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LED道路照明中照度與亮度的關系探討

發布日期:2014-06-18    【字號:  

LED道路照明中照度與亮度的關系探討

資桂林  韓學林
(江蘇天楹之光光電科技有限公司技術中心,上海  200233)

摘要:由于在LED照明行業內存在對道路照明中照度與亮度的概念認識模糊,導致在產品設計中存在一些誤區。本文詳細說明了照度與亮度的本質區別與關系?;贒IALux軟件,分別模擬分析了兩款照度均勻度高和亮度均勻度高的道路照明情況。研究結果表明,以照度均勻度來評價道路照明存在不合理之處,應該優先以亮度均勻度來評價道路照明。

關鍵詞:LED; 道路照明; 照度均勻度; 亮度均勻度

 

1 引言

  LED由于其優越的性能,近年來在照明領域得到了廣泛應用。在我國,其發展速度更是異常迅猛。其中,LED道路照明燈具尤為突出,國內大部分LED照明公司都有研發和生產道路照明燈具。但對道路照明技術的認識,卻相對滯后。
 我國在本世紀初開始生產LED道路照明燈具,至今發展已十年有余。歐美對LED路燈應用起步雖早,但推廣腳步緩慢,很多停留在單點測試示范早期階段。拓墣產業研究所在2009年有分析報告指出[1]:我國的LED路燈應用雖晚,但卻是目前LED路燈份額最大的市場。2007年我國LED路燈需求量為30萬盞,約占全球數量的75%;2008年需求量60萬盞,約占全球數量的67%;2009年將突破100萬盞,為140萬盞,所占全球比例為55%,2010、2011年我國LED路燈數量預計為250萬盞及500萬盞,占全球的比例分別為55%及59%。
  道路照明的最主要目的是保證交通安全,降低夜間交通事故,并減少夜間犯罪。從上世紀二十年代開始,歐美國家就開始采用“照度標準”進行道路設計與計算;自CIE No. 12.2《機動車交通道路照明的建議》于1977年出版,路面亮度的概念在道路照明設計中起到了重要作用,歐美發達國家也因此在80年代開始采用“亮度標準”來進行道路照明設計[2]。在我國的相關道路照明標準中,雖有亮度及亮度均勻度的要求,但實際設計與執行卻更多的依據照度標準。很多時候更是將亮度與照度的關系歸為簡單的正比關系,認為亮度均勻度與照度均勻度是等同的。

 

2 道路照明中照度與亮度的區別
   
  照度是指單位面積接受到的光通量的多少;亮度是指發光表面,在指定方向上單位投影面積,單位立體角中的光通量的多少,這個發光表面可以是自發光表面,也可以是反射光的表面。顯然,照度是一個與方向無關的物理量,而亮度與方向有直接關系。
 對于道路照明,路燈的光照射到路面就產生了照度;照射到路面的光經過反射而進入觀察者的眼睛才產生亮度。為了表征路面亮度與照度的關系,照明行業的前輩們做了大量的工作得到了亮度系數。亮度系數為路面上某點的亮度與該點的水平照度之比,它除了與路面材料(反射屬性)有關之外,還取決于觀察者和光源相對于路面計算點的位置。
  由于亮度與方向相關,在道路照明中如果要評價或測試亮度,必須固定觀察者,然后測試某一區域。對于駕車行駛在路面的駕駛員,他所觀察的范圍通常為行車方向前面的一段路面,視線或者說觀察方向比較固定,這種情況下路面亮度對他有意義且是非常重要的。但在人車混雜的十字路口等道路交匯處,不管是駕駛員還是行人,視線都是不固定的,且觀察者的位置也在變化,這種情況如果評價亮度則意義不大。CIE規定[3],如圖1所示,規定觀察者在道路路邊1/4車道寬處,距離路面高度1.5m。在計算路面亮度時,計算區域為前方60-160m的區域,在計算縱向亮度均勻度時,計算點在每車道中心線上。

 

 

 在實際的道路照明設計研究中,通常會借助照明模擬軟件,如DIALux或AGI32等。在DIAlux中,觀察者處在每個車道的中心線上,高度距路面1.5m,且每個行車道有各自的觀察者,如果有3個車道,則會有3個觀察者,觀察區域為60m遠處的兩燈之間有代表性的路面。計算亮度時,觀察者會得到3個平均亮度,3個亮度均勻度及3個縱向亮度均勻度,輸出結果取3個值中的最低值。

 

