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LED道路照明灯具配光设计的误区分析——照度均匀性并非亮度均匀性

1. 引言

传统的道路照明灯具主要以高压钠灯HPS (High Pressure Sodium) 为主,其光效为85~140lm/W;高能效白光LED (Light-emitting Diode) 的发光效率已从2002年的30lm/W迅速提高到目前的70~85lm/W,据行业内预测,2010年有望实现100lm/W的目标,2015年达到150lm/WLED与传统光源相比,它具有高能效、体积小、寿命长、使用灵活、无汞污染、调光性能好、无频闪、热辐射低等诸多优势,但也具有单灯功率低、散热难度大、光效有待提高等等技术壁垒问题。据统计,2005年全球路灯高达1.2亿套,中国地区就有1650万套(含台湾地区150万套),尽管LED光源还有许多问题有待解决,目前LED路灯尚属于示范性推广性质,市场规模小且分散,但其发展趋势和前景可观。

 

2. LED道路灯具配光的重要性以及误区

道路灯具的空间光分布是影响道路照明质量与照明效果的关键性因素,它决定了空间或路面任何一点的照度、亮度及眩光等各种光学参数。因此,路面的平均亮度、总体均匀度、纵向均匀度以及阈值增量等评价道路照明质量的参数指标在很大程度上取决于道路灯具配光性能的好坏,采用合理的配光分布是减少光污染、光侵入、提高灯具出射光利用率的主要途径,也是提高照明效率、绿色照明与节能的有效措施之一[1]。对于LED道路灯具而言,研究其配光性能,不仅可以提高道路照明的安全性,还可以节约LED芯片成本,提高LED输出光的利用率。但是,抛弃道路照明的安全性指标,忽视道路照明的亮度标准,不但达不到应有的照明效果,还会给驾驶员带来严重的视觉不适应性(如斑马效应),这样的照明灯具就谈不少节能了。

目前市场上的LED路灯产品都存在一个普遍现场,即:为降低成本,制造厂家们使用尽量少的LED芯片研制LED路灯去替代传统照明的HPS灯具,有些厂家甚至宣称60WLED路灯能替代250WHPS路灯。从光源的输出流明上分析,60WLED光源目前只能输出4200~5100lm的光,而250WHPS光源能输出26000~33000lm的光,考虑HPS灯具的效率损失和配光设计的利用系数损失,HPS250W灯具发出的可利用光仍然是LED60W灯具发出可利用光的3~4倍,从这一点上来说,60WLED路灯绝对不可能实现250WHPS路灯的照明效果。因此,商家们就从明暗视觉曲线或中间视觉的角度,甚至脱离道路照明的亮度均匀性指标而采用照度均匀性取而代之。

照度通常是评价照明质量的主要之一,在照明设计或验收时,亮度计算或检测都比照度要复杂得多,从而亮度指标往往容易被忽视。在谈到道路照明时,很多人误认为亮度与照度就是一个跟反射系数有关的一种转换关系,或者亮度均匀性就是照度均匀性,甚至对亮度概念模糊不清并误认为是照度。如“JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范”中说明沥青路面的亮度是照度的15~22倍,水泥路面是10~13倍。在道路照明领域里,亮度与照度之间的关系非常复杂,其复杂的原因是路面的材质对光线的反射不是均匀漫反射,也不是镜面反射,是跟入射光线方向关系紧密的一种复合反射,其亮度取决于驾驶员的观察方向和光线照射到路面的方向之间的关系,如本文的举例就证实了在某些情况下,沥青路面的亮度与照度之间的比率会小于9,而不是通常大家认为的15~22倍。

 

3. 道路照明的亮度评价指标

国际照明协会CIE在研究道路照明中的安全性方面做了大量工作,一直把亮度标准作为可见度的重要指标之一,而照度参数在评价道路照明的可见度、视觉反映时间、安全性等方面远远不如亮度参数直接。自从CIE1977年出版的CIE NO. 12.2《机动车交通道路照明的建议》以来,路面亮度的概念在道路照明设计标准中起到了重要作用。路面的平均亮度水平 (Average Road Surface Luminance) 影响着驾驶员观看障碍物所需的亮度对比敏感度,因而也影响着视觉的可靠性。根据能见度(可见度)公式[2]

