一种用于隧道防眩光的照明设备

技术领域

本发明涉及光学照明技术领域，尤其涉及一种用于隧道防眩光的照明设备。

背景技术

照明系统是保障隧道行车安全的一个重要组成部分，早在20世纪60 年代欧洲就对隧道的照明进行了专门研究并制定标准。80年代后，世界各国相继出台了隧道照明规范；以规范隧道照明的设计和施工，减少交通事故。但照明标准目前大多是针对传统光源设计的，主要以高压钠灯为主，近5年来，随着LED照明技术的发展以及在国家发改委等部委的大力推广下，LED逐步应用到隧道照明领域，但仍以替换传统灯具为主，主要表现在点对点的替换，个别的采用了LED日光灯管进行替换，效果也不理想。

现有技术中，由于照明灯的设计没有考虑到在半封闭空间内视觉的局限性、眩光指数等指标，尤其是对于螺旋隧道，弯曲隧道不同于平直隧道，弯曲段驾驶员视野的正前方是隧道的外侧墙壁，目标识别及判断变得尤为重要，前方外侧墙壁的照明灯具如果采用传统照明光源，会产生眩光，驾驶员在眩光下无法准确识别目标，进而很大程度上会造成危险驾驶的风险。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于隧道防眩光的照明设备，用以解决现有隧道内照明设备采用传统的照明等，产生的眩光造成驾驶员无法准确识别目标或扰乱驾驶员的视线，从而容易造成交通事故的问题。

本发明提供了一种用于隧道防眩光的照明设备，所述照明设备包括多个灯具，所述多个灯具对称排布在隧道两侧；

每一灯具包括多个排列成一字的照明模组；

所述每一照明模组均包括照明灯、光束调整器；

所述光束调整器用于将所述照明灯产生的对称光源调整为单向出光的非对称光源，所述非对称光源的中心光束方向与隧道行车方向之间的夹角为锐角。

进一步，所述照明灯为LED。

进一步，所述光束调整器为透镜组或单曲面透镜。

进一步，所述透镜组包括三个由内向外层叠设置的曲面透镜，相邻曲面透镜之间设置一定的空气间隔；所述三个曲面透镜按照由内向外的顺序，依次将照明灯的光束方向向隧道行车方向偏转一定的角度，最终使得照明灯产生的对称光源调整为单向出光的非对称光源。

进一步，按照如下方式确定三个曲面透镜的面型结构：获取各层曲面透镜的非对称配光曲线；基于所述配光曲线，利用环带能量法获取每一层曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系，基于所述映射关系得到该层曲面透镜上每个环带的出射角；根据上述出射角确定每个曲面透镜的面型结构。

进一步，按照如下方式确定单曲面透镜的面型结构：获取单曲面透镜的非对称配光曲线；基于所述配光曲线，利用环带能量法获取单曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系，基于所述映射关系得到所述单曲面透镜上每个环带的出射角；根据上述出射角确定所述单曲面透镜的面型结构。

进一步，所述灯具还包括灯板，所述灯板为PCB板，所述照明灯、光束调整器安装于灯板上；所述灯板上具有凹槽，将所述透镜组/单曲面透镜的底部放置在凹槽中，并在凹槽中灌注密封胶固定所述透镜组/单曲面透镜。

进一步，所述照明设备还包括龙骨架；多个灯具以预设间距安装于所述龙骨架上；所述龙骨架上设置有安装支架，所述灯具安装在所述支架上，并能够沿着隧道行车方向旋转。

进一步，所述预设间距为1米，灯具长度的取值范围为[0.8m,1m]，灯具形成的出光面长宽比≥18。

进一步，所述照明设备还包括图像采集单元用于采集驾驶员面部图像，并将所述面部图像发送至数据处理单元；

数据处理单元基于疲劳识别模型，对所述面部图像进行疲劳识别，输出识别结果至控制单元；

当识别结果为疲劳驾驶时，所述控制单元控制隧道入口段的照明灯具开始闪烁，以唤醒处于疲劳驾驶状态的驾驶员。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明提出的用于隧道防眩光的照明设备，通过光束调整器对入射光(即照明灯发出的光线)进行调整，使经光束调整器调整后产生的出射光的方向与隧道内的行车方向同向，从而能够防止照明设备产生的光线直射驾驶员眼睛产生眩光，影响驾驶员准确识别行驶路线，有效避免眩光导致的交通事故等危险。

