LED路燈的配光設(shè)計與照明計算..

1、LED路燈的配光設(shè)計與照明計算黃瑞彬 程彥剛 梁建冬 農(nóng)文捷 古念松（歐司朗照明（中國）有限公司 深圳）摘 要：本文從人眼視覺分辨原理出發(fā)，分析當(dāng)前道路照明標(biāo)準(zhǔn)中各參數(shù)對道路照明安全性和舒適性的影響。推理滿足道路照明要求的配光應(yīng)當(dāng)具有的特點，并給出了一個能夠符合BS EN 13201標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋ME1ME5道路照明要求的光型組合。關(guān)鍵詞：LED路燈，配光，亮度均勻性，眩光。Keyword: LED Street light, Light distribution, Uniformity of luminance, Glare 1 概述LED相比傳統(tǒng)光源具有更接近于點光源的特性，更容易通過光學(xué)設(shè)計

2、滿足道路照明的配光需求。近年來LED路燈的應(yīng)用逐漸普及，國內(nèi)外對道路照明配光的研究也逐步深入，目前已經(jīng)有比較完善的標(biāo)準(zhǔn)。如北美的ANSI/IESNA RP-8-00，歐洲的BS EN 13201以及國內(nèi)的CJJ 45城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)多從人眼視覺分辨原理和行車安全需求出發(fā)，以亮度相關(guān)的參數(shù)作為主要參考指標(biāo)。常用以下參數(shù)評價道路照明的質(zhì)量：Lav路面的平均亮度Uo路面總體亮度均勻度UL縱向亮度均勻度TI閾值增量SR周邊照度系數(shù)然而國內(nèi)的部分院校及廠家在路燈配光的研發(fā)以及一些地方道路照明招標(biāo)中，常以道路照明外觀效果的均勻和測試驗收的方便性考量，把照度作為主要評價指標(biāo)，將配光設(shè)計成“蝙蝠

3、翼”型，而忽視道路照明中安全相關(guān)的亮度標(biāo)準(zhǔn)的做法。這樣不但達不到應(yīng)有的照明效果，還會給駕駛員帶來嚴重的視覺不適應(yīng)性(如斑馬效應(yīng))。 Fig.1“蝙蝠翼”型配光 Fig.2斑馬效應(yīng)本文從人眼視覺分辨原理出發(fā)，分析行車安全性和舒適性對道路照明參數(shù)和路燈配光的要求，并給出了一個能夠符合歐標(biāo)BS EN 13201標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋ME1ME5道路照明要求的光型組合案例。2 理論分析城市道路照明的主要目的是在夜間為機動車駕駛員創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境, 達到減少交通事故, 提高安全和舒適性的目的。接下來我們從人眼的視覺分辨原理來分析合理的道路照明應(yīng)該滿足哪些要求。2.1 視覺分辨對路面亮度和均勻度的要求人眼分辨物體需

4、要有一定的亮度或顏色差異。如下圖，相同灰度的三角形在左側(cè)的背景下容易分辨而在右側(cè)的背景下則難以分辨。人眼對亮度和顏色差異的分辨有一個最小的閾值。在夜間行駛中，人眼處于暗視覺（也有觀點認為是中間視覺）狀態(tài)，分辨物體主要靠視網(wǎng)膜中的視桿細胞起作用，對亮度的分辨較敏感。因此道路照明中主要考慮亮度的差異對人眼分辨的影響。 Fig.3 對比度示意圖 Fig.4 行車注視區(qū)域行車中駕駛員人眼睛注視區(qū)域位于道路前方60m160m的路面，路燈照明產(chǎn)生的反射光形成一個亮的背景，道路中的障礙物則顯示為暗影。障礙物與背景亮度差，與人眼分辨閾值之比，定義為能見度： 式中： VL能見度； Lb背景亮度；Lo障礙物亮度；

5、Lmin亮度差辨別閾值。從公式（1）可以看出，路面的亮度水平影響著駕駛員觀察障礙物的能見度，影響著視覺的可靠性。路面要有足夠的亮度才能凸顯出障礙物，使駕駛員覺察。國際照明委員會CIE采用顯示能力RP (即看到路面上設(shè)定障礙物的概率) 來研究路面平均亮度（Lav）與均勻度（Uo）對視覺功能的影響，實驗結(jié)果如下圖：Fig.5 CIE 顯示能力曲線實驗結(jié)果表明，顯示能力RP隨著亮度而提高，但非線性關(guān)系。亮度對顯示能力的貢獻在0.52cd/區(qū)間較顯著，亮度超過2cd/，則較平緩?？紤]節(jié)能，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對路面亮度的推薦值在0.52cd/之間。從實驗結(jié)果我們還可以看到，路面亮度均勻性對RP值也有顯著影響?？梢?/p>

