基于绿色照明理念的投光照明灯具的光学设计

基于绿色照明理念的投光照明灯具的光学设计

程世友，宋 刚，潘飞跃

(浙江晶日照明科技有限公司， 浙江 湖州 313000)

摘 要：根据对投光照明应用场合的具体分析，基于绿色照明的理念和要求，本文给出了投光照明灯具光学设计时光源和器件材料的选择以及灯具的配光设计要求：首先选择短弧、高光通、高显色性和高流明维持率的传统光源以及新兴的高效LED照明光源；其次采用模块化模式设计全方位组合不同反射功能的反光罩，遮光罩以及折射透镜，控制光的投射方向和光束形状，降低灯具的溢出及偏射光能和人工照明形成的天空杂散光，提高投光照明的视觉舒适度，控制光污染；另外还可以改善投光照明灯具反射材料和透镜材料的光学性能，提高灯具光输出率，节省能源，降低照明成本。

关键词：光学设计；投光灯；绿色照明；溢出光；LED

引言

绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光和控光器件)，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。绿色照明的出发点是节约能源、保护环境。实施绿色照明的宗旨是发展和推广高效照明器具，节约照明用电，建立优质、高效、经济、舒适、安全、有益的环境。绿色照明不仅要求节能，还要在满足对照明质量和视觉环境条件的要求下实现节能，因此不能单纯依靠降低照明标准来实现上述目的，而是要提高整个照明系统的节能能力，在同样的照明标准和照明质量下通过更少的灯具和更低的功率消耗来实现[1-5]。

1 建筑照明的相关要求

投光照明是针对场景或物体的照明，通常通过泛光灯和投光灯来实现，目的是大量增加其相对于周围环境的照度。投光照明灯具一般包括“定向灯具”、“可调式灯具”等。投光灯是利用反射或折射方法增加在有限立体角度内光强的一种灯具，通常可以被指向任何方向。照度就是光通量密度，照度大小反映了被照明对象受照量的多少。照明设计中首先就是确定一个设计照度值，然后依据此值经过计算确定灯具的功率和数量。照度标准是每个国家依本国的经济条件、电力供应能力和卫生标准而制定出来的。不同的使用场所有不同的标准值，低于标准值满足不了场所的需求，高于标准值则会造成电能的浪费。按国际照明委员会(CIE)的标准规定，对建筑立面反射比为30%～40%的中色饰面材料的墙面，比如中色石材、水泥或浅色大理石墙面的投光照明所要求的平均照度(见表1)，在暗背景下为40 lx，一般背景亮度(8 cd/m2)下为60 lx，亮背景下为120 lx，考虑墙面清洁程度为较清洁时，修正系数Z=2，则建筑墙面要求照度分别为80 lx、120 lx和240 lx。

表1 CIE对中色饰面材料表面的投光照明平均照度要求
Table 1 CIE on the surface decorated with the medium decorating materials for the average illumination requirements

表面材料照度/lx修正系数环境明亮程度光源类型表面条件暗中亮金卤灯LED清洁脏很脏淡色石块、白色大理石4060120112510铝(表面烘漆光泽)200300600120915225

通过对国内部分代表性城市的建筑立面夜景照明状况的调查发现，夜景越来越亮和照明产生的光污染问题尤为突出，有的建筑立面夜景照明平均照度竟然超过500 lx，建筑立面照明耗电高达25 W/m2之多，而且还会产生光污染和光干扰；对北京和上海两市121个建筑立面夜景投光照明的调查结果显示，这些建筑的墙面反射比基本上在30%～40%之间，墙面的清洁程度属于较清洁，建筑物的环境明亮程度也较为明亮。对照CIE标准，所调查的建筑立面夜景照明的平均照度应等于或低于240 lx，而实际上有37%的建筑超过CIE标准。另外在进行照明设计时，实施灯具配光和布灯方案的不当也会造成大量溢散光。据调查统计，建筑立面投光照明的溢散光约占照明总光能量的1/3。全国建筑立面投光照明的溢散光加起来是一个十分可观的数字，不仅浪费了能源，而且同样也造成光污染。在我国大规模建设夜景照明的情况下，通过科学设计照明灯具和布灯方案，严格执行国家和国际照明标准，加强照明设施管理，可实现既建设夜景，又节约能源的双重要求。