2、本发明的光束调整器可以是单曲面透镜，也可以是透镜组，采用单曲面透镜使得出射光束调节具有更高的精度；所述透镜组包括由内至外依次层叠设置的三个曲面透镜，通过上述三个曲面透镜逐渐调节照明灯的光束方向，能够大大降低曲面透镜的设计和加工难度，并且采用三个曲面透镜组合的光束调节器在实现光束调节的基础上，能够保持高达 90％以上的透光效率。

3、本发明通过设置灯具的间距以及灯具中各个照明灯之间的间距，在防止眩光的同时，能够提高隧道内照明的均匀性，为隧道内驾驶员提供友好的照明环境。同时能够使相邻照明灯产生的光束的照明范围能够连续，从而在保证正常照明的情况下，很大程度上提高了光的利用率，降低了照明设备的成本。

4、本发明提出的照明设备，通过采集驾驶员人脸图像，并对图像进行疲劳状态识别，当识别驾驶员处于疲劳状态时，能够控制隧道入口段的照明灯具闪烁，以此来唤醒驾驶员，提高其注意力，能够避免隧道内交通事故的发生。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有技术中常规隧道照明灯具产品的光线轨迹模拟图的示意图；

图2为本发明实施例用于隧道防眩光的照明设备布局示意图；

图3为本发明实施例具有多个照明模组的灯具示意图；

图4(a)为本发明实施例光束调整器的正视图；

图4(b)为本发明实施例光束调整器沿A-A剖面的示意图；

图5为本发明实施例隧道内照明设备的光线轨迹示意图；

图6为本发明实施例目标配光曲线的示意图；

图7为本发明实施例相邻两个照明灯间的照明光束示意图；

图8为本发明实施例龙骨架结构示意图；

图9为本发明实施例灯具在龙骨架上的安装结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

现有技术中，由于隧道的低矮空间灯具安装高度不足，对称配光的灯具中心光轴垂直路面，迎着驾驶员方向的光线必然会形成眩光。眩光不但会造成视觉上的不舒适，还会延长人对物体的辨认时间，强烈的眩光会损害视觉甚至引起短暂失明，控制眩光对安全驾驶照明非常重要。

常规道路及隧道照明设备，无论是“蝙蝠翼”型配光还是朗伯配光，都是对称配光的光源，对某一固定点来说，光线中心光轴与路面垂直，示例性的，图1是常规隧道照明灯具产品的光线轨迹模拟图。可见在常规的灯具设计中，眩光的影响较大。

基于上述现有技术的缺陷，本发明的一个具体实施例，公开了一种用于隧道防眩光的照明设备，以克服上述缺陷。具体的，如图2-4所示，本发明实施例提出的照明设备包括多个灯具，所述多个灯具对称排布在隧道两侧；每一灯具包括多个排列成一字的照明模组；

所述每一照明模组均包括照明灯、光束调整器；

所述光束调整器用于将所述照明灯产生的对称光源调整为非对称光源，所述非对称光源的出射方向与隧道行车方向一致。

具体的，照明灯用于产生对称光源。优选的，照明灯为LED光源。

光束调整器用于将照明灯产生的对称光源调整为非对称光源，所述非对称光源的输出光束为单向光束，所述单向光束的出射方向与隧道行车方向一致。具体如图5所示，照明设备的中心光轴顺着行车方向与路面成一定角度的非对称配光，减少眩光，削减掉逆向行车方向的光线，即削减直射入驾驶员的直射光，使得照明光线指向行车方向，这样既有利于目标识别，又克服了眩光。

需要说明的是，本发明实施例中的隧道指的是单向隧道。

优选的，光调整器为透镜组或单曲面透镜，能够对照明灯产生的对称光源的出射方向进行调整获得单向出射的光束。

示例性的，为使调整后的光束方向达到防眩光的效果，与隧道行车方向相反侧的出光方向一般不能大于40°，考虑到照明面积，可以加大与隧道行车方向相同侧的出光方向的角度，例如增大到60°，因此为防止眩光、并保证照明的均匀度，提高光源利用率，设置最终调整后光束出射满足如下要求，在0°-180°的截面上光束发散角为78.3°，90°-270°截面上光束发散角为48.4°，30°-210°截面上发散角为77°，在60°-240°截面上发散角为60.5°，形成如图6所示的单向非对称目标配光曲线。可见，与照明灯出射的对称光束相比，所需的目标光束发散角在各截面上都有很大缩减，并且光束中心光轴由原来的垂直于路面方向向行车方向偏转。