3 照度均勻不等同于亮度均勻
   
 由于對照度與亮度這兩個概念理解不夠深入,很多人認為照度均勻度高,亮度均勻度肯定也高,因此覺得照度均勻度越高越好,最好能等照度;或者認為只要照度均勻度足夠高,亮度均勻度肯定也不會低。例如,2012年孟令濤等人在其論文中指出:照度均勻度是衡量燈具照射均勻度的重要參數,如果這個均勻度的值過小,在路面上會出現“斑馬線”或“斑點”[4]。同年,闞子雄等人在其論文中對于道路的照明情況只用照度去評價[5]。2013年,陳志彬等人在其論文中指出:路燈的二次光學設計,是為了達到更高的照度均勻度,且論文中關于道路的照明效果只用照度去衡量[6]?!鞍唏R線”與“斑點”是觀察者看到的路面亮度情況,實際上是由路面亮度的均勻性決定的。
  當然,通過比較深入的研究會發現照度均勻度并不等同于亮度均勻度,且道路照明中亮度均勻度的重要性要高于照度均勻度。早在2009年鄒吉平等就做過相關研究,指出燈具配光設計應該以亮度均勻度去評價[2]。因此,道路照明效果的優劣應該首先以亮度這個參數去衡量,在亮度均勻度足夠高的條件下同時滿足照度均勻度。當然,亮度均勻度主要針對行車道,如果是人行道,則應該以照度均勻度去衡量。
  路面上某點的照度是路燈的光照射到該點引起的,對于常規的路燈布燈高度與布燈間距,在單排的情況下,路面上某點的照度通常只由相鄰兩個燈決定,其它路燈對這一點貢獻的照度可以忽略,如圖2所示。

 

 

 路面上某點的亮度,是路燈的光照射到此點且反射進入觀察者(駕駛員)眼中引起的。在道路照明中,由于路面的反射性質比較復雜,既不是鏡面反射,也不是均勻的漫反射。因此,亮度與照度之間的關系甚為復雜,照度值高的點其亮度未必高。目前,國際上采用亮度系數來表征路面的反射特性,且不同材質和的路面其亮度系數也不一樣,但通常為水泥路面或瀝青路面。通過計算發現,路面某點的亮度通常由前面3盞燈和后面1盞燈決定,如圖3所示。

 

 

4 照度均勻度與亮度均勻度的關系驗證
   
 為了驗證照度均勻度與亮度均勻度的關系,本文選取了A和B兩款路燈,圖4和圖5分別為A和B兩款路燈的配光曲線圖,A款可以達到較高的照度均勻度,而B款可以達到較高的亮度均勻度,利用照明軟件DIALux模擬道路照明效果。道路條件為:瀝青路面,雙向六道車,車道寬3.5m,中間隔離帶寬1m。雙排相對布燈,燈高10m,燈間距36m,挑臂長度1m,仰角0度。A和B兩款燈具都設置為光通量18000lm,功率180W。

 

 

 圖6和圖7為使用A款路燈模擬得到的路面照度與亮度情況,結果顯示其照度均勻度非常高,達到了0.843,但亮度均勻度卻只有0.44,可見照度均勻度高并不保證亮度均勻度高;且縱向亮度均勻度只有0.17,不論是主干道還是支路,其縱向均勻度都遠低于CJJ 45-2006《城市道路照明設計標準》[7]中的要求。

 

 

 圖8和圖9為使用B款路燈模擬得到的路面照度與亮度情況,結果顯示其照度均勻度為0.453,但亮度均勻度達到0.77,縱向亮度均勻度達到0.89。各項參數均達到標準要求,且縱向亮度均勻為0.89,可完全消除“斑馬線”。對比同一點的照度與亮度會發現,燈下點的照度雖高,但亮度卻相對較低。相反,兩燈中間位置的照度偏低,但亮度卻偏高。這是由入射和出射光的角度造成的,這兩處有著不同的亮度系數。因此,照度均勻度過高,不但不能保證較高的亮度均勻度,反而可能導致亮度均勻度偏低。

 

 

 筆者曾多次參與LED道路照明路面照度的現場測試,對“斑馬線”有切身體會,某些道路的照度均勻度非常高,但實際照明效果并不好。圖10是某LED道路的照明效果,圖11是路面照度值的示意圖,圖中單位均為lx。由于條件有限,其路面亮度未能測試,但人眼可以直觀的看到路面的亮度情況??梢悦黠@看到路面的“斑馬線”,且燈下位置為暗斑,兩燈中間位置為亮斑,但實測的照度均勻度達到0.8??梢?,路面照度均勻度過高并不保證道路照明效果,反而可能會導致亮度均勻度偏低而形成“斑馬線”。

 

5 結束語

  LED照明行業發展迅速,競爭日益激烈,技術要求越來越高。除了節能,照明效果也越來越受到重視。LED道路照明已不僅僅是把路面照亮,更為重要的是要達到非常合理和舒適的照明效果。
  論文闡明照度與亮度的本質區別與聯系。利用DIALux軟件,分別模擬分析了照度均勻度高和亮度均勻度高的兩種道路照明情況,結果表明,以照度均勻度來評價道路照明存在不合理之處,應該優先以亮度均勻度來評價道路照明。

參考文獻

[1]  黃雅琳.  2009年LED路燈產業發展分析.  拓墣產業研究所焦點報告.  2009
[2]  鄒吉平, 李麗, 解全花等.  LED道路照明燈具配光設計的誤區分析——照度均勻性并非亮度均勻性.  照明工程學報.  2009. 8  (20)
[3]  CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984
[4]  孟令濤, 賀曉陽, 楊鐵等.  一種道路照明照度測試方法和數據處理系統.  大連工業大學學報.  2012. 1  (30)1
[5]  闞子雄, 王巧彬, 任豪等.  LED燈具道路照明效果模擬與分析.  應用光學.  2012. 3  (33)2
[6]  陳志彬, 霍榮榮.  基于照明軟件發光二極管道路照明的模擬.  光源與照明.  2013. 3
[7]  CJJ 45-2006. 城市道路照明設計標準 2006

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