1、道路照明灯具的空间光分布测试及应用摘 要：道路照明灯具的空间光分布测试是道路灯具设计和照明设计工程的基础，文章从道路照明的光度要求出发，分析了道路灯具的光度分布特点，以及国内外相关标准对道路灯具的光度测试要求，并对各种分布光度测试系统进行了分析对比，最后对分布光度数据在照明设计等领域的应用进行了详细的介绍。 道路照明的主要目的是为了使各种机动车辆的驾驶者以及行人在自然光照不理想的情况下能辨认出道路上的各种情况；在保证交通安全的前提下，尽量采用高效、节能的照明灯具和控制电器，并创造一个舒适、美观的照明环境。道路照明灯具的空间光分布是决定道路照明效果的关键性指标，路面和空间中某一点的照度、亮度及眩
2、光等方面光度信息都是由它计算所得到的。而且，合适的配光分布是提高照明效率的重要手段。在道路照明中，国内普遍对光源和电器的效率比较关注，而对灯具的空间配光要求、灯具的反射器设计、道路照明的科学计算还不够重视。因此在未来的道路照明中，加强对空间光分布的要求，科学地选择照明灯具，是提高照明质量、节约能源、保证交通安全的重要途径。1 道路照明的光度要求作为道路照明的质量评价指标，IES，CIE 以及我国的国家标准对道路照明均有明确的光度要求规范，其中包括以下几点：1.1 路面的平均亮度水平道路表面的平均亮度水平影响着驾驶员的对比敏感度，因而也影响着知觉的可靠性。在道路照明中，驾驶员观察路面障碍物的背景
3、主要是驾驶员前方的路面。因此，障碍物本身的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度差（对比）才能察觉到障碍物。所需的对比值取决于视角及观察者视场中的亮度分布，后者决定观察者眼睛的适应条件。视角越大（当观察者至障碍物的距离不变时，障碍物越大），路面亮度越高，眼睛的对比灵敏度越高，觉察障碍物的机会也就越大。因此，提高路面平均亮度（或照度）值将有利于提高驾驶员觉察（障碍物）的可靠性。平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。平均亮度越高（但需保持在产生眩光的亮度水平以下），驾驶员就越舒适。1.2 路面的亮度均匀性为使路面亮度均匀，道路照明设施，虽然能为路面提供良好的平均亮度，但也有可能在路面
4、上某些区域产生很低的亮度，因而在这些区域里对比值低、阈值对比高。同时，视场中大的亮度差，也会导致眼睛的对比灵敏度下降和引起所谓瞬时适应问题，以致不易觉察出在这些较暗区域里的障碍物。因此，为了使路面上各个区域里的各点都有足够觉察率，就必须确定路面上最小亮度和平均亮度之间的允许差值，即亮度总均匀度，它定义为路面上最小亮度和平均亮度之比。在保证亮度总均匀度的情况下，路面仍有可能出现部分亮、部分暗的不舒适感觉。所以从舒适性考虑，应限制沿车道中心线上最亮区和最暗区的亮度差，即纵向均匀度。1.3 眩光在道路照明中，眩光限制也是一项重要的评价指标。眩光可分成 2 类：（1）失能眩光，它会损害观察物体的能力，
5、直接影响到驾驶员觉察物体的可靠性。（2）不舒适眩光，通常引起不舒适感觉和疲劳，直接影响到驾驶员的舒适程度。1.4 视觉诱导视觉诱导性不能用光度参数来表示，但它也是道路照明质量评价的一个重要因素。照明设施应能提供良好的诱导性，使驾驶员在一定距离外能够立刻辨认这条道路的方向，它对交通安全和舒适所起的作用犹如亮度水平或眩光控制一样重要，它与驾驶员的视功能和视舒适两者都有关系。表 1、表 2 分别列出了 IES 和 CIE 对道路照明灯具的光度要求的推荐值：2 道路照明灯具的光度分布特点道路照明灯具不同于室内灯具等其他灯具，由于其应用场合的不同，具有其本身的特殊性，在灯具设计和照明设计过程中就需考虑到
6、它的各种特点。2.1 IES 道路照明灯具光分布的分类IES 根据纵向光分布和水平光分布定义了灯具的光分布类型，其中纵向分布（Vertical Light Distributions）分为 Short（近）、Medium（中等）、Long（远）三类；水平光按沿道路横向分布（Lateral Light Distribution）远近分为 5 类：TYPE 、TYPE 、TYPE 、TYPE IV、TYPE V（如图 1 所示）。2.2 CIE 灯具分类CIE 按截光类型将道路灯具按其配光分成截光型、半截光型和非截光型灯具。（1）截光型灯具 Full cut-off luminaire最大光强方向
