1、引言

LED 照明正經(jīng)歷著日新月異的快速發(fā)展期，在政府的主導(dǎo)下，我國的LED 道路照明正處于示范性推廣階段。由于行業(yè)內(nèi)的廠家及其從業(yè)人員良莠不齊，難免存在許多概念性的誤區(qū)，再結(jié)合許多不分真?zhèn)?/span>的商業(yè)性宣傳，一些誤區(qū)勢(shì)必對(duì)整個(gè)照明行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生方向性的誤導(dǎo)作用。比如，行業(yè)內(nèi)流行的矩形配光原理已被不少廠家或“專家”接受采納，并采用“寫進(jìn)國家或地方規(guī)范”的方式推廣，以便試圖推廣其燈具產(chǎn)品，這已經(jīng)對(duì)LED道路照明行業(yè)健康發(fā)展產(chǎn)生了不良影響。

2、LED道路照明行業(yè)中的矩形配光原理

  目前，我國道路照明行業(yè)中盛行的矩形配光原理僅僅從照度均勻性和光線利用率這兩個(gè)角度出發(fā)，把從燈具射出的光線按照一定的角度和不同角度的光強(qiáng)分配來考慮的一個(gè)設(shè)計(jì)方法。如圖1 所示，由C-γ 坐標(biāo)系中的四個(gè)方向(C=25°γ=62°)、(C=155°γ=62°)、(C=185°γ=60°)和(C=355°γ=60°)構(gòu)成的四棱錐，在該立體角范圍內(nèi)按照等照度法：即公式(1)~(3)的方法求解各個(gè)方向上的光強(qiáng)值，得出公式 (4)。

3、矩形配光原理的亮度分析與計(jì)算

3.1 光強(qiáng)及亮度計(jì)算方法

  本節(jié)根據(jù)公式(1)~(4)，假定燈桿正下方的照度40 0 E == 0.5 1800 lx，燈桿高度m，由此計(jì)算出，假設(shè)當(dāng)時(shí)的照度均勻度系數(shù)，其他各方向上的照度均勻性系數(shù)按照線性插值計(jì)算出(如表1 中取值)。為分析方便，在計(jì)算亮度時(shí)，先考慮C0-C180 平面內(nèi)的各γ角度光強(qiáng)分布，并假設(shè)駕駛員視線在C0-180平面內(nèi)，燈具出光平面和道路表面平行，即無仰角安裝，這樣簡(jiǎn)化處理后，;當(dāng)C=0°時(shí)， ;當(dāng)C=180°時(shí)，β ，其光強(qiáng)計(jì)算與亮度計(jì)算結(jié)果如表1 所示。表中亮度計(jì)算采用CIE140-2000規(guī)范中的計(jì)算方法[1]，如公式(5)所示。

2. 表中的γ最大取值為62.5°，與圖1 中所示有差異，但不影響本文中的計(jì)算與分析。為確定每個(gè)C 平面上的最大γ角度，應(yīng)根據(jù)幾何關(guān)系另外計(jì)算得出。

3. 表中(βε, ) 值根據(jù)CIE144-2001標(biāo)準(zhǔn)中R3 瀝青路面的簡(jiǎn)化亮度系數(shù)表查出，或采用線性插值法計(jì)算出[1~2]。 r

4. 由于文中的矩形配光的光束控制較嚴(yán)格，亮度計(jì)算區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)燈具提供亮度，故采用單燈亮度計(jì)算法，而 CIE140-2000 中的路面亮度需要計(jì)算5~6 盞燈的亮度(根據(jù)距高比確定計(jì)算亮度時(shí)的燈具數(shù))[1]

3.2 光強(qiáng)計(jì)算結(jié)果分析 

  根據(jù)表1 中所列的光強(qiáng)值計(jì)算結(jié)果繪制出C0-C180 平面內(nèi)的配光曲線，如圖2 所示。從圖(2)的配光曲線與表1 中所列的光強(qiáng)計(jì)算結(jié)果看出，當(dāng)γ角度增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值逐漸增大，當(dāng)時(shí)，增加速度變快。這是由公式(4)中的光強(qiáng)值與伽馬角余弦值的三次方成反比的原因?qū)е拢邕m γ> 30° ( 0 ,γ ) I 當(dāng)降低照度均勻性，可以減緩光強(qiáng)值的上升速度，但由于余弦值三次方倒數(shù)的增速遠(yuǎn)大于的線性降低速度，光強(qiáng)值的增加速度還是成上升趨勢(shì)。

