LED路灯的配光设计与照明计算

1、LED路灯的配光设计与照明计算黄瑞彬程彦刚梁建冬农文捷古念松（欧司朗照明（中国）有限公司 深圳）摘 要：本文从人眼视觉分辨原理出发，分析当前道路照明标准中各参数对道 路照明安全性和舒适性的影响。推理满足道路照明要求的配光应当具有的特点， 并给出了 一个能够符合BS EN 13201标准，覆盖ME1ME5道路照明要求的光型 组合。关键词：LED路灯，配光，亮度均匀性，眩光。Keyword: LED Street light, Light distribution, Uniformity of luminance, Glare1概述LED相比传统光源具有更接近于点光源的特性，更容易通过光学设计满足

2、道路 照明的配光需求。近年来LED路灯的应用逐渐普及，国内外对道路照明配光的研究 也逐步深入，目前已经有比较完善的标准。如北美的ANSI/IESNA RP-8-00，欧洲 的BS EN 13201以及国内的CJJ 45城市道路照明设计标准。这些标准多从人眼视觉分辨原理和行车安全需求出发，以亮度相关的参数作 为主要参考指标。常用以下参数评价道路照明的质量：Lav路面的平均亮度Uo路面总体亮度均匀度UL纵向亮度均匀度TI阈值增量SR周边照度系数然而国内的部分院校及厂家在路灯配光的研发以及一些地方道路照明招标 中，常以道路照明外观效果的均匀和测试验收的方便性考量，把照度作为主要评 价指标，将配光设计

3、成“蝙蝠翼”型，而忽视道路照明中安全相关的亮度标准的 做法。这样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）。Fig.1 “蝙蝠翼”型配光Fig.2斑马效应Fig.1 “蝙蝠翼”型配光Fig.2斑马效应本文从人眼视觉分辨原理出发，分析行车安全性和舒适性对道路照明参数和 路灯配光的要求，并给出了一个能够符合欧标BS EN 13201标准，覆盖ME1ME5 道路照明要求的光型组合案例。2理论分析城市道路照明的主要目的是在夜间为机动车驾驶员创造良好的视觉环境，达 到减少交通事故，提高安全和舒适性的目的。接下来我们从人眼的视觉分辨原理来 分析合理的道路照明应该满足哪些要

4、求。2.1视觉分辨对路面亮度和均匀度的要求人眼分辨物体需要有一定的亮度或颜色差异。如下图，相同灰度的三角形在左 侧的背景下容易分辨而在右侧的背景下则难以分辨。人眼对亮度和颜色差异的分 辨有一个最小的阈值。在夜间行驶中，人眼处于暗视觉（也有观点认为是中间视 觉）状态，分辨物体主要靠视网膜中的视杆细胞起作用，对亮度的分辨较敏感。 因此道路照明中主要考虑亮度的差异对人眼分辨的影响。Fig.3对比度示意图Fig.4行车注视区域Fig.3对比度示意图Fig.4行车注视区域行车中驾驶员人眼睛注视区域位于道路前方60m160m的路面，路灯照明产生 的反射光形成一个亮的背景，道路中的障碍物则显示为暗影。障碍物

5、与背景亮度 差,与人眼分辨阈值之比,定义为能见度：L=min式中：VL能见度；Lb背景亮度；障碍物亮度；L：亮度差辨别阈值。从公式（1）可以看出，路面的亮度水平影响着驾驶员观察障碍物的能见度， 影响着视觉的可靠性。路面要有足够的亮度才能凸显出障碍物，使驾驶员觉察。 国际照明委员会CIE采用显示能力RP （即看到路面上设定障碍物的概率）来研究 路面平均亮度（L）与均匀度（Uo）对视觉功能的影响，实验结果如下图： av0.1 ON 0.5 12510出比自Fig.5 CIE显示能力曲线实验结果表明，显示能力RP随着亮度而提高，但非线性关系。亮度对显示能 力的贡献在0.52cd/m2区间较显著，亮度

6、超过2cd/m2,则较平缓。考虑节能， 现有标准对路面亮度的推荐值在0.52cd/之间。从实验结果我们还可以看到，路面亮度均匀性对RP值也有显著影响。可以解 释为，驾驶员是通过视野中亮度的变化来察觉障碍物的。如果路面背景亮度本身 是变化的，则会混淆障碍物造成的亮度变化，使人眼的疲劳。因此，道路照明的 亮度均匀性也是重要评价指标。现有标准的推荐值在0.40.7之间，车道纵向均 匀度的要求高于整体均匀度。2.2视觉分辨对眩光控制的要求路灯在提供照明的同时，灯具在视网膜产生的眩光对人眼辨识有负面影响。 为抵消等效光幕亮度对视觉的影响，恢复物体与环境在人眼中的对比度，就要提 高路面亮度,这种亮度增量就