2 基于绿色照明理念的灯具光学设计

照明系统的节能主要从两方面进行：一是研制和推广应用高效优质的照明灯具；二是提供合理的照明控制系统和工程应用。研究高效的照明灯具主要是从灯具光学系统的设计出发，合理选择灯具光源，科学地设计灯具光学系统形状，采用合理的反射材料和折射投光材料。

2.1 光源的选择

电光源的发光原理不同、制作工艺不同、材料不同，则发光效率就不同。金属卤化物灯的光效已接近1 201 m/W，是大型投光照明、道路照明和高大厂房照明的主要光源；高压钠灯光效已达1 501 m/W，多用于道路照明和投光照明。LED光源的工作光效接近200 lm/W，显色指数从70到95都有，色温范围分布从2 200 K到7 000 K，主要用于室内照明、户外功能照明、景观照明，是典型的绿色节能光源，已成为户外场景和景观照明的主要光源。另外在选用光源的同时，还要注意灯具电器系统的能效，在气体放电光源中如何减少镇流器的耗电、提升LED驱动系统的能效也是人们所关注的，如节能型电感镇流器、电子镇流器、LED驱动系统的开发和利用。减少了电器系统的耗电就等于增加了发光效率。

在实际的投光照明应用中，片面追求高显色性和高色温，会造成极大的能源浪费，与绿色照明节能的目标背道而驰。在一些体育场馆馆的投光照明中，一般都采用1 000 W～2 000 W的大功率金属卤化物灯和LED光源，灯具效率以及在项目中应用合适类型的产品对实现节能就显得尤为重要。体育照明中常用的金属卤化物光源，按显色指数通常分为65(或80)、90两种；按相应的色温分为3 700 K(或4 000 K)、5 600 K两种。后者通常应用于国际性的彩电转播、奥林匹克运动会、世界杯比赛以及高清电视转播中；前者用于日常的训练、比赛、彩电转播中。在全球不同地区如北美和欧洲，其执行的标准也有较大的差别，现行的体育照明标准对此的要求也有所不同。不同显色指数和色温的光源其光通量有明显差别，以1 000 W的金卤灯光源为例。显色指数为65的金卤灯光源光输出为110 000 lm，而显色指数为90的金卤灯光源光输出仅为90 000 lm。前者的光通量高出后者约20%，意味着在同样的照度水平和照度均匀度要求下，后者可节能20%左右。针对LED光源，显色指数从70到90以上，对于大功率单晶LED光源，同样规格显指70的LED光效大概在230 lm/W左右，而显指90的LED光效只有160 lm/W；前者可节能40%左右。因此依据照明场景要求选择合适的光源色温和显色指数也非常有助于照明节能。

现有的金卤灯结构分为单端金卤灯和双端金卤灯2种，每种金卤灯又可分为长弧发光管和短弧发光管两种(图1)，应用于不同的灯具中。比较这些产品特性可以发现，短弧双端金卤灯具有以下特点：允许灯具系统的设计更加简洁，并使精确的光学系统具有较高的效率、良好的光束控制能力和最低限度的溢出光；燃点位置位于水平方向±5°以内，有助于金卤灯性能的稳定；但是在工作时，灯的封装部位将暴露在空气中，因此必须控制灯具温度，同时灯与灯之间颜色的差异较难控制。单端短弧金卤灯同样具有自己的优势，特别是在对眩光、外溢光的控制以及灯具的精确配光方面：也可以精确地控制光线，提供更多的配光选择、良好的外溢光及眩光控制、透明管状外玻壳、高光效；保持与水平方向±5°以内的燃点位置，以最大程度地降低金属卤化物灯固有的色差；初始及燃点寿命期间均具有很高的光效；灯具寿命比双端金卤灯长；灯与灯之间的颜色差异容易控制。根据金属卤化物灯具的特性，当灯管处于水平和垂直状态时被点燃，灯具的燃点效率最高。一般灯具安装在灯杆或者马道上时，灯具的瞄准角度与水平方向会有一个25°～40°左右的夹角，此时灯具的倾斜系数较低，灯具的利用效率下降，必须使用更多的灯具才能达到这一照明效果。使用Z形光源(图2)时，通过灯管Z形的校正，可使灯管基本处于水平状态，提高灯具的倾斜系数，提高了灯具的利用效率，减少灯具的使用数量，有效节约了电能。同时，采用Z形光源后，结合灯具的设计，部分本来投射到空中的外溢光通过反射器的反射被重新投射到场地中，从而提高了灯具的效率，使场地内可供利用的光能提高了25%左右，并且减少了对周边环境的外溢光污染和场地内眩光。在没有配置外置眩光控制器的情况下，可减少外溢光达50%左右；选用外置眩光控制器后，外溢光可减少90%～95%。

