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)，分析當前道路照明標準中各參數(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)當具有的特點， 并給出了 一個能夠符合BS EN 13201標準，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, Glare1概述LED相比傳統(tǒng)光源具有更接近于點光源的特性，更容易通過光學設(shè)計滿足

2、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)有比較完善的標準。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)計標準。這些標準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。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 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，將配光設(shè)計

3、成“蝙蝠翼”型，而忽視道路照明中安全相關(guān)的亮度標準的 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)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BS EN 13201標準，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

4、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

5、與背景亮度 差,與人眼分辨閾值之比,定義為能見度：L=min式中：VL能見度；Lb背景亮度；障礙物亮度；L：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（L）與均勻度（Uo）對視覺功能的影響，實驗結(jié)果如下圖： av0.1 ON 0.5 12510出比自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/m2區(qū)間較顯著，亮度

6、超過2cd/m2,則較平緩。考慮節(jié)能， 現(xiàn)有標準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。可以解 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。現(xiàn)有標準的推薦值在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

7、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/m25cd/m2,閾值增量可用下式計算:EK -eyeTI = 65 匕=65 0.8Lo.8avav式中：L 等效光幕亮度（觀察者以與水平線成1夾角，注視道路正前方 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。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

8、）。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)計的標準要求現(xiàn)有的標準如北美的ANSI/IESNA RP-8-00,歐洲的BS EN 13201-2以及國內(nèi) 的CJJ 45城

9、市道路照明設(shè)計標準，對道路照明的光型給出了比較具體的規(guī)范。橫向距高比,02.0 #力it宣 n:13JJ4F島軍”一目任.-,-.*IT類橫向距高比,02.0 #力it宣 n:13JJ4F島軍”一目任.-,-.*IT類縱向道路線Fig.9 美標 ANSI/IESNA RP-8-00 Typel TypelV 光型示意圖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歐標的BS EN 13201-2對ME1ME6光型的要求級加道路及里翻面痙度圈面黑嚨眩比限制閾值里酸T1淘壕大 初始侑環(huán)境比爾最小值平均克 度(cd-W)總用伺.度最小值輒向均勻性UL最小也平均怎 度雎恃值均勻度

12、 u= 屋小施1快速珞、主;1睇(:含迎賓路、通向的哨機關(guān)和大 型公乂鉗筑的主要道路.位于 市中心或商業(yè)中心的道帶)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)有標準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: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路面亮度的計算Luminaire at、 tilt during measurementObserver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， CIE144-2001Light pathFig.12路面亮度的計算Luminaire at、 tilt during measurementObserver0Za101520zs3035404S60S901031Z013S150

15、16”1000294294294亞4242S4雙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燈桿間正皿UlDO33UL口啟30oa口ULo a3.1T17l.S.B3 S363 33Tl8安蕓方式D50.7S5R0.7csn一5R0.0OSSR0.7UE2安裝方式1安裝方式2克攀方知安裝方式4車道效BLav1.5白|Ri-、Lahr1.93Lav1.7e

17、E i51.0燈桿W層12U守071DUf0.6BUm06Uo&a燈桿同他刊ULDB39UL0.6X0 720UL073EM比T171.6-7皿T17a?GTl9安裝方式三RD.BM.5ft0.7g9R0.7D3.SA0.6-UE3安鎏方式1安裝方式?安攀方爾安裝方式4車子直*乏Lav124.卜什1.5sELJV1.4s用Lav1.B打桿喜庭1。U。0.130.610Uo0.7aUo47如軒間距-UlDBM二：;L0.7UL08an-ULGB亞2比T173.750T1gs fsTl9安至方式-SHD.7D3.0.6D3.9R0.5-3AO.BME4安鎏方式1安鞋方由安裝方式4車而曲2L.uI

18、1期T *kLav0.91Ljv1 12二”，/一L.lt1 2刻桿高陵5UoD.5L j0.5Uq0.7UU.5燈釬間距叩;1Ul0.7普UL07獷UL0 72TULOJ韭喜比S 7ST1q3.的1111UST1gM MTlq安萋方式51與RD.7S3.&Ft0.6S3.9Ro.a-3RO.BME5安裝方式1安茗方式2安恭方式3安防式4車也利:4LbuDHZ一Lhv1.21七斗Law1 s1L*ir14UHislEBU白D.5加0.45Uo0.5UO.B燈軒問距打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 凡陽 MEC 上三 ME5_IuniEm%Fig.21 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, U , TI, SR的照明參數(shù)要求，具有良L好的兼容性。10Fig.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

20、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)合當前常用的道路照明標準，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 相當復(fù)雜的過程，理想的配光及光學器件的設(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): 2225.2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一一能見度與背景亮度 走近CIE26th中國照明學會

21、(2005 )學術(shù)年會論文集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.電氣照明設(shè)計.第1版.上海：復(fù)旦大學出版社，2001: 186188. 參考文獻/ References:Zhang Yimo. Applied Optics ( 3rd edition) M. Beijing: Electronics Industry Press, 2010.