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LED道路照明灯具配光设计的误区分析——矩形配光无法满足道路照明

1 引言

LED照明正经历着日新月异的快速发展期,在政府的主导下,我国的LED道路照明正处于示范性推广阶段。由于行业内的厂家及其从业人员良莠不齐,难免存在许多概念性的误区,再结合许多不分真伪的商业性宣传,一些误区势必对整个照明行业发展产生方向性的误导作用。比如,行业内流行的矩形配光原理已被不少厂家或“专家”接受采纳,并采用“写进国家或地方规范”的方式推广,以便试图推广其灯具产品,这已经对LED道路照明行业健康发展产生了不良影响。

 

2 LED道路照明行业中的矩形配光原理

目前,我国道路照明行业中盛行的矩形配光原理仅仅从照度均匀性和光线利用率这两个角度出发,把从灯具射出的光线按照一定的角度和不同角度的光强分配来考虑的一个设计方法。如图1所示,由C-γ坐标系中的四个方向(C=25°γ=62°)、(C=155°γ=62°)、(C=185°γ=60°)和(C=355°γ=60°)构成的四棱锥,在该立体角范围内按照等照度法:即公式(1~3)的方法求解各个方向上的光强值,得出公式(4)。

1 矩形配光原理图(摘自某地方LED道路灯具规范的意见征求稿)

 

                                   1

      2

                                3

式中:    —— 灯具正下方,即 C=0°γ=0°方向的地面照度

          —— 灯具正下方,即 C=0°γ=0°方向的光强值

          —— 灯具安装的高度,灯具的光学中心到地面的垂直距离

       —— 灯具在 C-γ方向产生的地面水平照度值

       —— 灯具在 C-γ方向上光强值

         —— 单个灯具照明时拟设计的照度均匀性系数

由公式(1~3),可方便地推导出灯具在C-γ各方向上的光强值计算式,如公式(4)所示:

                          4

 

3 矩形配光原理的亮度分析与计算

3.1 光强及亮度计算方法

本节根据公式(1~4),假定灯杆正下方的照度 lx,灯杆高度 m,由此计算出 ,假设当 时的照度均匀度系数 ,其他各方向上的照度均匀性系数按照线性插值计算出(如表1中取值)。为分析方便,在计算亮度时,先考虑C0-C180平面内的各γ角度光强分布,并假设驾驶员视线在C0-180平面内,灯具出光平面和道路表面平行,即无仰角安装,这样简化处理后, ;当C=0°时, ;当C=180°时, ,其光强计算与亮度计算结果如表1所示。表中亮度计算采用CIE140-2000规范中的计算方法[1],如公式(5)所示。

                             5

  式中     ——  道路表面上的计算点p的亮度值

        ——  计算点p处的简化亮度系数[2],查CIE144-2001中的R3表得出

       β     ——  观察视线平面与入射光线平面之间的夹角[1]

       ε     ——  入射光线照射到计算点P时的入射角[1]

 

1. 单个灯具的C0平面光强与亮度计算表

C

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

10.00

20.00

30.00

35.00

40.00

45.00

47.50

50.00

52.50

55.00

57.50

60.00

62.50

65.00

67.50

1.00

0.985

0.940

0.866

0.819

0.766

0.707

0.676

0.643

0.609

0.574

0.537

0.500

0.462

0.423

0.383

1.00

0.955

0.830

0.650

0.550

0.450

0.354

0.308

0.266

0.226

0.189

0.155

0.125

0.098

0.075

0.056

1.00

0.92

0.84

0.76

0.72

0.68

0.64

0.62

0.60

0.58

0.56

0.54

0.52

0.50

0.00

0.00

4000

3853

4049

4680

5240

6051

7241

8043

9037

10284

11871

13925

16640

20315

0

0

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

10.00

20.00

30.00

35.00

40.00

45.00

47.50

50.00

52.50

55.00

57.50

60.00

62.50

65.00

67.50

0.00

0.18

0.36

0.58

0.70

0.84

1.00

1.09

1.19

1.30

1.43

1.57

1.73

1.92

2.14

2.41

294

317

334

348

354

359

362

360

358

356

354

349

340

330

315

295

1.18

1.22

1.35

1.63

1.86

2.17

2.62

2.90

3.24

3.66

4.20

4.86

5.66

6.71

0.00

0.00

注:1. 表中的 角取值按照CIE34(TC-4.6)-1977标准选定[3]