图1 常见金卤灯图片
Fig.1 Common metal halide lamp

图2 Z型光源金卤灯图片
Fig.2 Z light source metal halide lamp

LED光源由于尺寸小，单面发光，因此更加适合投光灯具使用，见图3。灯具光学系统主要采用透镜控光，光学系统尺寸紧凑，减少灯具体积，精确的光学系统使投光灯具具有良好的光束控制能力和最低限度的溢出光，灯具效率更高。相对金卤灯，灯具光效不会因为燃点位置的不同而显著变化，因此灯具的瞄准不会影响光效，从而提高了灯具投射光通量的利用效率，使场地内可供利用的光能提高了30%左右，显著减少了对周边环境的外溢光污染和场地内眩光。而且也不需要特别的外置眩光控制装置和溢出光控制装置。

图3 单晶大功率LED光源
Fig.3 Single crystal high power LED light source

2.2 投光灯具配光设计

1)投光灯具配光设计要求。灯具是光源、灯罩和相应附件组成为一体的总称。灯具的光照主要特性包括配光性能、灯具效率、防止眩光特性。节约照明用电，单有高效光源，若灯具效率低，灯具配光不合理也不能充分利用光源发出的光。人工光源一般在灯具内使用，灯具的主要作用是使光能依据场景的需要按照一定的规律分配，如宽光束、中光束、窄光束配光、余弦配光等。光源在灯具内总会损失一部分光，灯具发出的光通量与光源光通量之比称为灯具光效率，灯具光效率高就意味着灯具内光能的损失少，发出的光量多，意味着节能。各种灯具的光效率差异很大，大致在30%～ 95%之间，如窄光束的投光灯一般在30%～50%左右，为了提高灯具效率，在灯具结构设计上尽量减少灯具内对光能的吸收和遮挡。因最终所利用的光通量是随灯具的效率和利用系数而变化的，只有使用光效和利用系数高的灯具，才能充分利用光源发出的光通量。要节约照明用电，应花大力气提高灯具光效率和光学系统设计水平。

投光灯具的选择：若从光分布图像看，可分为三种形式(图4)。非对称式；对称式；双向非对称式；若从外形来看，可分为：圆形灯具，它的光束角较小，均为对称投光；方形灯具，它的光束角较大，均为非对称投光，且照射的面积较大。一般投光照明用的投光灯功率大，亮度高，又布置在建筑物附近，极易对路人造成眩光，对周围建筑物内的居民造成光干扰。因此，在进行照明设计时，对设备的选型及设备安装位置的选择都要充分考虑，应尽量减少溢散光，灯具的位置和投射角度要合理，要提高投光照明的利用系数(被照表面所得到的光通量与光源发出的光通量之比值)。灯具的配光选择也是关键，国际照明协会规定了7种最基本的灯具配光曲线(图5)，也有部分灯具只提供宽光(光束角>60°)、中光(23°～60°)、窄光(光束角<>

图4 投光灯具分类
Fig.4 Flood light classification

图5 基本投光灯具配光曲线
Fig.5 Flood light distribution curve of ordinary lamp

2)高效防眩投光灯具光学系统设计方法。灯具光学设计就是利用几何光学原理设计由复杂曲面组成的反射罩和折射透镜，使光线射向要求的照明方向的一种办法。在投光灯具光学设计中，评价灯具光学性能主要因素是被照平面和垂直面的照度及照度均匀度，它表示到达被照面的单位面积的光通量。有许多因素影响照度的评价，诸如材料表面特性、背景光强、墙面的反射甚至人眼的特性。投光照明控制主要包括眩光及溢散光控制和亮度比控制。由强光直射人眼而引起的直射眩光，应采取遮挡的办法。使光源处于视平线45°之外，眩光就不严重，遮光罩可以隐蔽光源，避免眩光；因反射引起的反射眩光，决定于光源位置和被照平面或注视面的相互位置，避免的办法是将其相互位置调整到反射光在人的视觉工作区域之外。