    VL = |Lb - Lo| / ΔLmin           (1)

式中 VL —— 能见度

     Lb —— 背景亮度 (cd/m2)

     Lo —— 障碍物的亮度 (cd/m2)

    ΔLmin —— 亮度差辨别阈值 (cd/m2)

从公式 (1) 看出,障碍物的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度差(对比)才能让驾驶员觉察到障碍物,所需的对比值取决于视角及观察者视场中的亮度分布。视角越大(当观察者至障碍物的距离不变时,障碍物越大),路面亮度越高,对人眼产生的对比灵敏度越高,觉察障碍物的机会也就越大。因此,提高路面平均亮度有利于提高驾驶员觉察障碍物的可靠性,也能改善驾驶员的视觉舒适程度。国际上采用显示能力RP(即看到路面上设定障碍物的概率)来研究平均亮度对视觉功能的影响[3,5](如图1所示),如总体均匀性0.4、阈值增量7%,当路面平均亮度为0.6cd/m2 时,显示能力只有10%;在同样均匀性和阈值增量的条件下,当路面的平均亮度提高到2cd/m2时,显示能力RP可达到80%

1. 平均亮度及均匀性与显示能力的关系

 

4. 道路照明设计中亮度与照度的差异

照度是指单位面积内的受照面(如地面)所接受的光通量的多少,但受照面接受光线后,由于其材质的反射特性不同,在各个观测方向上产生的亮度水平出现差异。常见的反射有镜面反射、定向扩散反射、漫反射、复合型反射、选择性反射、非选择性反射等[4](如图2所示)。不同的路面有不同的反射特性,即使是同一个路面,干燥和潮湿时的反射特性也不同,同一种材质的道路由于不同的磨损程度也会导致不同的反射特性。

2. 各种反射特性分类

 

国际上采用“亮度系数”来说明道路的反射特性,亮度系数定义为:某一点上某方向上的亮度与该点水平照度的比值。由于亮度与观察者的位置有关,因此CIE规定了标准观察者位置,如图3所示,一般,汽车驾驶员注意的区域在前方60~160米处[3],规定标准观察者的高度为1.5m,当计算道路亮度时,观察点横向距离规定为距道路右边1/4车道宽;当计算纵向均匀度时,观察点在为每车道点中心线上;此时的角度范围为0.50~1.50之间。图4示意了观察点与亮度考察点及入射光线之间的角度关系,根据亮度系数的定义,可按公式(2~5)进行亮度计算。CIE30号文件规定r是由β和tanγ决定,并制成表格,这样r表就完整地反映了路面的反射特性。同时CIE使用平均亮度系数Q0、镜面系数S1S2三个参数来概括路面的反射特性,把干燥路面分成RNC三大类。R系列主要是根据欧洲一些国家如荷兰、比利时、德国等的路面样品进行测试得出的,N系列是根据丹麦、瑞典等国家的路面样品进行测试后得出;C系列是CIE和国际道路代表大会常设委员会(PIARC)在1984年的联合技术报告《道路表面和照明》中共同推出的。我国没有做过相关测试,通常采用C1R3来分别计算水泥路面和沥青路面[5]

3. 路面亮度考察的区域示意图

 

4. 确定路面亮度系数的角度

 

L(β,γ) = q(β,γ)E(c,γ)                          (2)

E(c,γ) =                             (3)

L(β,γ) = r(β,γ)                         (4)

r(β,γ)=q(β,γ)cos3ε                              (5)

I (,) =                               (6)

式中β ——光的入射平面和观察平面之间的角度

γ —— 入射光线的垂直角(考虑灯具仰角后的角度)

c —— 灯具配光曲线C平面内的角度

ε—— 照射到计算点P的光线入射角(本文中ε=γ)

Ic,γ)——灯具指向cγ所确定的方向上的光强

r(β,γ)——简化亮度系数

 

