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邹吉平照明行业

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灯具配光曲线及其标准格式

1. 引言

传统的利用系数法、点照度法、概算曲线等照度计算方法主要依靠厂家提供灯具配光的印刷资料,在照明设计时,不仅繁琐费时,而且这些方法得出的结果准确性差。在过去十多年,国外照明行业的生产企业、软件商、设计公司纷纷走进中国市场,给国内的照明设计注入了新活力,使新一代的年轻照明设计师们更方便更准确地采用照明设计软件计算照度,计算机辅助照明设计LCAD技术在国内有了长足的发展。因此,灯具的配光曲线就必须采用标准的电子文档格式书写,以便能够被各照明应用软件读取。为了正确地使用照明软件,准确地在软件中布置灯具,照明设计们必须正确理解灯具配光曲线的电子文档格式。

 

2. 灯具配光曲线及其标准

配光是指光源(灯具) 在空间各个方向的光强分布,其表示方法有配光曲线、空间等照度曲线、平面相对等照度曲线、光强分布表格及数学函数表示等。在过去,使用最广泛、计算也比较方便的是配光曲线,有极坐标表示法和直角坐标法等。灯具制造厂商一般会根据其灯具类型提供相关的印刷资料,对于投光灯,一般采用直角坐标表示法;对于室内灯具和道路灯具,多采用极坐标表示法;为了计算方便,还提供利用系数曲线、概算曲线等。在照明设计软件得到普遍应用的今天,照明厂家除了提供印刷版的直角坐标或极坐标配光曲线外,还必须提供电子文档格式的配光文件,很少再提供概算曲线和利用系数曲线。

随着众多的计算机软件在照明工业中的应用,不同软件之间的文件格式兼容性变得越来越重要,包含灯具光度数据的文件必须在不同软件里兼容。目前,国际上比较流行的配光文件格式的标准有 CIBSE TM-14EULUMDATCIE 102IESNA LM-63等标准,应用最为广泛的是IESNA LM-63EULUMDAT标准。北美和欧洲已经分别选择了IES LM-63EULUMDAT标准,英国的照明制造商已经选择TM14标准。

 

3. 配光曲线标准分类

3.1 IESNA LM-63标准

1986年,北美照明工程师社区IESNAIllumination Engineering Society of North America)出版了最早的灯具和光源配光电子版信息制作的工业标准,发行灯具配光曲线的电子文档格式,即:IES推荐的配光资料电子版转换标准格式(IESNA LM-63-1986: IES Recommended Standard File Format for Electronic Transfer Photometric Data),很快被北美照明制造行业厂家和照明计算软件开发公司积极响应。这标准在1991年进行了修改,增加了一些关键字。1995年又做了修订,澄清了一些模棱两可的条款,而且其标题扩展为“配光资料及相关信息电子版转换的IES标准文件格式”,所有修订的新版本都能和以前的旧版本兼容。

经过199119952002年三次修订后,目前使用的2002年标准已经在20028月得到美国国家标准学会(American National Standard Institute, ANSI)批准认可,IESNA LM-63-2002 (IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data) 已经成为北美唯一使用的配光文件格式,文件扩展名为“*.ies”。在我国已经有少数照明厂家和检测机构开始用IESNA标准进行配光检测与发行IES配光文件。

3.2 CIBSE TM-14标准

英国注册建筑服务工程师协会(Chartered Institution of Building Services Engineers紧跟着北美照明工程师社区,于1988年出版了CIBSE TM14-1988, “CIBSE Standard File Format for the Electronic Transfer of Luminaire Photometric Data”,目前,其1998年修订版本在英国广泛采用。

3.3 EULUMDAT标准

1990年,德国柏林照明咨询公司(Light Consult Inc. Berlin, Germany)的照明软件工程人员Axel Stockmar提出EULUMAT格式的配光曲线,即:”Proposal for a Data Format for Exchange of Luminaire Data (Interior, Exterior, and/or Road Lighting Luminaires) Under the Operating System MS-DOS 2.x/3.xx Under Condition of Unequivocal Coordination Between Luminaire and Data Set”,文件扩展名为“*.ldt”。虽然到目前为止还没有官方的文件来规定EULUMDAT格式,但它实际上已经成为除了英国以外的其他欧洲照明生产企业采纳遵循的标准。

3.4 CIE 102标准

国际照明协会CIE1993年出版了CIE 102标准的配光文件格式,即:“Recommended File Format for Electronic Transfer of Luminaire Photometric Data”,尽管它具有世界性范围,是一个涉及面很广泛而设计很好的格式,但它没有得到任何照明制造行业或商业性照明软件研发公司的支持,很少照明企业采用CIE 102格式的配光文件格式。

3.5 其他标准

如今,还有其他几个工业标准的配光曲线格式在使用中,包括EULUMDAT/2 (LCI, Germany), LTLI (Lys & Optik, Denmark), TBT (Toshiba, Japan), and CEN (European Committee for Standardization).