6、解釋為，駕駛員是通過視野中亮度的變化來察覺障礙物的。如果路面背景亮度本身是變化的，則會混淆障礙物造成的亮度變化，使人眼的疲勞。因此，道路照明的亮度均勻性也是重要評價指標(biāo)?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的推薦值在0.40.7之間，車道縱向均勻度的要求高于整體均勻度。2.2 視覺分辨對眩光控制的要求路燈在提供照明的同時，燈具在視網(wǎng)膜產(chǎn)生的眩光對人眼辨識有負面影響。為抵消等效光幕亮度對視覺的影響，恢復(fù)物體與環(huán)境在人眼中的對比度，就要提高路面亮度,這種亮度增量就叫閾值增量TI。 Fig.6 眩光對人眼的影響 Fig.7 光幕眩光效果圖對于道路照明中，路面亮度在0.05cd/5cd/，閾值增量可用下式計算：式中：Lv等效光幕

7、亮度（觀察者以與水平線成1°夾角，注視道路正前方90 m路面上的亮度）； Lav路面平均亮度；Eeye 眩光源在垂直于觀察者眼睛視線上所產(chǎn)生的照度；視線和從眩光源來的光線入射方向之間的角度；K 比例常數(shù), 當(dāng)以度為單位時K = 10。2.3 視覺分辨對環(huán)境比的要求在道路照明設(shè)計中，為了防止車道很亮，但人行道很暗，不利于司機觀察路邊的環(huán)境，有潛在的危險（比方突然有人從側(cè)面沖出來）。需要有一定的環(huán)境比（SR）。即車行道外側(cè)5米寬的帶狀區(qū)域內(nèi)的平均水平照度，與相鄰的5米寬車行道上平均水平照度之比。SR = Eav-B / Eav-AFig.8 周邊照度計算區(qū)域3 LED路燈的配光設(shè)計通過理

8、論分析，可以看出人眼的視覺分辨對道路照明的亮度、均勻性、眩光、環(huán)境比均有一定的要求。要實現(xiàn)安全舒適的道路照明，首先要有一個良好的配光設(shè)計。此外，不同的路面材質(zhì)、路寬、燈具安裝條件以及節(jié)能因素，在LED路燈的配光設(shè)計中均需要充分考慮。3.1 LED路燈配光設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)要求現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)如北美的ANSI/IESNA RP-8-00，歐洲的BS EN 13201-2以及國內(nèi)的CJJ 45 城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對道路照明的光型給出了比較具體的規(guī)范。Fig.9 美標(biāo)ANSI/IESNA RP-8-00 TypeITypeIV光型示意圖Fig.10 歐標(biāo)的BS EN 13201-2 對ME1ME6光型的要求F

9、ig.11 國內(nèi)的CJJ 45對機動車道路照明的要求3.2 LED路燈配光設(shè)計的亮度計算從人眼視覺分辨原理和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對道路照明的性能要求看，主要體現(xiàn)在亮度上。因此LED路燈的配光設(shè)計，首先要分析路面亮度的計算。路面某一點的亮度與光源、道路材質(zhì)、觀察者都有關(guān)系，如下圖所示： Fig.12 路面亮度的計算道路照明中人眼注視區(qū)域為行車前方60160m，亮度的計算需要考慮多個路燈配光的疊加影響，計算較為復(fù)雜，而照度的計算則要簡易得多。為簡化計算，CIE144-2001公布了一系列路面材質(zhì)的簡化亮度計算表，又稱R-table。表格中的值表示各方位角處的路面亮度與照度之間的關(guān)系。Fig.13 CIE144

10、-2001 R3（瀝青）路面簡化亮度系數(shù)表Fig.14 CIE144-2001 C1（水泥）路面簡化亮度系數(shù)表從R-table中可以看出，小角度照射路面的光線的亮化系數(shù)要遠遠大于垂直照射路面的亮化系數(shù)。小角度斜射路光線對路面亮度的貢獻高于大角度入射光線。路面的材質(zhì)對亮化系數(shù)也有較大的影響，水泥路面亮化系數(shù)高于柏油路面，且不同入射角的亮化系數(shù)貢獻的差異較柏油路面小。這樣，通過路面材質(zhì)的R-table，以及路燈的安裝排布，在計算機中便可以通過照度的計算和疊加來求解路面的亮度分布。反過來也可以根據(jù)路面亮度均勻的假設(shè)來逆向求解最優(yōu)化的LED路燈配光曲線，但推導(dǎo)求解的過程會比較復(fù)雜，且對于多車道道路計算

11、僅能得到近似解。3.3 LED路燈配光的設(shè)計要點LED路燈的配光設(shè)計通常會分車道方向和垂直于車道方向來考慮。具體可以使用透鏡、反射器、LED空間排列等光學(xué)方案來實現(xiàn)。下圖是OSRAM HPML系列路燈的配光設(shè)計，沿車道方向為對稱式配光，垂直車道方向做偏光設(shè)計。Fig.15 OSRAM HPML系列路燈的配光設(shè)計從3.2中對路面亮度的計算可以得出，LED路燈配光的設(shè)計在車道方向要有較大的擴展角以獲取高的亮化系數(shù)，實現(xiàn)配光設(shè)計上的節(jié)能。同時考慮到燈具眩光的影響，LED路燈的配光宜設(shè)計成截光型，截光要求可以參照下表。 Fig.16 路燈的截光要求 Fig.17 路燈縱向配光設(shè)計而垂直于道路方向的配光