7、在 065，其 90和 80角度方向上的光强最大允许值分别为 10cd/1000lm 和30cd/1000lm 的灯具。（2）半截光型灯具 Semi-cut-off luminaire最大光强方向在 075,其 90和 80角度方向上的光强最大允许值分别为 50cd/1000lm 和100cd/1000lm 的灯具。（3）非截光型灯具 Non-cut-off luminaire其在 90角方向上的光强最大允许值为 1000cd 的灯具。2.3 空间光强分布数据的各种表示形式道路灯具与室内灯具，泛光灯具等不同，由于其光分布与使用的特殊性，其空间光强分布数据的表示形式也不同于其他灯具。（如图 2，
8、图 3，图 4 所示）均为道路灯具常见的光度图形。3 国内外相关标准对测试的要求针对道路灯具的光度测试及照明计算，国际标准与国内标准分别制定了相应的标准用于规范。3.1 灯具坐标系统的确定在 CIE 34 号文件中，对道路灯具的坐标系统进行规定，推荐采用 C 的测试系统，并指出道路灯具安装于分布光度计上测试时，道路两边方向与 角度的对应关系（如图 5 所示）。即将平行路边纵轴的半平面定义为 C=0和 C=180，将垂直于路轴线的半平面上 C=90定义为路边，C=270定义为屋边。其位置安装的正确与否直接影响到后续的各类光度计算与照明设计。3.2 光强数据表格在 CIE 30 号文件中，CIE
9、推荐了路灯的测量光强数据表格，即在每 52 个方位角半平面（C），测量36 个不同的角度（）。其具体分布如下表所示。一般来说，光强值均以每 1000lm 的数据给出。3.3 闪亮面积闪亮面积用于计算道路照明不舒适眩光指数 G，在 CIE 34 号文件中，对 =76方向上的闪亮面积特别给出了测试方法（在 GB 9468-88道路照明灯具光度测试中也有相关内容提到）。将一个大于灯具发光部分尺寸，四周可以滑动的矩形封闭框置于灯前（尽量靠尽灯具）。首先读取无任何遮挡物时灯具在0，76方向的光强读数，然后分别将矩形框的每一边慢慢向闪亮的发光区移动，移动距离以每一次移动后的光强值为移动前的 98%为据，此
10、时矩形框内的面积即为闪亮面积值。4 空间光分布精确测试方法的实施空间光分布的精确测试是所有灯具设计与照明设计的基础，无论灯具中所用灯泡的选择、反光罩的设计，还是实际应用中的照度分布计算、眩光控制以及灯具的安装，都必须严格测量灯具的空间分布光度数据。4.1 分布光度测量平面分布光度的测量平面有以下三种：（1）A-平面A-平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，平行于反光面，并垂直于光源的假设轴线，如图 6 所示。（2）B-平面A-平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，而且平行于光源的假设轴线，垂直于 A-平面的交叉线，如图 7 所示。A-平面组和 B-平面组
11、都要求它们与光源的状态一致，如果光源倾斜，整个系统也要倾斜。（3）C平面。C-平面组也是由一组平面组成，平面的相交线垂直于光度测量的垂直中心线。C-平面通常在空间固定方向，不随光源的倾斜而变化。C-平面的交线仅在光源的倾斜度为 0 时（=0），垂直于 A-平面和 B-平面的交线，如图 8 所示对于某些分布光度计而言，在一个锥面上测量和表示某个固定的极坐标角各方向上的光强分布是非常方便的，圆锥的轴线对应于 C-平面的相交线，如图 9 所示。上述提到，CIE 标准中推荐道路灯具采用 C- 的坐标系统，因此路灯的光度测量中一般均采用 C-平面作为测量平面。4.2 分布光度计的选择在分布光度测量中，一