要将照明灯的对称光束转换为上述非对称的光束，本申请提供了两种不同的手段，一种是采用单曲面透镜实现，另一种是采用透镜组实现。采用单曲面透镜的优点是光束调节精度高，但由于光束需要调整的角度非常大，因此形成的单曲面透镜面型复杂，加工难度较大。为降低曲面透镜的面型复杂度以及加工难度，另一种方式是采用三个曲面透镜组合的方式，通过三个曲面透镜逐渐调整光束的出射方向，使得最终出射光束满足目标配光曲线。

具体的，如图4所示，所述透镜组包括三个由内向外层叠设置的曲面透镜，相邻曲面透镜之间设置一定的空气间隔；所述三个曲面透镜按照由内向外的顺序，依次将照明灯的光束方向向隧道行车方向偏转一定的角度，并且逐步缩小光束发散角，最终使得照明灯产生的对称光源调整为具有如图5所示的单向出光的非对称光源。

具体的，按照如下方式确定三个曲面透镜的面型结构：

S1、获取各层曲面透镜的非对称配光曲线；

采用三个曲面透镜逐渐调整光束的出射方向和光束发散角，所述光束的出射方向是指光束中心轴与行车方向之间的夹角。

首先，最内侧的曲面透镜，通过该曲面透镜对光束的调整，使得各截面光束发散角缩小一定角度，且光束出射方向向行车方向偏转一定角度，可以得到经最内侧曲面透镜调整后的光束出射方向和光束发散角，并结合路面的照度均匀度的要求，可以获取该最内侧曲面透镜对应的配光曲线；

具体的，所述每一曲面透镜对应的光束发散角缩小的角度以及光束出射反向的偏转角度可以预先设定，只要保证经过三个曲面透镜后由最后一个曲面透镜出射的光学满足如图6所示的目标配光曲线即可。

最内层曲面透镜的出射光线经过一定的空气间隔的传播后，到达中间层曲面透镜，因此根据光线传播原理可以得到到达中间层曲面透镜入射面的光束，将该光束作为中间层曲面透镜的入射光束，中间层曲面透镜对其入射光束进行调整，使得出射光束的发散角进一步缩小，并且光束出射方向进一步向行车方向偏转，可以得到中间层的曲面透镜调整后的光束出射方向和光束发散角，并结合路面的照度均匀度的要求，可以获取该中间层曲面透镜对应的配光曲线；

同理，中间层曲面透镜的出射光线经过一定的空气间隔的传播后，到达最外层曲面透镜，因此根据光线传播原理可以得到到达最外层曲面透镜入射面的光束，将该光束作为最外层曲面透镜的入射光束，最外层曲面透镜对其入射光束进行调整，使得出射光束的发散角进一步缩小，并且光束出射方向进一步向行车方向偏转，可以得到最外层的曲面透镜调整后的光束出射方向和光束发散角，该最外层的曲面透镜的出射光束即为最终所需要的目标光束，结合路面的照度均匀度的要求，可以获取该最外层曲面透镜对应的配光曲线，该配光曲线即为目标配光曲线，如图6所示。

在获得各层曲面透镜对应的配光曲线后，即可进行步骤S2。

S2、基于所述配光曲线，利用环带能量法获取每一层曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系，基于所述映射关系得到该层曲面透镜上每个环带的出射角；根据上述出射角确定每个曲面透镜的面型结构。

具体的，在步骤S2中，根据各层曲面透镜的非对称配光曲线基于环带能量法建立所述曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系；

具体的，对于最内层曲面透镜，计算照明灯的环带能量分布作为该层曲面透镜的入射环带能量分布，并以配光曲线为基础计算出射环带能量分布，从而将曲面透镜入射光线与出射光线建立以环带为单位的映射关系，即曲面透镜入射角与出射角间的映射关系，即可获取每个环带对应的出射角；

对于中间层以及最外层曲面透镜，其入射光线是指前一层曲面透镜的出射光线经一定的空气间隔传播后得到的光线，因此将前一层曲面透镜出射光线经一定空气间隔传播后形成的环带能量作为本层入射环带能量，并以本层配光曲线为基础计算出射环带能量分布，从而将该层曲面透镜入射光线与出射光线建立以环带为单位的映射关系，即曲面透镜入射角与出射角间的映射关系，即可获取该层曲面透镜每个环带对应的出射角。