7、叫阈值增量TI。Fig.6眩光对人眼的影响Fig.7光幕眩光效果图对于道路照明中，路面亮度在0.05cd/m25cd/m2,阈值增量可用下式计算:EK -eyeTI = 65 匕=65 0.8Lo.8avav式中：L 等效光幕亮度（观察者以与水平线成1夹角，注视道路正前方 v90 m路面上的亮度）；L1V路面平均亮度；E：眩光源在垂直于观察者眼睛视线上所产生的照度；;-视线和从眩光源来的光线入射方向之间的角度；K 比例常数，当。以度为单位时K = 10。2.3视觉分辨对环境比的要求在道路照明设计中，为了防止车道很亮，但人行道很暗，不利于司机观察路边的环境，有潜在的危险（比方突然有人从侧面冲出来

8、）。需要有一定的环境比（SR）。即车行道外侧5米宽的带状区域内的平均水平照度，与相邻的5米宽车行 道上平均水平照度之比。SR = Eav-B / Eav-AFig.8周边照度计算区域3 LED路灯的配光设计通过理论分析，可以看出人眼的视觉分辨对道路照明的亮度、均匀性、眩光、 环境比均有一定的要求。要实现安全舒适的道路照明，首先要有一个良好的配光 设计。此外，不同的路面材质、路宽、灯具安装条件以及节能因素，在LED路灯 的配光设计中均需要充分考虑。3.1 LED路灯配光设计的标准要求现有的标准如北美的ANSI/IESNA RP-8-00,欧洲的BS EN 13201-2以及国内 的CJJ 45城

9、市道路照明设计标准，对道路照明的光型给出了比较具体的规范。横向距高比,02.0 #力it宣 n:13JJ4F岛军”一目任.-,-.*IT类横向距高比,02.0 #力it宣 n:13JJ4F岛军”一目任.-,-.*IT类纵向道路线Fig.9 美标 ANSI/IESNA RP-8-00 Typel TypelV 光型示意图Table 1a - ME-serie$ of lightingClassLuminanca ortne read surrac or tm carriagtwayforthe dry read sum。* ecndiiianiabillly giarvLighting ot s

10、urroundin 第L in cd/in2 minimum mainlined ininlmuniaininimum771(1 %3 maximumSF minimumME12,004a,7100.5ME21,50;407100.5ME3a1,00 r4(V150.5FJE3D1.00.40.60.5kE3(1.00.40.5150.5ME4a0,750.40.6150.6MEdbD,750.40.5150.5MES0.50p350.4150.5MEE0.30p35a,415no requiremenlAn increase or 5 pencertage points in Ti ran

11、be permitted where low liminance light sources are need. (see note 6) nils cmerbn can be applied only where inece are nc tr3nle areas witn iheir cwn requrements adjacent to me earriagavay.Fig.10欧标的BS EN 13201-2对ME1ME6光型的要求级加道路及里翻面痉度圈面黑咙眩比限制阈值里酸T1淘壕大 初始侑环境比尔最小值平均克 度(cd-W)总用伺.度最小值辄向均匀性UL最小也平均怎 度雎恃值均匀度

12、 u= 屋小施1快速珞、主;1睇(:含迎宾路、通向的哨机关和大 型公乂钳筑的主要道路.位于 市中心或商业中心的道带)1.5/2.Q0.40.70.4切0.5II次干踩0.75/1.0040.30.35100.5III支躇O.iO.750.4一81100.315Fig.11国内的CJJ 45对机动车道路照明的要求3.2 LED路灯配光设计的亮度计算从人眼视觉分辨原理和现有标准对道路照明的性能要求看，主要体现在亮度 上。因此LED路灯的配光设计，首先要分析路面亮度的计算。路面某一点的亮度 与光源、道路材质、观察者都有关系，如下图所示:ST is the longitudinal direction

13、Q is the photometric centre of the luminaireUQT is a vertical axis, which is the first axis of the luminaire as tilt during measurement is zero on this figurePN is the normal at P to the road surfaceC is the photometric azimuthp is the angle of deviationy is the vertical photometric anglea is the an

