LED路燈的配光設計與照明計算...doc

LED路燈的配光設計與照明計算黃瑞彬 程彥剛 梁建冬 農文捷 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相比傳統光源具有更接近于點光源的特性，更容易通過光學設計滿足道路照明的配光需求。近年來LED路燈的應用逐漸普及，國內外對道路照明配光的研究也逐步深入，目前已經有比較完善的標準。如北美的ANSI/IESNA RP-8-00，歐洲的BS EN 13201以及國內的CJJ 45城市道路照明設計標準。這些標準多從人眼視覺分辨原理和行車安全需求出發(fā)，以亮度相關的參數作為主要參考指標。常用以下參數評價道路照明的質量：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周邊照度系數然而國內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，將配光設計成“蝙蝠翼”型，而忽視道路照明中安全相關的亮度標準的做法。這樣不但達不到應有的照明效果，還會給駕駛員帶來嚴重的視覺不適應性(如斑馬效應)。 Fig.1“蝙蝠翼”型配光 Fig.2斑馬效應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的背景下容易分辨而在右側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；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，實驗結果如下圖：Fig.5 CIE 顯示能力曲線實驗結果表明，顯示能力RP隨著亮度而提高，但非線性關系。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，現有標準對路面亮度的推薦值在0.52cd/之間。從實驗結果我們還可以看到，路面亮度均勻性對RP值也有顯著影響?？梢越忉尀?，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?，F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，燈具在視網膜產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, 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（比方突然有人從側面沖出來）。需要有一定的環(huán)境比（SR）。即車行道外側5米寬的帶狀區(qū)域內的平均水平照度，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。要實現安全舒適的道路照明，首先要有一個良好的配光設計。此外，不同的路面材質、路寬、燈具安裝條件以及節(jié)能因素，在LED路燈的配光設計中均需要充分考慮。3.1 LED路燈配光設計的標準要求現有的標準如北美的ANSI/IESNA RP-8-00，歐洲的BS EN 13201-2以及國內的CJJ 45 城市道路照明設計標準，對道路照明的光型給出了比較具體的規(guī)范。Fig.9 美標ANSI/IESNA RP-8-00 TypeITypeIV光型示意圖Fig.10 歐標的BS EN 13201-2 對ME1ME6光型的要求Fig.11 國內的CJJ 45對機動車道路照明的要求3.2 LED路燈配光設計的亮度計算從人眼視覺分辨原理和現有標準對道路照明的性能要求看，主要體現在亮度上。因此LED路燈的配光設計，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、觀察者都有關系，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系。Fig.13 CIE144-2001 R3（瀝青）路面簡化亮度系數表Fig.14 CIE144-2001 C1（水泥）路面簡化亮度系數表從R-table中可以看出，小角度照射路面的光線的亮化系數要遠遠大于垂直照射路面的亮化系數。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。路面的材質對亮化系數也有較大的影響，水泥路面亮化系數高于柏油路面，且不同入射角的亮化系數貢獻的差異較柏油路面小。這樣，通過路面材質的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。反過來也可以根據路面亮度均勻的假設來逆向求解最優(yōu)化的LED路燈配光曲線，但推導求解的過程會比較復雜，且對于多車道道路計算僅能得到近似解。3.3 LED路燈配光的設計要點LED路燈的配光設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空間排列等光學方案來實現。下圖是OSRAM HPML系列路燈的配光設計，沿車道方向為對稱式配光，垂直車道方向做偏光設計。Fig.15 OSRAM HPML系列路燈的配光設計從3.2中對路面亮度的計算可以得出，LED路燈配光的設計在車道方向要有較大的擴展角以獲取高的亮化系數，實現配光設計上的節(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 路燈縱向配光設計而垂直于道路方向的配光設計，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。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，不同車道無顯著區(qū)別。從R-table的數值可以看出，在角較小時，瀝青路面的亮化系數隨著角變化不大，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系與余弦的三次方呈反比。為了補償遠側車道的亮化系數，LED路燈的配光在垂直于車道方向需要做非對稱的偏光設計，加強遠側的光強，降低近側光強。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，且偏光補償的程度與車道寬度有關，車道越寬，垂直方向的偏光補償越大。Fig.18 路燈橫向配光設計4 場景仿真與分析下圖是OSRAM針對歐洲的BS EN 13201-2標準中常用的ME1ME5道路照明要求，根據前面分析的方法設計的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用在ME1ME5的各種路況，針對不同的車道數，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情況下的仿真結果，歸納如下：Fig.21 OSRAM HPML 系列路燈照明仿真結果從模擬結果可以看出，使用設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 結論通過分析可以看出LED路燈的配光設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，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計的路燈是未來的趨勢。同時要充分考慮到產品的通用性，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。并給出一個產品案例。具體的設計仍是一個相當復雜的過程，理想的配光及光學器件的設計仍需要行業(yè)內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. 電氣應用. 2008，27 (7): 22 25.2 江湖俊介，魚住拓司，川上幸二等. 關于道路照明能見度的研究能見度與背景亮度走近CIE26th中國照明學會( 2005 ) 學術年會論文集C.2005: 137 140.3 CIE Publ. 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