12、般光源位于测量中心，光度测量探测器处于离开测量中心一定距离的位置上。如上所述，要测量光源或灯具在空间各方向上的光强分布，必须有一套在两个方向可运动的变角测量装置。通常有下列几种方式：（1）探测器固定，测量灯具可分别绕着垂直轴或水平轴旋转，垂直轴和水平轴的交点即为光度测量中心；（2）光源固定不动，探测器可分别围绕垂直轴和水平轴作圆周运动；（3）光源绕某一轴线旋转，而探测器则可绕另一轴线作圆周运动，且两轴线互相垂直；（4）通过反射镜或者是相互运动装置实现前面（1）（4）的等效运动。4.2.1 旋转灯具式分布光度计该系统的探测器固定在离灯具一定距离的位置上，灯具装在可在两个方向旋转的转台上。该转台的
13、垂直主轴线是固定的，水平轴线可以移动，如图 10 所示。在计算机控制下，电机驱动垂直主轴旋转时，光度探头测量灯具在水平面上各方向的发光强度值。当一个平面测量完毕后，水平轴电机驱动灯具转过某一角度，然后光度探头再测量另一平面上的光强分布。如此反复，垂直主轴连续旋转，水平轴间断运动，实现灯具在空间各个方向上的光强分布数据的测量。这种分布光度计通常也称作卧式分布光度计。在旋转灯具式分布光度计中，水平轴由双立柱支撑，灯具可以在 A-平面和 B-平面上测量。若移去水平轴的一端立柱，则测量系统成为如图 10 所示的结构。在这种结构中，灯具可以方便地在 C-平面和锥面上测量。如图 12 为浙大三色仪器有限公
14、司研制的 GMS1800 分布光度计，仪器具有高精度垂直轴旋转和水平轴旋转运动轴系，光度探头通常安装在离开旋转工作台 1030m 的距离上，以适应不同光束角和中心光强灯具的测量要求。4.2.2 运动反光镜式分布光度计在这种分布光度计中，光度探头固定，并位于光视轴线上。灯具绕垂直轴线旋转光源的燃点方向保持不变，反光镜绕着测量灯具运动，并将光信号反射到探测器上。在这种结构中，测量光线以与光度探头的法线成一定圆锥角入射，光度探头的角度响应一致性要求高，而且探头离开灯具的距离（测量臂长）固定。在光源与探测器之间需要使用挡板，使光源发出的光线不直接到达光度探头。灯具可在 C-平面或锥面系统中测量，图 1
15、3 中是这种结构的原理图。浙大三色研制的 GMS-1900 运用反光镜式分布光度计如图 14 所示。4.2.3 旋转反光镜式分布光度计该系统中有三个旋转轴。主轴驱动反光镜绕其中心点旋转，将灯具的光反射到探测器上。与此同时，灯臂调整轴同步逆向旋转始终保持灯架处于垂直位置，从而实现灯具在 方向的测量。探测器与旋转主轴处于同一直线上，根据测试灯具的类型及功率，探测器离开反光镜的距离可以自由调节。C- 轴旋转实际等效于探测器围绕以灯具为中心的垂直球面旋转主轴（水平轴）的旋转，实现灯具在 方向的测量，它的运动轨迹相当于地球的纬线方向。探测器测量各经纬线交叉点上的照度值。这种结构中的灯具可在 C-平面或锥
16、面系统中测量。若要在 A-平面或 B-平面中测量，则灯具必须转过90安装，发光面处于垂直位置，如图 15 所示。如图 15 是浙大三色研制的 GMS-2000 旋转反光镜式分布光度计的仪器结构，它包含：（1）带反光镜的大型旋转控制台，在计算机控制下反光镜可绕水平轴旋转，灯具可绕垂直轴旋转；（2）智能光度探头，准确测量光强值；（3）测量控制机柜，其中有双通道光度计、两路精密测角仪、双通道测温仪、高精度数字电参数测试仪以及大功率精密变频测试电源，测量光强、角度、温度及电参数等；（4）计算机系统；（5）灯具激光对中装置、现场控制器、红外线摇控器等等。该系统的性能完全满足 IES 及 CIE 的要求，
17、是一种适用于测量投光灯具、道路照明灯具、室内照明灯具的空间光强分布及灯具的多种光度参数的大型测试设备。对于路灯的光度测试而言，由于路灯多采用高压气体放电灯，灯具的工作状态变化会直接影响灯具的光电参数，因此旋转灯具式分布光度计是不适合的。运动反光镜式分布光度计与旋转反光镜式分布光度计均可用于路灯的光度测试，但由于运动反光镜式分布光度计其测量光从圆锥各方向斜入射到光度探头，因此对光度探头的余弦修正要求较高。且由于运动反光镜式分布光度计的测光臂长不可调，探测器位置固定，其测试灯具的规格有一定的限制。而对于旋转反光镜式分布光度计，由于入射至探头的光线是垂直入射，且只需改变探头的测试距离即可方便地实现对