14、gle of observations is the angle of incidenceLight pathFig.12路面亮度的计算Luminaire at、 tilt during measurementObserver道路照明中人眼注视区域为行车前方60160m，亮度的计算需要考虑多个路灯 配光的叠加影响，计算较为复杂，而照度的计算则要简易得多。为简化计算， CIE144-2001Light pathFig.12路面亮度的计算Luminaire at、 tilt during measurementObserver0Za101520zs3035404S60S901031Z013S150

15、16”1000294294294亚4242S4双294294294294294Z94242942942942942942940. 3532B3263213213173123帕30830323B292802712622S82532嚷924424024。0.534a344339S39326S17金皿2982S926262235217204.1991991991991941940- 7535735335333932130328526T2442222041761581+9149149145136136140136236Zmz3262762492041B113B140118104LOO100100100

16、1001001001. 2535735T348M824420104S3T3TO7174777777TB1.SS5SS4832B21717S1幅117IOC蛇78057se6060go1S21. 75339335303ZSl17212?IMK97S251454.4,45454s4.50.6BUmOS二U-5&a灯杆间正皿UlDO33UL口启30oa口ULo a3.1T17l.S.B3 S363 33Tl8安芸方式D50.7S5R0.7csn一5R0.0OSSR0.7UE2安装方式1安装方式2克攀方知安装方式4车道效BLav1.5白|Ri-、Lahr1.93Lav1.7e

17、E i51.0灯杆W层12U守071DUf0.6BUm06Uo&a灯杆同他刊ULDB39UL0.6X0 720UL073EM比T171.6-7皿T17a?GTl9安装方式三RD.BM.5ft0.7g9R0.7D3.SA0.6-UE3安鎏方式1安装方式?安攀方尔安装方式4车子直*乏Lav124.卜什1.5sELJV1.4s用Lav1.B打杆喜庭1。U。0.130.610Uo0.7aUo47如轩间距-UlDBM二：;L0.7UL08an-ULGB亚2比T173.750T1gs fsTl9安至方式-SHD.7D3.0.6D3.9R0.5-3AO.BME4安鎏方式1安鞋方由安装方式4车而曲2L.uI

18、1期T *kLav0.91Ljv1 12二”，/一L.lt1 2刻杆高陵5UoD.5L j0.5Uq0.7UU.5灯钎间距叩;1Ul0.7普UL07犷UL0 72TULOJ韭喜比S 7ST1q3.的1111UST1gM MTlq安萋方式51与RD.7S3.&Ft0.6S3.9Ro.a-3RO.BME5安装方式1安茗方式2安恭方式3安防式4车也利:4LbuDHZ一Lhv1.21七斗Law1 s1L*ir14UHislEBU白D.5加0.45Uo0.5UO.B灯轩问距打Ul07IE10.8ULOS2DUL0.7距高比3.S3n10(L1.3T11?1Tl11安茗方式3RDESS.ER0.5s&SR

19、0 7GSDQHPML 向D+ 超E1 .卜口苗!. AD+/.豆N? ME3 凡阳 MEC 上三 ME5_IuniEm%Fig.21 OSRAM HPML系列路灯照明仿真结果从模拟结果可以看出，使用设计的两种配光能够在不同的安装条件下，满足BS EN 13201-2中对ME1ME5对Lav, Uo, U , TI, SR的照明参数要求，具有良L好的兼容性。10Fig.22 OSRAM HPML系列路灯实际安装效果5结论通过分析可以看出LED路灯的配光设计需要从人眼视觉和行车安全角度，综 合考虑亮度、均匀度、眩光、环境比等参数，在满足安全舒适照明的前提下做到 尽可能的节能。早期的“蝙蝠翼”型矩

20、形配光是不可取的。行车方向接近于三角 形（扇形）截面，垂直于道路方向做偏光设计的路灯是未来的趋势。同时要充分 考虑到产品的通用性，针对不同路宽的道路以尽可能少的配光覆盖。本文主要从人眼视觉分辨原理出发，结合当前常用的道路照明标准，旨在分 析道路照明对LED路灯配光的要求。并给出一个产品案例。具体的设计仍是一个 相当复杂的过程，理想的配光及光学器件的设计仍需要行业内对道路照明做更深 入的研究。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): 2225.2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一一能见度与背景亮度 走近CIE26th中国照明学会

21、(2005 )学术年会论文集C.2005: 137140.CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984.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.第1版.上海：复旦大学出版社，2001: 186188. 参考文献/ References:Zhang Yimo. Applied Optics ( 3rd edition) M. Beijing: Electronics Industry Press, 2010.