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1、1LED 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, Glare 1 概述LED相比传统光源具有更接近于点光源的特性，更容
2、易通过光学设计满足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
3、光设计成“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)。2Fig.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求。2.1 视觉分辨对路面亮度和均匀度
4、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。障碍物与背景亮度3差，与人眼分辨阈值之比，定义为能见度： minL obV式中： VL能见
5、度； Lb背景亮度；Lo障碍物亮度；L min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 av）与均匀度（Uo）对视觉功能的影响，实验结果如下图：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/区间较显著，亮度超过 2cd/，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
6、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,这种亮度增量就叫阈值增量TI。4Fig.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
7、0.05cd/5cd/，阈值增量可用下式计算： 8.028.065aveyavLEKTI式中：L v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90 m路面上的亮度） ；Lav路面平均亮度；Eeye 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） 。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
8、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5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。Fig.9 美标 ANSI/I
9、ESNA RP-8-00 TypeITypeIV 光型示意图Fig.10 欧标的 BS EN 13201-2 对 ME1ME6 光型的要求6Fig.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：Fig.12 路面亮度的计算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，CIE
10、144-2001 公布了一系列路面材质的简化亮度计算表，又称 R-table。表格中的值表示各方位角处的路面亮度与照度之间的关系。7Fig.13 CIE144-2001 R3（沥青）路面简化亮度系数表Fig.14 CIE144-2001 C1（水泥）路面简化亮度系数表从 R-table 中可以看出，小角度照射路面的光线的亮化系数要远远大于垂直照射路面的亮化系数。小角度斜射路光线对路面亮度的贡献高于大角度入射光线。路面的材质对亮化系数也有较大的影响，水泥路面亮化系数高于柏油路面，且不同入射角的亮化系数贡献的差异较柏油路面小。这样，通过路面材质的 R-table，以及路灯的安装排布，在计算机中便可
11、以通过照度的计算和叠加来求解路面的亮度分布。反过来也可以根据路面亮度均匀的假设来逆向求解最优化的 LED 路灯配光曲线，但推导求解的过程会比较复杂，且8对于多车道道路计算仅能得到近似解。3.3 LED 路灯配光的设计要点LED 路灯的配光设计通常会分车道方向和垂直于车道方向来考虑。具体可以使用透镜、反射器、LED 空间排列等光学方案来实现。下图是 OSRAM HPML 系列路灯的配光设计，沿车道方向为对称式配光，垂直车道方向做偏光设计。Fig.15 OSRAM HPML 系列路灯的配光设计从 3.2 中对路面亮度的计算可以得出，LED 路灯配光的设计在车道方向要有较大的扩展角以获取高的亮化系数
12、，实现配光设计上的节能。同时考虑到灯具眩光的影响，LED 路灯的配光宜设计成截光型，截光要求可以参照下表。 Fig.16 路灯的截光要求Fig.17 路灯纵向配光设计而垂直于道路方向的配光设计，则需要考虑到灯具的安装方式和道路的宽度。目前的路灯绝大部分是安装于道路两侧。从路面亮度的计算可以看出，远离灯具的车道 角会大于靠近灯具的车道，而 角则与观察者位置有关，不同车道无显著区别。从 R-table 的数值可以看出，在 角较小时，沥青路面的亮化系数9随着 角变化不大，而水泥路面则衰减较快。同时考虑到等光强下路面照度与 角的关系与余弦的三次方呈反比。为了补偿远侧车道的亮化系数，LED 路灯的配光在
13、垂直于车道方向需要做非对称的偏光设计，加强远侧的光强，降低近侧光强。对于柏油路面，垂直车道方向的偏光补偿程度要小于水泥路面，且偏光补偿的程度与车道宽度有关，车道越宽，垂直方向的偏光补偿越大。Fig.18 路灯横向配光设计4 场景仿真与分析下图是 OSRAM 针对欧洲的 BS EN 13201-2 标准中常用的 ME1ME5 道路照明要求，根据前面分析的方法设计的 HPMSL 系列路灯及配光。Fig.19 OSRAM HPML 系列路灯为了涵盖不同的道路况及安装条件，设计了窄、宽两种配光组合。ME3ME5 配光曲线 ME1ME2 配光曲线10Fig.20 OSRAM HPML 系列路灯配光曲线我
14、们将这两种配光应用在 ME1ME5 的各种路况，针对不同的车道数，灯杆高度，距高比，安装方式，灯具仰角，臂长做了照明仿真，限于篇幅，这里只列举了每种路况在安装悬臂长 1.5m，仰角 15情况下的仿真结果，归纳如下：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 L，TI，SR 的照明参数要求，具有良好的兼容性。11Fig.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
15、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): 22 25.2 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能见度与背景亮度走近CIE26th中国照明学会( 2005 ) 学术年会论文集C.2005: 137 140.3 CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984.4 Judith Block， John Bullough. Mariana Figueiro. IESNA Lighting Handbook. 9th
