路燈中光的分析以及道路照明設計質量評價

　　1 問題的提出

　　如何將路燈光源的光通量合理地分布在道路上是路燈設計的重要課題，也是得到一個好的道路照明設計的重要源頭。這里要明確幾個重要的觀點和認識：

　　(l)機動車道路上評價用的指標應該是亮度，而不是(水平)照度;

　　(2)道路上對照度的感知是不同于亮度的，機動車道上的駕駛員是感知路面上的亮度;

　　(3)在節能的前提下，若做到路面上等照度，往往在路面上會有明暗間隔的條紋光斑，即等照度不等于等亮度。

　　那么，如何看待路燈配光中光線的作用，其中涉及以下幾個方面：

　　(1) 路燈光線在形成路面上照度或亮度時的性狀和不同的計算方法：

　　(2) 如何分析路燈配光中不同方向的光線在產生路面照度/亮度中的作用：

　　(3) 如何使路燈配光中光通亮的分配更合理以及用較少的光通量得到較高的亮度等。

　　2 單位光強在路面上產出的照度和亮度

　　(l)單位光強光分布的意義

　　單位光強產生的效果除了在照明設計和計算中有圖1單位光強的路燈配光很大的作用外，在光度測量和照明研究中也有不少作用。

　　單位光強是指一個發光體具有各向同性發出lcd的光強(見圖1)。

　　(2)單位光強產生照度的計算和表示

　　單位光強在路面上的照度就是照度的余弦定律得到的：

　　E=Icos3γ/H2 ( 1)

　　符號含義見圖2。

　　由圖2可以看出，當γ角增大時，E迅速減小，如在γ=60處，照度下降到約為γ=0處的1/8。

　　(3) 單位光強產生亮度的計算和表示

　　路面上的亮度L由道路亮度計算公式得到：

　　L=qE=q

　　ICOS3γ/H2=(qCOS3y)I/H2=rI/H (2)

　　r導出亮度系數，與路面材料有關。目前國內推薦圖3路面上P點r系數計算范圍C1(水泥路面)和C2(柏油路面)兩種，它們的數值見CJJ45-2006城市道路照明設計標準。路面上包含的立體角Ω的范圍見圖3。

　　C1路面的平均亮度產生系數q=0.1。即這類路面llx的照度產生O.lcd/m2的亮度。

　　C2路面的平均亮度產生系數q=0.07。

　　這類路面上產生的亮度較低(因為反射系數小)。亮度產生系數q的分布見圖4。

　　3 產生等照度分布的分析

　　(l)單位光強產生的照度分布

　　利用式(1)得到路面上照度分布的曲線(如圖5上的虛線)。

　　從圖5看出，照度分布具有對稱性，而且照度下降迅速，在S/H不到l的下降位置上，照度不到峰值的1/2。

　　顯然用這樣的配光難以在路面上產生均勻的照度。

　　(2)具有等光強分布的燈具要獲得等照度分布的要求

　　如果利用這樣的配光得到等照度分布燈具安裝距高比是0.765(見圖6)，但實際上是不可行的。

　　需要將曲線改成圖7的扁平形式(從紅色虛線改為實線)。

　　修改后的配光曲線的形狀如圖7中右上圖的蝙蝠翼形，蝙蝠翼形的形狀由需要的S/H數值和設計允許的照度均勻度決定。

　　從圖7可見，將照度曲線展寬，兩燈就能迭加得到有適用S/H的配光(見圖8)。

　　另一個特點就是即使配光展寬，兩燈間的照度也僅由兩燈決定，遠方的燈具幾乎不產生作用。

　　4 產生等亮度分布的分析

　　從單位光強產生照度得到亮度分布的形狀見圖9。它的形狀與特征與照度曲線有很大的不同，并有下列特性：

　　(1) 曲線有明顯的不對稱性，就是在β=180和β=0的平面內的曲線差異極大;

　　(2)曲線的不對稱性，有利于兩燈具之間亮度的銜接和迭加;