12、設(shè)計，則需要考慮到燈具的安裝方式和道路的寬度。目前的路燈絕大部分是安裝于道路兩側(cè)。從路面亮度的計算可以看出，遠離燈具的車道角會大于靠近燈具的車道，而角則與觀察者位置有關(guān)，不同車道無顯著區(qū)別。從R-table的數(shù)值可以看出，在角較小時，瀝青路面的亮化系數(shù)隨著角變化不大，而水泥路面則衰減較快。同時考慮到等光強下路面照度與角的關(guān)系與余弦的三次方呈反比。為了補償遠側(cè)車道的亮化系數(shù)，LED路燈的配光在垂直于車道方向需要做非對稱的偏光設(shè)計，加強遠側(cè)的光強，降低近側(cè)光強。對于柏油路面，垂直車道方向的偏光補償程度要小于水泥路面，且偏光補償?shù)某潭扰c車道寬度有關(guān)，車道越寬，垂直方向的偏光補償越大。Fig.18 路

13、燈橫向配光設(shè)計4 場景仿真與分析下圖是OSRAM針對歐洲的BS EN 13201-2標(biāo)準(zhǔn)中常用的ME1ME5道路照明要求，根據(jù)前面分析的方法設(shè)計的HPMSL系列路燈及配光。Fig.19 OSRAM HPML 系列路燈為了涵蓋不同的道路況及安裝條件，設(shè)計了窄、寬兩種配光組合。 ME3ME5配光曲線 ME1ME2配光曲線Fig.20 OSRAM HPML系列路燈配光曲線我們將這兩種配光應(yīng)用在ME1ME5的各種路況，針對不同的車道數(shù)，燈桿高度，距高比，安裝方式，燈具仰角，臂長做了照明仿真，限于篇幅，這里只列舉了每種路況在安裝懸臂長1.5m，仰角15°情況下的仿真結(jié)果，歸納如下：Fig.21

14、 OSRAM HPML 系列路燈照明仿真結(jié)果從模擬結(jié)果可以看出，使用設(shè)計的兩種配光能夠在不同的安裝條件下，滿足BS EN 13201-2 中對ME1ME5對Lav，Uo，UL，TI，SR的照明參數(shù)要求，具有良好的兼容性。Fig.22 OSRAM HPML系列路燈實際安裝效果5 結(jié)論通過分析可以看出LED路燈的配光設(shè)計需要從人眼視覺和行車安全角度，綜合考慮亮度、均勻度、眩光、環(huán)境比等參數(shù)，在滿足安全舒適照明的前提下做到盡可能的節(jié)能。早期的“蝙蝠翼”型矩形配光是不可取的。行車方向接近于三角形（扇形）截面，垂直于道路方向做偏光設(shè)計的路燈是未來的趨勢。同時要充分考慮到產(chǎn)品的通用性，針對不同路寬的道路以

15、盡可能少的配光覆蓋。本文主要從人眼視覺分辨原理出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前常用的道路照明標(biāo)準(zhǔn)，旨在分析道路照明對LED路燈配光的要求。并給出一個產(chǎn)品案例。具體的設(shè)計仍是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，理想的配光及光學(xué)器件的設(shè)計仍需要行業(yè)內(nèi)對道路照明做更深入的研究。參 考 文 獻1 鄒吉平. 道路照明燈具配光性能的重要性. 電氣應(yīng)用. 2008，27 (7): 22 25.2 江湖俊介，魚住拓司，川上幸二等. 關(guān)于道路照明能見度的研究能見度與背景亮度走近CIE26th中國照明學(xué)會( 2005 ) 學(xué)術(shù)年會論文集C.2005: 137 140.3 CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lig

16、hting. 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. 電氣照明設(shè)計. 第1 版. 上海: 復(fù)旦大學(xué)出版社，2001: 186 188.參考文獻/ References:6 Zhang Yimo Applied Optics ( 3rd edition) M Beijing: El

17、ectronics Industry Press，2010 ( in Chinese)張以謨 應(yīng)用光學(xué)( 第3 版) M 北京: 電子工業(yè)出版社.20107 Xi Shutang，Hu Peisheng，Li Jingse，et al Road LightingM Beijing: China Electric Power Press.2008 (in Chinese) 郗書堂.胡培生.李景色等 路燈M 北京: 中國電力出版社.20088 CJJ452006 Urban road lighting design standard S( in Chinese)CJJ452006 城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)S9 GB57002008 Lighting measurement method S ( in Chinese)GB57002008 室內(nèi)照明測量方法S10 CIE 1402000 Road lighting calculations S11 ANSI/IESNA RP-8-2000 Practice for roa