 

4. IESNA标准格式举例

4.1 解读IESNA LM-63-1995标准格式

所有IESNA LM-63格式的配光曲线文件名都必须以“ies”扩展名结束,采用ASCII文本文件,所有文件的第一行必须为IESNA91IESNA: LM-63-1995IESNA: LM-63-20021986年版本没有这规定),以便表示文件的开始,也区别于其他文件格式。跟在IESNA: LM-63-2002其后,直到“[TILT] =”之前,是关键字部分,每个关键字都加上方括号“[    ]”,其格式如下:

   IESNA: LM-63-1995

   [Keyword 1] 关键字资料

   [Keyword 2] 关键字资料

   …………………………

   [Keyword n] 关键字资料

   TILT = <filename> or INCLUDE or NONE,光源倾斜产生的光输出变化 = “反应光输出变化的文件名或“包括下面光输出变化参数”或“光输出无变化”

  

当且仅当TILT=INCLUDE

 

时,才出现这四行。

<光源相对于灯具的位置>

   <倾斜角度的数量>

   <角度大小>

   <与角度对应的光输出变化系数>

   <光源数量> <每只光源的光通量> <光强的乘数因子> <垂直角度的数量> <水平角度的数量> <配光曲线种类> <单位的种类> <发光面宽> <发光面长> <发光面高>

   <镇流器系数>  <未来使用系数>  <输入功率>

   <垂直角度数列>

   <水平角度数列>

   <所有第一行水平角度的光强值数列>

   <所有第二行水平角度的光强值数列>

   ………………………………………….

   <所有最后一行水平角度的光强值数列>

注:标注“?”的每行必须新起一行,没标“?”的部分可以新起一行,也可以在同一行,所有文件一般都包括检测报告编号[TEST]、配光检测实验室名称[TESTLAB]、灯具制造商发行IES文件的日期[ISSUEDATE]、灯具制造商名称[MANUFAC]等关键字;所有其他选项为可选择部分,推荐包括灯具产品代码[LUMCAT]、灯具描述性语言[LUMINAIRE]、光源产品代码[LAMPCAT]、光源描述性语言[LAMP]等几个关键字等。   

4.2 IESNA LM-63-1995实例

IESNA: LM-63-1995

[TEST] 85042208 PUBLISHED CURVE CREATED

[MANUFAC] GE Lighting Systems - Hendersonville, NC, USA

[SEARCH] ROADWAY M2RC

[LUMINAIRE] M-250R2 CUTOFF

[DISTRIBUTION] MC3

[LUMCAT] M2RC25S***GMC3

[LAMP] 1; 250W HPS, CLEAR ED18, HORZ

[LAMPCAT] GE LU250

[OTHER] HSNG: CAST HOUSING CAST DOOR/COVER

[MORE] REFL: SEMI-SPEC HYDROFRM ALUM

[MORE] ENCL: CLEAR SHEET GLASS

[MORE] ACSY:

[MORE] SOCKET POSITION: 1DH

[MORE] COMMENT:

TILT=NONE

1 28000 2.8000 20 36 1 1 0.9 1.1 0.0

1.0 1.0 305

 0 5 15 25 35 45 55 60 62.5 65 67.5 70 72.5 75 77.5 80 82.5 85 87.5 90

 0 5 15 25 35 45 52.5 55 57.5 62.5 65 67.5 72.5 75 77.5 82.5 85 87.5 92.5 95 97.5 102.5 105 107.5 112.5 115 117.5 122.5 125 127.5 135 145 155 165 175 180

 2513 2576 2611 2451 2046 1678 935 624 468 312 240 168 96 23 18 12 6 0 0 0

 2513 2596 2664 2443 2109 1819 1042 726 568 410 317 224 131 38 28 19 10 0 0 0

……………………………………………………………………………………..