2. 表中的 最大取值为62.5°,与图1中所示有差异,但不影响本文中的计算与分析。为确定每个C平面上的最大 角度,应根据几何关系另外计算得出。

3. 表中 值根据CIE144-2001标准中R3沥青路面的简化亮度系数表查出,或采用线性插值法计算出[1~2]

4.由于文中的矩形配光的光束控制较严格,亮度计算区域内只有一个灯具提供亮度,故采用单灯亮度计算法,而CIE140-2000中的路面亮度需要计算5~6盏灯的亮度(根据距高比确定计算亮度时的灯具数)[1]

 

3.2 光强计算结果分析

根据表1中所列的光强值计算结果绘制出C0-C180平面内的配光曲线,如图2所示。从图(2)的配光曲线与表1中所列的光强计算结果看出,当 角度增大时,其对应的光强值逐渐增大,当 时, 增加速度变快。这是由公式(4)中的光强值与伽马角余弦值的三次方成反比的原因导致,如适当降低照度均匀性 ,可以减缓光强值的上升速度,但由于余弦值三次方倒数的增速远大于 的线性降低速度,光强值的增加速度还是成上升趋势。

2. 理想矩形配光原理得出的C0-C180平面配光曲线

 

3.3 亮度计算结果分析

从表1中的亮度计算结果看出,在驾驶员视线内形成的地面亮度随着 角度的增大而增大,由于简化亮度系数的原因,其增速比光强的增速还要大。在 处的亮度为6.71cd/m2,而在 处的亮度只有1.18cd/m2,根据最大亮度与最小亮度之比计算出的纵向均匀度仅为0.18,而CIE115-1995以及CJJ45-2006规范中要求的主干道纵向均匀度为0.7[4],[6],所以按照矩形配光原理设计出的道路灯具配光离实际的道路照明要求相差甚远。如适当降低照度均匀性,把表1中的 降低,例如假设在 处的 取值为0.25,其纵向均匀度可以提高一倍,即UL=0.36,但离标准仍然相差甚远,如继续采用降低照度均匀性的办法来提高纵向均匀度,将导致照度均匀性极差的结局。由此看出,矩形配光原理设计出的道路灯具配光与国际上通行的道路照明的要求大相径庭。

3分析了驾驶员的视线方向与光线的入射方向之间的关系,根据矩形配光原理设计配光曲线在灯具正下方的光线很少,光强值最低,而这个角度的光线不容易反射到驾驶员的眼中,查简化亮度系数R3表得出r=294;而 方向的光强值最大,而且更容易反射到人眼,查简化亮度系数R3表得出r=330,所以在该方向上形成的亮度值远远大于灯具正下方的亮度。

3. C0-C180平面内的光线与驾驶员视线方向的关系图

 

4 矩形配光原理忽视了驾驶员视觉舒适性

按照矩形配光原理设计的道路灯具配光曲线无法满足道路照明的纵向均匀度指标,这主要是由于其设计原理忽略了驾驶员观察角影响的原因,没有考虑到驾驶员的视觉环境。我国城市道路照明设计标准CJJ 45-2006第一条写明[6]:“为确保城市道路照明能为各种车辆的驾驶人员以及行人创造良好的视觉环境,达到保障交通安全,提高交通运输效率,方便人民生活,降低犯罪率和美化城市环境的目的,制定本标准”。可以看出,道路照明的首要任务是满足行车安全,为驾驶员提供良好的视觉环境。驾驶人员感受到的视觉环境,一般是离行驶车辆60~160米的前方区域,如驾驶员发现道路中的障碍物或出现异常时,能迅速做出反应,其有效的刹车距离一般是60米以上。所以,道路照明在考核其照明质量时,通常把观察员设在60米的位置,高度1.5米,观察角度在0.5°~1.5°之间(视线与地面的夹角)[4~6]。目前,我国LED道路照明行业里通常采用的矩形配光原理仅仅考虑照度均匀性取而代之,完全忽视了驾驶员的视觉环境。照度均匀的道路照明只能满足行人在灯具下方行走或测量时感受到亮度均匀。行人在灯具下方行走时,其观察角度通常较大,一般大于50°,而距离60~160米以外的驾驶人员观察角通常取1°[2],前者与后者视角范围内的地面亮度值大相径庭,两者之间观察角的不一致性是导致道路照明中照度均匀性和亮度均匀性天壤之别的主要原因[7]~[8]