5. 基于照度均匀性的LED路灯配光设计

5.1 基于理想等照度曲线的配光设计

路面的照度大小与路面的材质无关,图5示意了C0-C180平面上灯具和路面间的角度关系, 假设灯杆高度为8米,布灯间距为30米,此时的距高比S/H3.75,灯具的光束角最大值为1500,路面的照度为30lx。根据公式(6)很方便地计算出灯具正下方的光强分布,即:

I(0,0) = E(0,0)82/cos300 = 30×82/cos300 = 2048cd

其余各方向的光强可以根据公式(7)计算,并把各方向的光强值按表1列出。

I(0, ) = tanγ)                     (7)

 式中I(0,)——(0,)方向上的光强值

E(0,)——(0,)方向上地面的照度值

H —— 灯杆高度

S —— 布灯间距

根据公式(7)求导后得出最大光强值的角度max69.8度,最大光强值为12837.8cd,按照表1的结果,根据IESNA-2002标准绘制出的配光曲线如图6所示,并将其TYPE V 型的IES电子电子格式导入DIALUXAGI软件可计算出路面上各点的亮度值和照度值大小,图7反映了照度和亮度的结果差异。

1. 基于等照度曲线求解的光强值列表

角度

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

光强值

1920

1896.8

1915.7

1978.2

2089.3

2258.4

2500.9

2840.8

3315.4

3982.4

角度

50

55

60

65

69.8

70

75

75.1

80

90

光强值

4931.8

6299.9

8265.5

10890.1

12837.8

12824.5

530.1

0

0

0

 

5. 灯具C0-C180平面配光分析示意

6. 基于Emin/Emax=1.0C0-C180平面理想配光曲线

7. 基于Emin/Emax=1.0照度与亮度对比

 

从图7看出,在照度非常均匀的路面上,由于观察员和入射光线的相对位置关系,产生了强烈的亮度对比。灯具正下方区域的光线与地面垂直,要达到30lx的照度只需要很少的光,且经地面反射后只有很少一部分能进入驾驶员的眼睛,所以只能产生很少的亮度,而在两灯之间的中间区域类,要达到同样30lx的照度却需要很多的光线,并且这部分光线经地面反射后有时更容易进入驾驶员的眼睛,故而产生很大的亮度,图8显示了驾驶员观察到路面明暗对比情况,这就是斑马效应的概念。斑马效应会导致眼睛的视觉灵敏度下降,驾驶员不易觉察出前方的目标和障碍物,在道路照明中应该尽量避免斑马效应。而评价斑马效应的指标应该是驾驶员方向上的亮度均匀性,并非是照度均匀性。如片面地提高照度均匀性,在很多情况下只会加剧斑马效应的产生。

8. 斑马效应示意图

 

5.2 基于照度均匀性Emin/Emax = 0.4配光曲线

分析了基于理想等照度曲线的配光设计后,很容易看出这种配光设计在道路照明时,尽管照度均匀,但产生很差的亮度效果。目前,世界照明组织或各国家的照明规范里,对照度的均匀性一般规定为Emin/Eavg 0.30.4,对Emin/Emax没有规定。为分析方便,本文假设灯具最下方为照度最大值区域,灯具之间的区域为最小值区域,布灯间距30米,灯杆高度8米,平均照度30lx,基于照度均匀性Emin/Emax = 0.4设计一种配光曲线并分析在驾驶员观察方向上亮度特性。

9. 基于Emin/Emax=0.4C0-C180平面光分布示意

如图9所示,假设A点照度E(0,0)46lxB点照度2×E(0,61.90)18lx。在G点和B点区域,主要由灯具L1提供照度,灯具L261.9072.30范围(即G点至B点区域)内的光线很少,计算照度时忽略不计,并假设灯具L1AB区域内的照度成均匀下降趋势,灯具L2B点到G点的照度均匀减少到0lx,从而得出公式(8),由公式(6)(8)得出公式(9),根据公式(9)可得出各方向的光强值大小,并把结果列入表2。按照表2的结果,根据IESNA-2002标准绘制出的配光曲线如图10所示,并将其TYPE V 型的IES电子电子格式导入DIALUXAGI软件可计算出路面上各点的亮度值和照度值大小,图11反映了照度和亮度的结果差异。

E(0, ) = [1-(6.4/15)tan()]×E(0,0)               (8)