 2513 2350 1933 1439 1026 838 654 479 391 304 238 173 108 42 32 21 10 0 0 0

4.3 值得注意的几个问题

4.3.1 灯具光域网(Photometric Web)及其分类

灯具的光度数据(Photometric Data)一般是采用“角度式(分布式)光度测试仪(Goniophotometers)”测量,按照光学中心(Photometric Center)的一个点光源(一般是指光度测试仪的旋转中心)在不同的水平角度和垂直角度上的光强值,利用球状坐标系统描述而得出的光域网来表示。根据灯具使用功能和应用中的旋转角度情况,一般分A类、B类和C类三种不同类型的光域网。A类灯具主要用在汽车灯和信号灯中;B类灯具主要应用在户外或体育场馆中,一般都需要调整角度,如泛光灯和投光灯;C类灯具主要是用在室内或道路中,如室内筒灯、格栅灯、工矿灯、路灯、高杆灯等。图1为角度式(分布式)光度测试仪的旋转镜和灯具的旋转情况示意图,图2为灯具的分类及其坐标系统示意图。

1 角度式光度测试仪及其旋转镜示意图

Fig. 1 Rotating Mirror of Goniophotometer

2 灯具光域网分类及其坐标系统

Fig. 2 Photometric Web Types and Its Coordinates

 

4.3.2 IES文件中的垂直角度与水平角度

从上面的图2看出,不同类型的灯具所定义的垂直角度和水平角度是不同的。对于C类灯具,垂直角度必须从0度或90度开始,以90度或180度结束,水平角度总是以0度开始,根据灯具的对称情况,可以以0度、90度、180度、360度等四种角度结束,各结束角度的情况分别代表灯具全部对称、四象限对称、两象限对称和不对称;对于AB类灯具,垂直角度必须以-90度或0度开始,以90度结束,当灯具配光是对称于垂直平面时,其水平角度可以以0度开始,以90度结束,当灯具不对称时,其水平角度必须以-90度开始,以90度结束。可以采用Photometric Toolbox显示配光曲线的三维曲线模型和相应的坐标系统,现以泛光灯和路灯为例,比较BC两类灯具配光曲线之间的区别,如图3所示。

         

3  BC类灯具的配光曲线比较

Fig. 3 Comparing Type B with Type C

 

4.3.3 发光面形状(Luminous Shape

标准中规定的发光面尺寸不是指灯具的实际外形尺寸,而是指灯具的发光部分的尺寸,这经常给灯具制造商、配光检测机构、软件开发商、照明设计师们产生很多误解性问题。大多数照度计算软件都要求知道灯具的发光面形状,至少需要知道发光面的长宽尺寸。采用光能传递算法的软件需要长宽尺寸来细分发光面表面;采用光线追踪算法的软件需要这些尺寸来决定由什么地方发光,并依此来计算直接照明。IESNA LM-63规定了发光面的长宽高尺寸,这些尺寸最初是被假定为一个长方体盒子,2002年修订后的版本增加了点、长方形、圆形、椭圆形、球体、圆形体、椭圆柱体、各种方向的椭球体等形状。EULUMDAT也定义了灯具发光面长宽尺寸,被称做发光区域(Luminous Area),并以毫米为单位。不同的是,该标准还规定了发光区域的四个独立高度来表示垂直平面上的090180270度方向的高度。CIBSE TM-14采用眩光形状代码(Glare Shape Code)来定义发光面尺寸,分长方体、球体、垂直圆柱体、水平圆柱体、或其他形状等。还规定了相关灯具的底面、侧面和灯具端面。

很多照明厂商都采用长方体模型,少数厂商也采用无量纲的点。如采用无量钢的点来定义发光面形状,在照明设计软件应用中会导致很多问题,照明设计师不得不采用写字板工具来编辑IESNA LM-63格式的配光曲线,以确保其长宽尺寸不是零。

4.3.4 灯具的光学中心

发光面通常被假定置于灯具的光学中心,在CIE 121-1996中,把光学中心定义成“距离最大光强密度点最近的点”,但它并没有规定如何来量取这点。IES LM-41-98标准比较具体,规定光学中心按照灯具的安装方式(如嵌入式安装、吸顶式、悬挂式)和照明方式(如直接式、间接式、半直接式)规定光学中心,但是这些信息并没有在IESNA LM-63-95标准格式中规定,只有修订后的IESNA LM-63-2002标准中有详细规定。

