflectors with
surface with directional-dissipating properties. The normative requirements related
with luminance limitation clearly indicate the average luminance value per luminaire and there were concerns that local mirror reflections might cause glare
in observers. Models of reflectors with a directional-dissipating surface were
manufactured, with three degrees of dissipation. The measurement results for the
aforementioned models confirmed sufficient precision of analyses conducted using
the method of ordered ray tracing as well as the applicably of the presented method
in general design practice.