　　(3)在β=0的平面內曲線下降很緩慢，到S/H=12時，導出亮度系數r是S/H=0時的1/8，而在單位光強產生照度的曲線上，得到S/H=0時照度的1/8的點，S/H約1.75;

　　(4)兩個路燈間的亮度，不會僅有相鄰兩燈的貢獻，遠處的路燈同樣會有貢獻，而且一直計算到S/H=12為止;

　　(5)從圖9上看出，即使在S/H=3.0的條件下，兩燈之間的迭加也足夠均勻;

　　(6) 單位光強分布曲線在β=180和β=0的平面上可以得到等亮度的分布。

　　5 光的方向性對路面照度和路面亮度的影響

　　上面的分析說明，相同的配光有迥異的結果(如圖10所示)，相同光通在一個面上的表現是不同的。有的光通容易得到照度，亮度較低，有的光通容易得到亮度，亮度較高。

　　道路照明的指標決定了路燈發出的光通量中有容易產生照度的光通和容易產生亮度的光通的區別。加以分析就能了解整個層面上的表現，并得到合理的配置和結果。

　　將單位光強產生的絕對照度和絕對亮度的數值做成曲線后看路燈內光線的分配(見圖11)。圖11中的橫坐標上還標出了γ角正切數值時的光線方向的圖示，說明在大的γ角上對亮度還有很大的貢獻。

　　由此得到兩個重要內容：

　　(1) 改變路燈的配光曲線，增加路燈中產生亮度作用的光通量是提高道路照明效率的有效途徑，換言之，在γ=0附近的配光不要過分集中，應選擇一種擴散的配光較好;

　　(2)如何利用大的γ角上的光通量同時又不危及燈具截光和半截光的分類也不對眩光產生過分的影響是要研究的另一個課題。

　　6 評價照明設計質量的一種方法

　　從相同的照度產生不同的亮度結果就有可能得到的各個照明設計質量的評價指數q，

　　q=Q/Qo=L/E/Qo (3)

　　式(3)中：QO是標準路面的平均亮度產生系數，如C1路面Qo=O.10，C2路面Qo=0.07.L和E分別是計算道路上的平均亮度和平均照度，其比值稱計算道路照明設計的質量系數。

　　舉例說明：

　　對圖12上不同的道路布置，選擇的5種路燈的形式LM1～LM5，燈具的光電數據見表1。

　　其中LM13是LED路燈，LM45是HPS或CDM的路燈，它們的兩個主截面上的配光見圖13。然后針對不同等級的路面(M3.M4，M5)進行照明設計，其計算數據見表2～表4。

　　注：LM1～3是LED光源，LM4～5是HPS/CDM光源

　　為了使表2和表3中的數據便于同歐洲規定的機動車道路的六級分類(M1-M6)數據進行比較，表4列出了該分類的詳細數據。

　　表1-4的計算數據看出：

　　路燈要有比較寬的配光，Imax60以上，才的道路照明質量系數L/E;

　　(2) 計算結果說明，好的路燈做出的照明設計中的道路照明質量指數q>l，即L/E>Qo，即照明質量系數(L/E)大于該類路面的平均亮度產生系數Qo;

　　(3) 對節能的路燈，在符合標準的前提下，目前設計和制造好的傳統光源的路燈的S/H可做到1：4～1：5，照明指標全部符合歐洲標準;

　　(4) 計算LED路燈的配光尚有問題，因此計算數據比傳統光源的路燈差。

　　7 結束語

　　提高路燈照明質量需要研究路燈中大角度的光線，大角度的光線能提供好的亮度數值和亮度均勻度。其次，照明設計后得到的平均亮度和平均照度的比值(L/E)可以代表路燈光束中大角度的光線的成分，是表示路燈選擇和照明設計是否有利于節能的一個指標，也是比較數個照明設計方案優劣的工具，很有實用意義。

　　參考文獻

　　1 章海驄：必須明白的幾個概念道路照明和道路燈具

　　2 2 0naygil Sermin, Guler Onder, Erkin Emre ''LED Technologies at road lighting'' CIE 2009 symposium, Budapest, Hungary.