对于吊装型灯具,照明应用软件对光学中心的准确性要求不高,但对于嵌入式灯具和吸顶式灯具就不一样了,如果照明设计软件具有可视化渲染的功能时,就需要照明设计师给出灯具的物理模型,并把具体的发光面的安装位置和方向置于灯具中。为了避免天花板会挡住灯具发出来的光,必须保证发光面被置入天花板平面以下。如果光学中心和天花板平面刚好一致的话,将产生一个共面的问题,光线是否被天花板挡住就取决于浮点运算中的累计舍入误差,这就意味着在实际应用中,问题的出现是随机的。

4.3.5 灯具的方向和位置

一个非对称配光的灯具(如荧光灯洗墙灯具),按照正确的方向把它置入CAD模型中是非常关键的。由于不同系列的IESNA LM标准所规定的光域网(Photometric Web)相对于其灯具外形出现互相出现矛盾的现象。例如,IESNA LM-63-95规范暗示了0180度光域网垂直平面是平行于线型光源的轴线,但IESNA LM-41-98却推荐这种类型灯具的光域网的方向垂直于光源轴线,并且规定0度方向朝向光线投射方向。

很多荧光灯具制造厂家忽略IESNA LM-63-95标准,而按照IESNA LM-41-98标准测试并出具配光曲线,因此,照明设计师在使用软件时必须手动检测IESNA LM-63的文本文件,来确定是平行于还是垂直于光源的轴线。如果这信息没有标识在配光文件的文件头中,照明设计师就需要联系制造厂家以获取相关信息。由于在欧洲普遍采用EULUMDAT标准,但没有相关文件来确定灯具的光域网和灯具的几何尺寸之间的关系,所以多数灯具是按照CIE 121-1996标准检测,对于在垂直平面90270度方向的光强分布对称的灯具,其规定非常模糊。

4.3.6 国标测试灯具光度数据遇到的问题

我国配光检测有三个标准:GB 9467-1988 室内灯具光度测试、GB-T207002-1986投光照明灯具光度测试、GB 9468-1988 道路照明灯具光度测试。这三个标准主要参照CIE相关标准编制,但由于CIEIESNA标准之间的差异性,这给照明设计者、灯具厂商、软件开发商等人员带来一些问题。例如:GB规定的路灯检测时,定义顺着行车方向为C0平面 (如图4所示),而IESNA规定为垂至于马路为C0平面,两个标准间存在90度的差异。因为照度计算软件一般都按照灯臂的方向(IESNAC0-C180方向)调整路灯的倾斜角度,由于这90度差异,按照GB检测的路灯在软件中就无法准确调整倾斜角度。除非照度软件同时支持CIEIESNA标准,照明设计师可以根据经验选择合适的标准计算。

4 GB-T207002规定的道路灯具测试方式

Fig. 4 Testing Mode Specified by GB-T207002

 

5. 结束语

推广灯具制造CAD和照明应用CAD技术是我国照明行业在“十一五计划”期间发展的重点任务之一,配光曲线的电子文件是连接灯具生产与应用间的桥梁,我国照明制造厂家、检测机构、软件开发与应用、照明设计等行业都需要尽快熟悉灯具配光及其标准格式,以推动整个行业发展。

 

 

参考文献

1.      Ian Ashdown. Thinking Photometrically Part. Lightfair International 2001 Workshop Notes. Las Vegas, NV

2.      IES LM-63-95, IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data.

3.      ANSI/IESNA LM-63-2002, IESNA Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information (to appear).

4.      CIBSE TM14: 1988, CIBSE Standard File Format for the Electronic Transfer of Luminaire Photometric Data.

5.      Stockmar, A. W. EULUMDAT–ein Leuchtendatenformat für den europ?ischen Beleuchtungplaner. Tagungsband Licht, 1990641644

6.      CIE 102-1993, Recommended File Format for Electronic Transfer of Luminaire Photometric Data.

7.      IESNA Computer Committee. The Lighting Software Directory. LD+A Lighting Design + Application, 2005(9): 6977

8.      Judith Block, John Bullough, Mariana Figueiro. IESNA Lighting Handbook. 9th Edition. New York: The Illuminating Engineering Society of North America

9.      GB 9468-1988,道路照明灯具光度测试.

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