LED道路照明中照度与亮度的关系探讨

LED道路照明中照度与亮度的关系探讨

资桂林  韩学林
(江苏天楹之光光电科技有限公司技术中心,上海  200233)

摘要：由于在LED照明行业内存在对道路照明中照度与亮度的概念认识模糊，导致在产品设计中存在一些误区。本文详细说明了照度与亮度的本质区别与关系。基于DIALux软件，分别模拟分析了两款照度均匀度高和亮度均匀度高的道路照明情况。研究结果表明，以照度均匀度来评价道路照明存在不合理之处，应该优先以亮度均匀度来评价道路照明。

关键词：LED； 道路照明； 照度均匀度； 亮度均匀度

1 引言

　　LED由于其优越的性能，近年来在照明领域得到了广泛应用。在我国，其发展速度更是异常迅猛。其中，LED道路照明灯具尤为突出，国内大部分LED照明公司都有研发和生产道路照明灯具。但对道路照明技术的认识，却相对滞后。
　我国在本世纪初开始生产LED道路照明灯具，至今发展已十年有余。欧美对LED路灯应用起步虽早，但推广脚步缓慢，很多停留在单点测试示范早期阶段。拓墣产业研究所在2009年有分析报告指出[1]：我国的LED路灯应用虽晚，但却是目前LED路灯份额最大的市场。2007年我国LED路灯需求量为30万盏，约占全球数量的75%；2008年需求量60万盏，约占全球数量的67%；2009年将突破100万盏，为140万盏，所占全球比例为55%，2010、2011年我国LED路灯数量预计为250万盏及500万盏，占全球的比例分别为55%及59%。
　　道路照明的最主要目的是保证交通安全，降低夜间交通事故，并减少夜间犯罪。从上世纪二十年代开始，欧美国家就开始采用“照度标准”进行道路设计与计算；自CIE No. 12.2《机动车交通道路照明的建议》于1977年出版，路面亮度的概念在道路照明设计中起到了重要作用，欧美发达国家也因此在80年代开始采用“亮度标准”来进行道路照明设计[2]。在我国的相关道路照明标准中，虽有亮度及亮度均匀度的要求，但实际设计与执行却更多的依据照度标准。很多时候更是将亮度与照度的关系归为简单的正比关系，认为亮度均匀度与照度均匀度是等同的。

2 道路照明中照度与亮度的区别
　　　
　　照度是指单位面积接受到的光通量的多少；亮度是指发光表面，在指定方向上单位投影面积，单位立体角中的光通量的多少，这个发光表面可以是自发光表面，也可以是反射光的表面。显然，照度是一个与方向无关的物理量，而亮度与方向有直接关系。
　对于道路照明，路灯的光照射到路面就产生了照度；照射到路面的光经过反射而进入观察者的眼睛才产生亮度。为了表征路面亮度与照度的关系，照明行业的前辈们做了大量的工作得到了亮度系数。亮度系数为路面上某点的亮度与该点的水平照度之比，它除了与路面材料（反射属性）有关之外，还取决于观察者和光源相对于路面计算点的位置。
　　由于亮度与方向相关，在道路照明中如果要评价或测试亮度，必须固定观察者，然后测试某一区域。对于驾车行驶在路面的驾驶员，他所观察的范围通常为行车方向前面的一段路面，视线或者说观察方向比较固定，这种情况下路面亮度对他有意义且是非常重要的。但在人车混杂的十字路口等道路交汇处，不管是驾驶员还是行人，视线都是不固定的，且观察者的位置也在变化，这种情况如果评价亮度则意义不大。CIE规定[3]，如图1所示，规定观察者在道路路边1/4车道宽处，距离路面高度1.5m。在计算路面亮度时，计算区域为前方60-160m的区域，在计算纵向亮度均匀度时，计算点在每车道中心线上。

　在实际的道路照明设计研究中，通常会借助照明模拟软件，如DIALux或AGI32等。在DIAlux中，观察者处在每个车道的中心线上，高度距路面1.5m，且每个行车道有各自的观察者，如果有3个车道，则会有3个观察者，观察区域为60m远处的两灯之间有代表性的路面。计算亮度时，观察者会得到3个平均亮度，3个亮度均匀度及3个纵向亮度均匀度，输出结果取3个值中的最低值。

3 照度均匀不等同于亮度均匀
　　　
　由于对照度与亮度这两个概念理解不够深入，很多人认为照度均匀度高，亮度均匀度肯定也高，因此觉得照度均匀度越高越好，最好能等照度；或者认为只要照度均匀度足够高，亮度均匀度肯定也不会低。例如，2012年孟令涛等人在其论文中指出：照度均匀度是衡量灯具照射均匀度的重要参数，如果这个均匀度的值过小，在路面上会出现“斑马线”或“斑点”[4]。同年，阚子雄等人在其论文中对于道路的照明情况只用照度去评价[5]。2013年，陈志彬等人在其论文中指出：路灯的二次光学设计，是为了达到更高的照度均匀度，且论文中关于道路的照明效果只用照度去衡量[6]。“斑马线”与“斑点”是观察者看到的路面亮度情况，实际上是由路面亮度的均匀性决定的。
　　当然，通过比较深入的研究会发现照度均匀度并不等同于亮度均匀度，且道路照明中亮度均匀度的重要性要高于照度均匀度。早在2009年邹吉平等就做过相关研究，指出灯具配光设计应该以亮度均匀度去评价[2]。因此，道路照明效果的优劣应该首先以亮度这个参数去衡量，在亮度均匀度足够高的条件下同时满足照度均匀度。当然，亮度均匀度主要针对行车道，如果是人行道，则应该以照度均匀度去衡量。
　　路面上某点的照度是路灯的光照射到该点引起的，对于常规的路灯布灯高度与布灯间距，在单排的情况下，路面上某点的照度通常只由相邻两个灯决定，其它路灯对这一点贡献的照度可以忽略，如图2所示。