I(0, ) = [1-(6.4/15)tan()]×E(0,0)×82/cos3      (9)

2. 基于照度均匀性Emin/Emax=0.4求解的光强值列表

角度

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

光强值

2944

2866.7

2850.5

2893.2

2997

3167.8

3416.0

3755.8

4204.2

4773.9

角度

50

55

60

61.9

65

70

72.3

75

80

90

光强值

5448.3

6094.6

6147.1

5661.5

3100

85

0

0

0

0

 

10. 基于Emin/Emax=0.4C0-C180平面的配光曲线

 

11. Emin/Emax=0.4配光曲线产生的照度与亮度对比

 

5.3 基于照度均匀性Emin/Emax=0.2的配光曲线

从图11看出,当照度均匀性Emin/Emax=0.4时,亮度总体均匀度达到相关道路照明规定的0.4,而纵向均匀度却距0.60.7的标准差距甚远。同图7相比,在平均照度相等,照度均匀性降低的情况下,平均亮度降低,亮度均匀性却反而提高。按照同样的办法,可以得出基于照度均匀性Emin/Emax=0.2的光强计算公式(10),图12和图13分别示范了其配光曲线和照度与亮度的对比。

I(0, ) = [1-(7.2/15)tan()]×E(0,0)×82/cos3      (10)

12. 基于Emin/Emax=0.2C0-C180平面的配光曲线

 

13. Emin/Emax=0.2配光曲线产生的照度与亮度对比

 

5.4 路面材质对亮度均匀性的影响

众所周知,照度是与路面材质无关的,但亮度却不然,水泥和沥青两种材质不仅反射系数不同,而且各观察方向上的反射性也不尽相同。图14~16显示以上三种照明条件下的C1路面的亮度结果。与图7、图11和图13中的R3路面相比,C1路面的均匀性好很多,在Emin/Emax=0.4时,C1路面的亮度总体均匀度和纵向均匀度都好,但当照度均匀性Emin/Emax=0.2时,C1路面的亮度均匀性却变差,这也验证了C1路面亮度对入射光线方向的敏感性不如R3路面强的特性。因此,在做配光设计时,对于不同材质的路面,应根据其反射特性,有针对性的设计专用的配光曲线。例如,基于Emin/Emax=0.4设计的配光曲线很适合C1路面的亮度特性,但使用在R3路面时,出现的亮度却很不均匀;同样,按照R3路面设计的配光曲线使用在C1路面时也导致均匀性很差。

14. Emin/Emax=1C1路面亮度

 

15. Emin/Emax=0.4C1路面亮度

 

16. Emin/Emax=0.2C1路面亮度

 

6. 结束语

LED为标志的固态照明正掀起第三次照明技术革命,在这方兴未艾的行业里,难免出现一些问题,尤其是在以市场为导向的社会背景下,节约成本与追求利润最大化成了商家和照明制造业首要考虑的问题之一。如果忽视亮度指标,把照度标准作为衡量LED道路灯具的配光性能评价指标,将为照明制造厂家节约很多LED芯片成本,然而却牺牲了道路交通的安全性,没有真正的达到道路照明的根本目的,因此,商家宣称的照明节能则是无从谈起。国家半导体照明工程研发及产业联盟发布的“LB/T 001-2008 整体式LED路灯测试方法”于200891日起实施,该标准的附录B说明了采用路面照度均匀度来表征LED路灯的发光均匀度,笔者建议该规范应增补亮度均匀度并以此作为LED道路灯具的配光性能评价办法。

 

 

 

 

参考文献

 

  1. 邹吉平. 道路照明灯具配光性能的重要性. 电气应用. 2008, 27(7): 22~25
  2. 江湖俊介, 鱼住拓司, 川上幸二等. 关于道路照明能见度的研究——能见度与背景亮度. 走近CIE 26th——中国照明学会(2005)学术年会论文集[C], 2005: 137~140
  3. CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984
  4. Judith Block, John Bullough, Mariana Figueiro. IESNA Lighting Handbook. 9th Edition. New York: The Illuminating Engineering Society of North America 2003: 1.16~1.20
  5. 周太明. 电气照明设计. 1. 上海:复旦大学出版社,2001186188

 

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