 

5 矩形配光原理应用在潮湿路面时问题更严重

潮湿路面的道路照明比干燥路面要复杂得多,它不仅与道路表面的反射性能、湿度大小、积水程度、表面粗糙度等因素有关,还与灯具的布置方式和灯具的配光性能相关。道路表面由干燥向潮湿变化时,路面亮度也相应发生变化,其总体均匀度下降较迅速,但好的道路照明系统应保证纵向均匀度缓慢下降[9]。表1中的亮度计算是根据CIE144-2001标准中的R3沥青路面的简化亮度系数表查出或线性插值计算出各方向的简化亮度系数r值,如按照潮湿路面W1~W4简化系数表计算,其r值随着 角度增大而增速变快,导致其亮度值上升更迅速[2]。笔者查阅CIE144-2001标准中的W4表,得出 (即灯具之间的位置)时,r=3078,所以 处的简化亮度系数同R3相比要大得多;而当 (即灯具正下方)时,r=284,同R3相比,相差不大。W4潮湿路面在这两个方向上的r比值为10.8,该比值即为CIE144-2001标准中定义的镜面反射因子S1,潮湿路面的镜面反射因子S1通常为4.5~12,即灯具正下方的简化亮度系数远低于灯具之间的区域[2]。根据查阅的潮湿路面W4的简化亮度系数亮度可以计算出本文中的矩形配光在 处产生的亮度约为60cd/m2,在 处产生的亮度为1.14cd/m2,前者是后者的的53倍,两者间形成强烈的亮度反差,这使得驾驶员在下雨天的晚上无法辨认路面的行人上或障碍物。由此形成的亮度强烈对比就是道路照明行业内常说的斑马效应,严重的斑马效应会造成路面的可见度降低,驾驶员的视觉灵敏度下降,影响到行车安全,为交通事故留下潜在后患。道路照明应考虑如何避免在地面上形成的强烈明暗对比,尽量消除斑马效应[8]

 

6 总结

矩形配光原理的设计思想类似于投影仪照明或显示器(如背投)照明的配光设计,考虑的主要因素是照度均匀和控光角度,即:只需要把光线均匀地投向显示屏幕。显示照明的服务对象为坐在显示屏幕前方的观众,其观察角度通常大于65度,甚至接近垂直,所以屏幕上产生的亮度与照度的关系基本上是线性关系,接近成正比例的关系,有的教科书上则把这类的亮度与照度的关系当成均匀漫反射或均匀漫透射处理,也就是说:只要照度均匀了,其亮度一定均匀。但对于道路照明而言,由于驾驶员的观察角非常小,采用漫反射的亮度与照度换算关系则会导致很大的误差,尤其是下雨天的潮湿路面,更多的光照射到潮湿地面时发生镜面反射,因此,矩形配光原理设计的配光曲线在灯具之间将产生更大的亮度,而灯具下方的亮度会更小,斑马效应更强烈,为交通行驶安全留下严重后患。矩形配光原理通常实用于区域照明、广场照明、停车场照明等,因为这些照明场所主要是为行人提供舒适的照明环境,其照明质量的评价指标主要以地面的水平照度为主;而道路照明则不然,其目的是为驾驶员提供舒适的照明环境,照明对象是高速行驶车辆的行车道,则需要采用亮度指标来评价,所以基于照度均匀的矩形配光原理不再实用。

 

 

参考文献

 

[1] CIE140-2000. Road lighting calculations.

[2] CIE144-2001. Road surface and road marking reflection characteristics.

[3] CIE34-1997. Road lighting lantern and installation data - photometrics, classification and performance.

[4] CIE115-1995. Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic.

[5] CIE31-1976. Glare and uniformity in road lighting installations.

[6] CJJ45-2006. 城市道路照明设计标准

[7] 邹吉平,李丽,解全花等. 重视道路和隧道照明中亮度与照度的关系[J]. 照明工程学报,Vol. 20 Supplement, 2009(8): 39~45

[8] 邹吉平,李丽,解全花等. 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[J]. 照明工程学报,Vol. 20 Supplement, 2009(8): 46~52

[9] CIE47-1979. Road lighting for wet conditions.

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