LED道路照明燈具配光設計的誤區分析

1、引言

LED 照明正經歷著日新月異的快速發展期，在政府的主導下，我國的LED 道路照明正處于示范性推廣階段。由于行業內的廠家及其從業人員良莠不齊，難免存在許多概念性的誤區，再結合許多不分真偽的商業性宣傳，一些誤區勢必對整個照明行業發展產生方向性的誤導作用。比如，行業內流行的矩形配光原理已被不少廠家或“專家”接受采納，并采用“寫進國家或地方規范”的方式推廣，以便試圖推廣其燈具產品，這已經對LED道路照明行業健康發展產生了不良影響。

2、LED道路照明行業中的矩形配光原理

  目前，我國道路照明行業中盛行的矩形配光原理僅僅從照度均勻性和光線利用率這兩個角度出發，把從燈具射出的光線按照一定的角度和不同角度的光強分配來考慮的一個設計方法。如圖1 所示，由C-γ 坐標系中的四個方向(C=25°γ=62°)、(C=155°γ=62°)、(C=185°γ=60°)和(C=355°γ=60°)構成的四棱錐，在該立體角范圍內按照等照度法：即公式(1)~(3)的方法求解各個方向上的光強值，得出公式 (4)。

3、矩形配光原理的亮度分析與計算

3.1 光強及亮度計算方法

  本節根據公式(1)~(4)，假定燈桿正下方的照度40 0 E == 0.5 1800 lx，燈桿高度m，由此計算出，假設當時的照度均勻度系數，其他各方向上的照度均勻性系數按照線性插值計算出(如表1 中取值)。為分析方便，在計算亮度時，先考慮C0-C180 平面內的各γ角度光強分布，并假設駕駛員視線在C0-180平面內，燈具出光平面和道路表面平行，即無仰角安裝，這樣簡化處理后，;當C=0°時， ;當C=180°時，β ，其光強計算與亮度計算結果如表1 所示。表中亮度計算采用CIE140-2000規范中的計算方法[1]，如公式(5)所示。

2. 表中的γ最大取值為62.5°，與圖1 中所示有差異，但不影響本文中的計算與分析。為確定每個C 平面上的最大γ角度，應根據幾何關系另外計算得出。

3. 表中(βε, ) 值根據CIE144-2001標準中R3 瀝青路面的簡化亮度系數表查出，或采用線性插值法計算出[1~2]。 r

4. 由于文中的矩形配光的光束控制較嚴格，亮度計算區域內只有一個燈具提供亮度，故采用單燈亮度計算法，而 CIE140-2000 中的路面亮度需要計算5~6 盞燈的亮度(根據距高比確定計算亮度時的燈具數)[1]

3.2 光強計算結果分析 

  根據表1 中所列的光強值計算結果繪制出C0-C180 平面內的配光曲線，如圖2 所示。從圖(2)的配光曲線與表1 中所列的光強計算結果看出，當γ角度增大時，其對應的光強值逐漸增大，當時，增加速度變快。這是由公式(4)中的光強值與伽馬角余弦值的三次方成反比的原因導致，如適 γ> 30° ( 0 ,γ ) I 當降低照度均勻性，可以減緩光強值的上升速度，但由于余弦值三次方倒數的增速遠大于的線性降低速度，光強值的增加速度還是成上升趨勢。

3.3 亮度計算結果分析

  從表1 中的亮度計算結果看出，在駕駛員視線內形成的地面亮度隨著γ角度的增大而增大，由于簡化亮度系數的原因，其增速比光強的增速還要大。在γ= 62.5°處的亮度為6.71cd/ m2，而在γ= 0° γ= 62.5 處的亮度只有1.18cd/m2，根據最大亮度與最小亮度之比計算出的縱向均勻度僅為0.18，而CIE115-1995 以及CJJ45-2006 規范中要求的主干道縱向均勻度為0.7[4],[6]，所以按照矩形配光原理設計出的道路燈具配光離實際的道路照明要求相差甚遠。如適當降低照度均勻性，把表1 中的降低，例如假設在處的取值為0.25，其縱向均勻度可以提高一倍，即UL=0.36，但離標準仍然相差甚遠，如繼續采用降低照度均勻性的辦法來提高縱向均勻度，將導致照度均勻性極差的結局。由此看出，矩形配光原理設計出的道路燈具配光與國際上通行的道路照明的要求大相徑庭。

  圖3 分析了駕駛員的視線方向與光線的入射方向之間的關系，根據矩形配光原理設計配光曲線在燈具正下方的光線很少，光強值最低，而這個角度的光線不容易反射到駕駛員的眼中，查簡化亮度系數R3 表得出r=294;而方向的光強值最大，而且更容易反射到人眼，查簡化亮度系數R3 表得出r=330，所以在該方向上形成的亮度值遠遠大于燈具正下方的亮度。

4、矩形配光原理忽視了駕駛員視覺舒適性

  按照矩形配光原理設計的道路燈具配光曲線無法滿足道路照明的縱向均勻度指標，這主要是由于其設計原理忽略了駕駛員觀察角影響的原因，沒有考慮到駕駛員的視覺環境。我國城市道路照明設計標準 CJJ 45-2006 第一條寫明[6]：“為確保城市道路照明能為各種車輛的駕駛人員以及行人創造良好的視覺環 5 境，達到保障交通安全，提高交通運輸效率，方便人民生活，降低犯罪率和美化城市環境的目的，制定本標準”。可以看出，道路照明的首要任務是滿足行車安全，為駕駛員提供良好的視覺環境。駕駛人員感受到的視覺環境，一般是離行駛車輛60~160m 的前方區域，如駕駛員發現道路中的障礙物或出現異常時，能迅速做出反應，其有效的剎車距離一般是60 米以上。所以，道路照明在考核其照明質量時，通常把觀察員設在60 米的位置，高度1.5 米，觀察角度在0.5°~1.5°之間(視線與地面的夾角)[4-6]。目前，我國LED 道路照明行業里通常采用的矩形配光原理僅僅考慮照度均勻性取而代之，完全忽視了駕駛員的視覺環境。照度均勻的道路照明只能滿足行人在燈具下方行走或測量時感受到亮度均勻。行人在燈具下方行走時，其觀察角度通常較大，一般大于50°，而距離60~160