其中，计算入射环带能量分布与计算出射环带能量分布均为现有技术，在此不再赘述。

以出射角度表示出射光线，通过下述公式描述曲面透镜：

sin(α

其中，(x,y,z)为曲面透镜上动点P的坐标，α

具体的，所述三个曲面透镜之间的空气间隔可以根据透镜组尺寸设计要求确定。

在另一实施例中，所述光束调整器为单曲面透镜。

具体的，按照如下方式获取单曲面透镜的面型结构：

S1、获取单曲面透镜的非对称配光曲线；

如前所述，为使调整后的光束方向达到防眩光的效果，与隧道行车方向相反侧的出光方向一般不能大于40°，考虑到照明面积，可以加大与隧道行车方向相同侧的出光方向的角度，例如增大到60°，因此为防止眩光、并保证照明的均匀度，提高光源利用率，设置最终调整后光束出射满足如下要求，在0°-180°的截面上光束发散角为78.3°，90°-270°截面上光束发散角为48.4°，30°-210°截面上发散角为77°，在60°-240°截面上发散角为60.5°，形成如图6所示的单向非对称目标配光曲线。

由于采用单曲面透镜，该目标配光曲线即作为单曲面透镜的配光曲线。

S2、基于所述配光曲线，利用环带能量法获取单曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系，基于所述映射关系得到单曲面透镜上每个环带的出射角；根据上述出射角确定单曲面透镜的面型结构。

具体的，在步骤S2中，根据单曲面透镜的非对称配光曲线基于环带能量法建立所述单曲面透镜两侧的入射光线与出射光线间的映射关系。

计算照明灯的环带能量分布作为单曲面透镜的入射环带能量分布，并以目标配光曲线为基础计算出射环带能量分布，从而将曲面透镜入射光线与出射光线建立以环带为单位的映射关系，即曲面透镜入射角与出射角间的映射关系，即可获取每个环带对应的出射角。

其中，计算入射环带能量分布与计算出射环带能量分布均为现有技术，在此不再赘述。

以出射角度表示出射光线，通过下述公式描述单曲面透镜：

sin(α

其中，(x,y,z)为单曲面透镜上动点P的坐标，α

具体的，所述曲面透镜的材质为PMMA。

本领域技术人员能够已知的，根据确定的目标配光曲线，具体通过对透镜的二次光学设计可以获得具有明确指向性、非对称配光、高出光效率透镜组或单曲面透镜，提高照射均匀度和减少眩光对司驾人员的影响，提高司驾人员目标识别能力。并且通过上述三个曲面透镜逐渐调节照明灯的光束方向，能够大大降低曲面透镜的设计和加工难度，并且采用三个曲面透镜组合的光束调节器在实现光束调节的基础上，能够保持高达90％以上的透光效率。

优选的，所述灯具还包括灯板，所述灯板为PCB板，所述照明灯、光束调整器安装于灯板上。

具体的，如图7所示，所述灯板为一体的PCB板，所述灯板上设置有多组照明灯和光束调整器。

通过合理设置各照明灯之间的安装距离，可以使得出射光束互不遮挡，且能够形成连续的照度均匀的照明区域，优选的，各照明灯之间的距离设置为22mm。

为便于光束调整器的安装，所述灯板上具有凹槽，将所述透镜组/单曲面透镜底部放置在凹槽中，并在凹槽中灌注密封胶固定所述透镜组/单曲面透镜，所述照明灯固定于灯板之上，且位于所述光束调整器与灯板形成的密闭空间中，这样可以对照明灯起到一个保护作用。

优选的，照明设备还包括龙骨架；多个灯具以预设间距安装于所述龙骨架上。龙骨架结构如图8所示。

为便于灯具的安装，所述龙骨架上设置有安装支架，所述灯具安装在所述支架上，并能够沿着隧道行车方向旋转，如图9所示。

亮度变化形成的斑马线在高速行驶过程中形成的闪烁，根据标准要求，闪烁频率低于2.5Hz或高于15Hz。以设计时速80km/h计算，亮度变化间距应大于8.5m或小于1.47m。为了形成准连续照明效果，彻底克服斑马效果光线的明暗闪烁，提高照明均匀度，并起到引导增强的效果，本发明采用防眩光的低功率密度的准连续布置技术，灯具之间的所述预设间距为1m，灯具长度的取值范围为[0.8m,1m]，灯具形成的出光面长宽比≥18。

