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，{zh1}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、{zd1}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，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：


   * CIE标准推荐值




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 Ⅰ、TYPE Ⅱ、TYPE Ⅲ、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
{zd0}光强方向在0°～65°，其90°和80°角度 方向上的光强{zd0}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
{zd0}光强方向在0°～75°,其90°和80°角度方 向上的光强{zd0}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{zd0}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，图3，图 4所示）均为道路灯具常见的光度图形。



图2 等英尺-烛光曲线   






图4 等光强圆形网图

图3 利用系数曲线
   
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－γ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Ｃ－γ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。




图5 灯具坐标系统的确定

3.2 光强数据表格

在CIE 30号文件中，CIE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（γ）。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γ=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Ｃ＝0°，γ＝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，此时矩形框内的 面积即为闪亮面积值。

4 空间光分布xx测试方法的实施

空间光分布的xx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。



图6 A-平面   

（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。




  图7 B-平面

A-平面组和B-平面组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（δ=0），垂直于A- 平面和B-平面的交线，如图8所示



图8 C-平面   


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。



图9 圆锥面


上述提到，CIE标准中推荐道路灯具采用C-γ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。



图 10

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11为浙大三色仪器有限公 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10~30m的距离上，以适 应不同光束角和中心光强灯具的测量要求。



图11 GMS-1800分布光度计



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14 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13所示。




图13 GMS-1900




图14 运动反光镜式分布光度计


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γ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-γ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γ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。



图15 GMS-2000旋转反光镜式分布光度计

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xx满足IES及CIE的 要求，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（CIE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xxx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。



图16 道路灯具的配光曲线   


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）：



图17 灯具反射器设计

（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xx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。



  图18 灯具照明模拟

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 Designer， 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。



图19 模拟照明效果图


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。