　路面上某点的亮度，是路灯的光照射到此点且反射进入观察者（驾驶员）眼中引起的。在道路照明中，由于路面的反射性质比较复杂，既不是镜面反射，也不是均匀的漫反射。因此，亮度与照度之间的关系甚为复杂，照度值高的点其亮度未必高。目前，国际上采用亮度系数来表征路面的反射特性，且不同材质和的路面其亮度系数也不一样，但通常为水泥路面或沥青路面。通过计算发现，路面某点的亮度通常由前面3盏灯和后面1盏灯决定，如图3所示。

4 照度均匀度与亮度均匀度的关系验证
　　　
　为了验证照度均匀度与亮度均匀度的关系，本文选取了A和B两款路灯，图4和图5分别为A和B两款路灯的配光曲线图，A款可以达到较高的照度均匀度，而B款可以达到较高的亮度均匀度，利用照明软件DIALux模拟道路照明效果。道路条件为：沥青路面，双向六道车，车道宽3.5m，中间隔离带宽1m。双排相对布灯，灯高10m，灯间距36m，挑臂长度1m，仰角0度。A和B两款灯具都设置为光通量18000lm，功率180W。

　图6和图7为使用A款路灯模拟得到的路面照度与亮度情况，结果显示其照度均匀度非常高，达到了0.843，但亮度均匀度却只有0.44，可见照度均匀度高并不保证亮度均匀度高；且纵向亮度均匀度只有0.17，不论是主干道还是支路，其纵向均匀度都远低于CJJ 45-2006《城市道路照明设计标准》[7]中的要求。

　图8和图9为使用B款路灯模拟得到的路面照度与亮度情况，结果显示其照度均匀度为0.453，但亮度均匀度达到0.77，纵向亮度均匀度达到0.89。各项参数均达到标准要求，且纵向亮度均匀为0.89，可完全消除“斑马线”。对比同一点的照度与亮度会发现，灯下点的照度虽高，但亮度却相对较低。相反，两灯中间位置的照度偏低，但亮度却偏高。这是由入射和出射光的角度造成的，这两处有着不同的亮度系数。因此，照度均匀度过高，不但不能保证较高的亮度均匀度，反而可能导致亮度均匀度偏低。

　笔者曾多次参与LED道路照明路面照度的现场测试，对“斑马线”有切身体会，某些道路的照度均匀度非常高，但实际照明效果并不好。图10是某LED道路的照明效果，图11是路面照度值的示意图，图中单位均为lx。由于条件有限，其路面亮度未能测试，但人眼可以直观的看到路面的亮度情况。可以明显看到路面的“斑马线”，且灯下位置为暗斑，两灯中间位置为亮斑，但实测的照度均匀度达到0.8。可见，路面照度均匀度过高并不保证道路照明效果，反而可能会导致亮度均匀度偏低而形成“斑马线”。

5 结束语

　　LED照明行业发展迅速，竞争日益激烈，技术要求越来越高。除了节能，照明效果也越来越受到重视。LED道路照明已不仅仅是把路面照亮，更为重要的是要达到非常合理和舒适的照明效果。
　　论文阐明照度与亮度的本质区别与联系。利用DIALux软件，分别模拟分析了照度均匀度高和亮度均匀度高的两种道路照明情况，结果表明，以照度均匀度来评价道路照明存在不合理之处，应该优先以亮度均匀度来评价道路照明。

参考文献

[1]  黄雅琳.  2009年LED路灯产业发展分析.  拓墣产业研究所焦点报告.  2009
[2]  邹吉平, 李丽, 解全花等.  LED道路照明灯具配光设计的误区分析——照度均匀性并非亮度均匀性.  照明工程学报.  2009. 8  (20)
[3]  CIE Publ. No. 66 Road Surfaces and Lighting. 1984
[4]  孟令涛, 贺晓阳, 杨铁等.  一种道路照明照度测试方法和数据处理系统.  大连工业大学学报.  2012. 1  (30)1
[5]  阚子雄, 王巧彬, 任豪等.  LED灯具道路照明效果模拟与分析.  应用光学.  2012. 3  (33)2
[6]  陈志彬, 霍荣荣.  基于照明软件发光二极管道路照明的模拟.  光源与照明.  2013. 3
[7]  CJJ 45-2006. 城市道路照明设计标准 2006