18、不同规格灯具的测试，因此相对而言，道路灯具采用旋转反光镜式分布光度计是较为合适的。5 光分布数据的应用光度数据对于照明设计和照明计算而言，是非常重要的。当今的照明设计软件无论是反射器和折射器的设计，还是照明环境的真实模拟，无一不是以灯具的光度数据为基础。道路灯具经过分布光度计或成像光度计等测试设备可以获得其空间光度分布数据，根据 CIE、IESNA、CIBSE 等标准，可以将光度数据分别按各自不同的文件格式进行存储。现在国际上较为通用的几种光度数据文件为：*.IES（IESNA 北美标准）、*.LDT（EULUMDAT 欧洲标准）、*.TM4/*CIB（CIBSE 英国标准）、*.CIE（CI
19、E 标准）。光度数据文件可以方便地用于灯具设计，照明设计及各类光度计算中，为设计人员提供灯具最原始的光度数据。光度数据文件中一般均包含灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率，光度测试时采用的测试角度，及其对应的光度数据值等信息。利用这些数据，我们可以针对不同的需要对灯具进行多种光度计算，并以形象的图表形式表示计算结果。对于道路灯具而言，其光度数据的应用主要有以下几个方面。5.1 照明计算随着软件技术的飞速发展，原本复杂的手工计算，已逐渐被照明设计软件所取代（如图 16 所示）。光度参数的计算内容主要是：照度计算、亮度计算、均匀度计算、眩光计算等。不少运算速度快、准确性好、操
20、作方便和效果直观的软件已得到采用。目前应用比较广泛的软件有 Simply lighting、Lumen micro 2000、Autolux v7 和 Photometric pro 等等。5.2 灯具反射器和折射器的设计灯具光学设计主要是反射器和折射器的设计，属几何光学中的非成像光学系统的设计，设计软件中都有光源和材料的数据库，供设计时选择和使用，这类软件的计算步骤大同小异，大致如下（如图17 所示）：（1）在光源数据库中选择一个需要的光源；（2）用三维软件画上一个自认为满意的反射器或折射器，并将光源放在适当的位置上；（3）利用软件进行计算；（4）完成后检查一下灯具配光中的各项参数是否满足预
21、定要求；（5）如没有达到设计要求，针对计算出的配光曲线中尚未满足的部分，调整反射器或折射器中相关部分，再次进行计算，如此反复修改，直至计算出的配光曲线中完全满足预定的要求。行业较为流行的反射器设计软件有 Photopia，Reflector CAD，SPEOS，Tracepro 以及 LightTools等。如图 18 即为用 Photopia 设计的路灯反光罩及其光线追踪效果图。5.3 照明环境的设计及照明效果的仿真和渲染在照明领域中，照明设计软件已经广泛运用，它们的使用减少了繁重的手工劳动，完成了原来无法进行或只有极少数人能够做的工作。较常见的照明设计软件有：Dialux， Lumen D
22、esigner， Lightscape， AGI32， Calculux 等。不少照明设计软件计算后都用等照度或等亮度曲线来表示它的数值分布，同时还用照明效果的仿真（如图 19），形象化地表示场所内的光照效果，如工作面上或道路上不同地方的明暗情况，用不同的灰度表示数值的高低。城市道路的夜景照明越来越重视美化与装饰，它们既需要有不同的颜色，光线还需要有不同的强弱和阴影，因此对照明效果的仿真模拟已成为照明工程中越来越重要的一个环节。参考文献1 CIE Technical Report， Road Lighting Lanternand Installation Data-Photometrics， Classification and Performance， CIE Pub. NO. 34( TC-4.6)2 中国建筑科学研究院主编.城市道路照明设计标准CJJ45-91.19923 王建平等.照明灯具的分布光度测试方法及仪器.照明.2005；24 IESNA，IES Lighting Handbook，NewYork，2000
