LED路灯配光设计与照明计算.docVIP

LED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ME1~ME5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)。 Fig.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ME1~ME5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60m～160m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。障碍物与背景亮度差，与人眼分辨阈值之比，定义为能见度： 式中： VL——能见度； Lb——背景亮度； Lo——障碍物亮度； ΔLmin——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（Lav）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0.5～2cd/㎡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0.5～2cd/㎡之间。 从实验结果我们还可以看到，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0.4～0.7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。 Fig.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0.05cd/㎡～5cd/㎡，阈值增量可用下式计算： 式中：Lv——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）