3.3 亮度計(jì)算結(jié)果分析

  從表1 中的亮度計(jì)算結(jié)果看出，在駕駛員視線內(nèi)形成的地面亮度隨著γ角度的增大而增大，由于簡(jiǎn)化亮度系數(shù)的原因，其增速比光強(qiáng)的增速還要大。在γ= 62.5°處的亮度為6.71cd/ m2，而在γ= 0° γ= 62.5 處的亮度只有1.18cd/m2，根據(jù)最大亮度與最小亮度之比計(jì)算出的縱向均勻度僅為0.18，而CIE115-1995 以及CJJ45-2006 規(guī)范中要求的主干道縱向均勻度為0.7[4],[6]，所以按照矩形配光原理設(shè)計(jì)出的道路燈具配光離實(shí)際的道路照明要求相差甚遠(yuǎn)。如適當(dāng)降低照度均勻性，把表1 中的降低，例如假設(shè)在處的取值為0.25，其縱向均勻度可以提高一倍，即UL=0.36，但離標(biāo)準(zhǔn)仍然相差甚遠(yuǎn)，如繼續(xù)采用降低照度均勻性的辦法來提高縱向均勻度，將導(dǎo)致照度均勻性極差的結(jié)局。由此看出，矩形配光原理設(shè)計(jì)出的道路燈具配光與國際上通行的道路照明的要求大相徑庭。

  圖3 分析了駕駛員的視線方向與光線的入射方向之間的關(guān)系，根據(jù)矩形配光原理設(shè)計(jì)配光曲線在燈具正下方的光線很少，光強(qiáng)值最低，而這個(gè)角度的光線不容易反射到駕駛員的眼中，查簡(jiǎn)化亮度系數(shù)R3 表得出r=294;而方向的光強(qiáng)值最大，而且更容易反射到人眼，查簡(jiǎn)化亮度系數(shù)R3 表得出r=330，所以在該方向上形成的亮度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燈具正下方的亮度。

4、矩形配光原理忽視了駕駛員視覺舒適性

  按照矩形配光原理設(shè)計(jì)的道路燈具配光曲線無法滿足道路照明的縱向均勻度指標(biāo)，這主要是由于其設(shè)計(jì)原理忽略了駕駛員觀察角影響的原因，沒有考慮到駕駛員的視覺環(huán)境。我國城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) CJJ 45-2006 第一條寫明[6]：“為確保城市道路照明能為各種車輛的駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán) 5 境，達(dá)到保障交通安全，提高交通運(yùn)輸效率，方便人民生活，降低犯罪率和美化城市環(huán)境的目的，制定本標(biāo)準(zhǔn)”?？梢钥闯觯缆氛彰鞯氖滓蝿?wù)是滿足行車安全，為駕駛員提供良好的視覺環(huán)境。駕駛?cè)藛T感受到的視覺環(huán)境，一般是離行駛車輛60~160m 的前方區(qū)域，如駕駛員發(fā)現(xiàn)道路中的障礙物或出現(xiàn)異常時(shí)，能迅速做出反應(yīng)，其有效的剎車距離一般是60 米以上。所以，道路照明在考核其照明質(zhì)量時(shí)，通常把觀察員設(shè)在60 米的位置，高度1.5 米，觀察角度在0.5°~1.5°之間(視線與地面的夾角)[4-6]。目前，我國LED 道路照明行業(yè)里通常采用的矩形配光原理僅僅考慮照度均勻性取而代之，完全忽視了駕駛員的視覺環(huán)境。照度均勻的道路照明只能滿足行人在燈具下方行走或測(cè)量時(shí)感受到亮度均勻。行人在燈具下方行走時(shí)，其觀察角度通常較大，一般大于50°，而距離60~160