路灯中光的分析以及道路照明设计质量评价

　　1 问题的提出

　　如何将路灯光源的光通量合理地分布在道路上是路灯设计的重要课题，也是得到一个好的道路照明设计的重要源头。这里要明确几个重要的观点和认识：

　　(l)机动车道路上评价用的指标应该是亮度，而不是(水平)照度;

　　(2)道路上对照度的感知是不同于亮度的，机动车道上的驾驶员是感知路面上的亮度;

　　(3)在节能的前提下，若做到路面上等照度，往往在路面上会有明暗间隔的条纹光斑，即等照度不等于等亮度。

　　那么，如何看待路灯配光中光线的作用，其中涉及以下几个方面：

　　(1) 路灯光线在形成路面上照度或亮度时的性状和不同的计算方法：

　　(2) 如何分析路灯配光中不同方向的光线在产生路面照度/亮度中的作用：

　　(3) 如何使路灯配光中光通亮的分配更合理以及用较少的光通量得到较高的亮度等。

　　2 单位光强在路面上产出的照度和亮度

　　(l)单位光强光分布的意义

　　单位光强产生的效果除了在照明设计和计算中有图1单位光强的路灯配光很大的作用外，在光度测量和照明研究中也有不少作用。

　　单位光强是指一个发光体具有各向同性发出lcd的光强(见图1)。

　　(2)单位光强产生照度的计算和表示

　　单位光强在路面上的照度就是照度的余弦定律得到的：

　　E=Icos3γ/H2 ( 1)

　　符号含义见图2。

　　由图2可以看出，当γ角增大时，E迅速减小，如在γ=60处，照度下降到约为γ=0处的1/8。

　　(3) 单位光强产生亮度的计算和表示

　　路面上的亮度L由道路亮度计算公式得到：

　　L=qE=q

　　ICOS3γ/H2=(qCOS3y)I/H2=rI/H (2)

　　r导出亮度系数，与路面材料有关。目前国内推荐图3路面上P点r系数计算范围C1(水泥路面)和C2(柏油路面)两种，它们的数值见CJJ45-2006城市道路照明设计标准。路面上包含的立体角Ω的范围见图3。

　　C1路面的平均亮度产生系数q=0.1。即这类路面llx的照度产生O.lcd/m2的亮度。

　　C2路面的平均亮度产生系数q=0.07。

　　这类路面上产生的亮度较低(因为反射系数小)。亮度产生系数q的分布见图4。

　　3 产生等照度分布的分析

　　(l)单位光强产生的照度分布

　　利用式(1)得到路面上照度分布的曲线(如图5上的虚线)。

　　从图5看出，照度分布具有对称性，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。

　　显然用这样的配光难以在路面上产生均匀的照度。

　　(2)具有等光强分布的灯具要获得等照度分布的要求

　　如果利用这样的配光得到等照度分布灯具安装距高比是0.765(见图6)，但实际上是不可行的。

　　需要将曲线改成图7的扁平形式(从红色虚线改为实线)。

　　修改后的配光曲线的形状如图7中右上图的蝙蝠翼形，蝙蝠翼形的形状由需要的S/H数值和设计允许的照度均匀度决定。

　　从图7可见，将照度曲线展宽，两灯就能迭加得到有适用S/H的配光(见图8)。

　　另一个特点就是即使配光展宽，两灯间的照度也仅由两灯决定，远方的灯具几乎不产生作用。

　　4 产生等亮度分布的分析

　　从单位光强产生照度得到亮度分布的形状见图9。它的形状与特征与照度曲线有很大的不同，并有下列特性：

　　(1) 曲线有明显的不对称性，就是在β=180和β=0的平面内的曲线差异极大;

　　(2)曲线的不对称性，有利于两灯具之间亮度的衔接和迭加;

　　(3)在β=0的平面内曲线下降很缓慢，到S/H=12时，导出亮度系数r是S/H=0时的1/8，而在单位光强产生照度的曲线上，得到S/H=0时照度的1/8的点，S/H约1.75;

　　(4)两个路灯间的亮度，不会仅有相邻两灯的贡献，远处的路灯同样会有贡献，而且一直计算到S/H=12为止;

　　(5)从图9上看出，即使在S/H=3.0的条件下，两灯之间的迭加也足够均匀;

　　(6) 单位光强分布曲线在β=180和β=0的平面上可以得到等亮度的分布。

　　5 光的方向性对路面照度和路面亮度的影响

　　上面的分析说明，相同的配光有迥异的结果(如图10所示)，相同光通在一个面上的表现是不同的。有的光通容易得到照度，亮度较低，有的光通容易得到亮度，亮度较高。

　　道路照明的指标决定了路灯发出的光通量中有容易产生照度的光通和容易产生亮度的光通的区别。加以分析就能了解整个层面上的表现，并得到合理的配置和结果。

　　将单位光强产生的绝对照度和绝对亮度的数值做成曲线后看路灯内光线的分配(见图11)。图11中的横坐标上还标出了γ角正切数值时的光线方向的图示，说明在大的γ角上对亮度还有很大的贡献。

　　由此得到两个重要内容：

　　(1) 改变路灯的配光曲线，增加路灯中产生亮度作用的光通量是提高道路照明效率的有效途径，换言之，在γ=0附近的配光不要过分集中，应选择一种扩散的配光较好;

　　(2)如何利用大的γ角上的光通量同时又不危及灯具截光和半截光的分类也不对眩光产生过分的影响是要研究的另一个课题。

　　6 评价照明设计质量的一种方法

　　从相同的照度产生不同的亮度结果就有可能得到的各个照明设计质量的评价指数q，

　　q=Q/Qo=L/E/Qo (3)

　　式(3)中：QO是标准路面的平均亮度产生系数，如C1路面Qo=O.10，C2路面Qo=0.07.L和E分别是计算道路上的平均亮度和平均照度，其比值称计算道路照明设计的质量系数。

　　举例说明：

　　对图12上不同的道路布置，选择的5种路灯的形式LM1～LM5，灯具的光电数据见表1。

　　其中LM13是LED路灯，LM45是HPS或CDM的路灯，它们的两个主截面上的配光见图13。然后针对不同等级的路面(M3.M4，M5)进行照明设计，其计算数据见表2～表4。

　　注：LM1～3是LED光源，LM4～5是HPS/CDM光源

　　为了使表2和表3中的数据便于同欧洲规定的机动车道路的六级分类(M1-M6)数据进行比较，表4列出了该分类的详细数据。

　　表1-4的计算数据看出：

　　路灯要有比较宽的配光，Imax60以上，才的道路照明质量系数L/E;

　　(2) 计算结果说明，好的路灯做出的照明设计中的道路照明质量指数q>l，即L/E>Qo，即照明质量系数(L/E)大于该类路面的平均亮度产生系数Qo;

　　(3) 对节能的路灯，在符合标准的前提下，目前设计和制造好的传统光源的路灯的S/H可做到1：4～1：5，照明指标全部符合欧洲标准;

　　(4) 计算LED路灯的配光尚有问题，因此计算数据比传统光源的路灯差。

　　7 结束语

　　提高路灯照明质量需要研究路灯中大角度的光线，大角度的光线能提供好的亮度数值和亮度均匀度。其次，照明设计后得到的平均亮度和平均照度的比值(L/E)可以代表路灯光束中大角度的光线的成分，是表示路灯选择和照明设计是否有利于节能的一个指标，也是比较数个照明设计方案优劣的工具，很有实用意义。

　　参考文献

　　1 章海骢：必须明白的几个概念道路照明和道路灯具

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