LED道路照明灯具配光设计的误区分析

1、1、引言中国照明网技术论文·LED照明 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。中国照明网技术论文·LED照明 2、LED道路照明行业中的矩形配光原理中国照明网技术论文·LE

2、D照明 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- 坐标系中的四个方向(C=25°=62°)、(C=155°=62°)、(C=185°=60°)和(C=355°=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)。中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术

3、论文·LED照明 式中， 0 灯具正下方，即 C=0°=0°方向的地面照度; E 0 灯具正下方，即 C=0°=0°方向的光强值; I h 灯具安装的高度，灯具的光学中心到地面的垂直距离; (C,) 灯具在 C- 方向产生的地面水平照度值; E (C,) 灯具在 C- 方向上光强值; I E 单个灯具照明时拟设计的照度均匀性系数。 U 由公式(1)(3)，可方便地推导出灯具在C- 各方向上的光强值计算式，如公式(4)所示：中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 3、矩形配光原理的亮度分析与计算中国照明

4、网技术论文·LED照明 3.1 光强及亮度计算方法中国照明网技术论文·LED照明 0.5 1800 lx，灯杆高度m，由此计算出= =本节根据公式(1)(4)，假定灯杆正下方的照度40 0 E ，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 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

5、算采用CIE140-2000 规范中的计算方法1，如公式(5)所示。中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 式中， p 道路表面上的计算点p 的亮度值;中国照明网技术论文·LED照明 L r(,) 计算点p 处的简化亮度系数2，查CIE144-2001 中的R3 表得出;中国照明网技术论文·LED照明 观察视线平面与入射光线平面之间的夹角1;中国照明网技术论文·LED照明 入射光线照射到计算点P 时的入射角1。中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 2. 表中的最大取值为62.

6、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。中国照明网技术论文·LED照明 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12。 r中国照明网技术论文·LED照明 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56 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

7、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 ( 0 , ) I 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° 30> 降低速度，光强值的增加速度还是成上升趋势。中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 3.3 亮度计算结果分析中国照明网技术论文·LED照明从表1 中的亮度计算结果看出，在驾驶员

8、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 62.5 处的= ° 0= 处的亮度为6.71cd/ m2，而在°62.5 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0.74,6，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

9、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。中国照明网技术论文·LED照明 图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。中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·L

10、ED照明 4、矩形配光原理忽视了驾驶员视觉舒适性中国照明网技术论文·LED照明 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 5 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6

11、0160m 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60160 米以外的驾驶人员观察角通常取1°2，前

12、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。中国照明网技术论文·LED照明 5、矩形配光原理应用在潮湿路面时问题更严重中国照明网技术论文·LED照明 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

13、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W1W4 简化系数表计算，其r 值随着角度增大而 ° 0=2， =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tan 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° ° 62.5=(即灯具之间的位置)时，r=3078，所以 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

14、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 62.5 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= ° 0=0 =tan 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。 中国照明

15、网技术论文·LED照明 6、总结中国照明网技术论文·LED照明 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°，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

16、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。中国照明网技术论文·LED照明 参考文献：中国照明网技术论文·LE

17、D照明 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-