具体的，所述照明设备还包括直流电源，所述直流电源为灯具供电，并以一定间距安装在龙骨架上。

为了保证系统的安全可靠运行，系统采用集中供电方式，综合考虑线损因素、电源故障影响长度因素、经济因素等各方面，每15m至40m 一个集中直流供电电源，如图1所示。

本发明实施例公开的用于隧道防眩光的照明设备，首先，通过光束调整器对入射光(即照明灯发出的光线)进行调整，使经光线调整器调整后产生的出射光的方向与隧道内的行车方向同向，从而能够防止照明设备产生的光线直射驾驶员眼睛产生眩光，影响驾驶员准确识别行驶路线，有效避免眩光导致的交通事故等危险。其次，本发明的光束调整器包括由内至外依次层叠设置的三个曲面透镜，通过上述三个曲面透镜逐渐调节照明灯的光束方向，能够大大降低曲面透镜的设计和加工难度，并且采用三个曲面透镜组合的光束调节器在实现光束调节的基础上，能够保持高达90％以上的透光效率。本发明实施例公开的用于隧道防眩光的照明设备，通过设置灯具的间距以及灯具中各个照明灯之间的间距，在防止眩光的同时，能够提高隧道内照明的均匀性，为隧道内驾驶员提供友好的照明环境。同时能够使相邻照明灯产生的光束的照明范围能够连续，从而在保证正常照明的情况下，很大程度上提高了光的利用率，降低了照明设备的成本。

隧道是交通事故多发地带，当驾驶人员处于疲劳状态时更容易引发交通事故，为避免因疲劳驾驶导致交通事故出现，本发明还提供了一种优选的实施方式。

在该实施方式中，所述照明设备还包括图像采集单元、数据处理单元、控制单元；

图像采集单元用于采集驾驶员面部图像，并将所述面部图像发送至数据处理单元；

数据处理单元基于疲劳识别模型，对所述面部图像进行疲劳识别，输出识别结果至控制单元；

当识别结果为疲劳驾驶时，所述控制单元控制隧道入口段的照明灯具开始闪烁，以唤醒处于疲劳驾驶状态的驾驶员。

具体的，所述图像采集单元安装在隧道入口处，对即将进入隧道的车辆中驾驶人员的人脸图像进行采集。

为使得图像采集单元能够在白天和夜晚都能采集到清晰的图像，优选的，图像采集单元为红外面阵探测器，用于采集人脸的灰度图像。

所述数据处理单元中具有预先训练好的疲劳识别模型，并利用疲劳识别模型对接收的人脸图像进行疲劳识别，输出识别结果，具体的，识别结果包括疲劳状态和正常状态，并将识别结果输出至控制单元。

实施时，所述疲劳识别模型采用现有的神经网络模型、SVM模型等能够基于面部图像进行疲劳识别的模型。

具体的，所述数据处理单元可以是CPU。

具体的，所述控制单元还包括无线发射模块，所述控制单元通过无线发射模块向入口段各照明灯具发送控制信号，以控制所述照明灯具闪烁。

具体的，所述控制信号为PWM脉冲信号。

控制单元接收数据处理单元发来的疲劳识别结果，当所述识别结果为疲劳状态时，控制单元产生控制信号，通过内部的无线发射模块将该控制信号发送至各照明灯具。

具体的，所述照明灯具还包括无线接收模块、放大器以及继电器；所述继电器的常闭触点接入照明模组的供电回路中；所述无线接收模块用于接收控制单元发送的控制信号，放大器对所述控制信号放大后送入继电器的线圈控制端，进而控制继电器的通断，使得照明灯具开始闪烁。

可以理解的，所述无线接收模块用于接收控制单元中的无线发射模块发送的控制信号，并将该控制信号输出至放大器，由放大器对控制信号进行放大，并将放大后的信号发送至继电器的线圈控制端。

具体的，由于继电器的常闭触点接入照明模组的供电回路中，因此，在没有控制信号的情况下，照明模组正常通电进行照明；当照明灯具接收到控制信号时，继电器在控制信号的作用下动作，即在PWM信号为高电平时，继电器动作，常闭触点断开，照明灯具熄灭，当PWM信号为低电平时，继电器保持常闭触点保持闭合，照明灯具发光，由此，在 PWM高低电平的作用下，控制照明灯具形成闪烁的视觉效果。

具体的，所述无线发射模块和无线接收模块可以是Lora模块或 ZigBee模块。

具体的，所述控制单元为微控制器，示例性的，该微控制器为STM32。

本发明实施例通过图像采集模块采集人脸图像并进行疲劳状态识别，当识别结果为疲劳时，能够控制隧道入口段的照明灯具闪烁，以唤醒处于疲劳状态的驾驶员，防止交通事故的发生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。