采用多曲面反射配光设计法(图6)，反射器由多个反射曲面组成，能有效实现眩光控制与亮度比控制，满足投光照明控制溢散光和提高灯具效率的要求。灯具的反射器由许多片不同的反射片嵌在反射罩内组成(图7)，采用360°角布置，反射器可以组合成不同形状，不同功能的小反射曲面组合成特定光反射功能的子模块，以便实现特定的光反射功能,采用这种布置方式对光线的控制更加精准，能进一步减少了外溢光，提高灯具的效率。反射片的不同组合搭配，能够形成多种配光曲线。在新开发投光照明灯具时只需要按照要求配光组合反射器子模块，就可以按照特殊要求实现灯具的配光设计，从而在应用中选择最合适的配光，做到合理投射和利用光线，以达到最佳的照明效果。一则减少灯具开发进度，二则便于通过改变局部反射器模块形成新的配光，灯具结构不需要太大改动。采用模块化模式设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，减少内部反射次数，控制投射方向和光束形状，减少将原本投射到非照明区域的散射眩光、溢出及偏射光和人工照明形成的天空杂散光。同时灯具可在反射罩外加装外置式防眩光控制器，提供一个舒适、清晰自然的照明环境。防眩光控制器必须根据空气动力学原理设计，降低灯杆上的风荷载，以便节省成本，降低能源消耗。

图6 多曲面反射配光设计及反射器模组划分原理
Fig.6 Design of multi-surface reflection light distribution and reflector module division principle

图7 多曲面反射器照片
Fig.7 Multi-surface reflector

采用光能矢量设计方法，首先确定LED光源输出光线矢量，矢量方向指示光线传播方向，矢量密度指示在对应立体角内的能量大小，依据被照面照度要求确定入射光线矢量，单位面积上的入射光线矢量数量就是光能量大小，矢量方向就是入射光线方向，依据光源输出光矢量与被照面入射光矢量，根据可设计透镜尺寸范围确定折射面位置，依据矢量转换公式确定折射面的法向量，然后基于法向量利用微弧段连接，最终形成完整的光学系统折射面，从而实现折射透镜的设计，具体设计原理和常见LED折射透镜参照(图8)

图8 光学透镜设计基本原理和常见光学透镜
Fig.8 The basic principle of optical lens design and ordinary optical lens

2.3 投光照明灯具光学器件材料的选用

1)反射器材料的选用。灯具的反射面应尽量选用高反射比的材料，灯具上的透光罩应尽量选用透射比高的材料，以提高灯具的效率。目前多数投光灯的反射器材料都采用铝型材厂提供的用于照明的铝板，如安铝、美铝、意铝、法铝等品牌，国产铝主要是甘铝、贵铝、凤铝等，一般在设计反射器时为了保证工作平面上照度的均匀性，一般多采用锤纹或是雾面材料(图9)，这时由于光线漫射造成灯具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，与绿色照明的宗旨相背离，根据灯具设计的经验，可以考虑投光灯反射器多采用高反射率的镜面铝板(图9)，便于实现灯具光束的控制，整个反射器采用多个微小反射面的组合，而不是一块大曲面的反射形式，虽然反射器加工成型会增加成本，但是从长远考虑节能的费用，加工成本增加的费用完全可以补偿，利用镜面反射材料代替一般的雾面材料，灯具出光率提高10%以上，利用镜面材料代替锤纹铝材，提高出光率5%以上。另一个方面是有关玻璃的选用，由于非对称配光的投光灯具为了在工作平面形成均匀照度，希望在垂直平面内灯具的最大光强角度较大，比如60°，一般的设计也在40°以上，但是出现的问题是当光线以较大入射角照射到玻璃表面时，玻璃表面反射率将增加，穿透玻璃射出的光线将减少，从而影响灯具的出光率，所以在选择投光灯具折射器时，考虑在玻璃内表面涂镀增透膜或采用防反射玻璃(超白玻璃)，以提高灯具的出光率，只有根据要求合理选择投光灯具的反射器材料和折射器材料，在结合多曲面反射的配光设计，全面提高灯具的出光率，降低照明能耗，减少眩光，真正实现绿色照明。

图9 投光灯常用反射器材料
Fig.9 Reflector material for spot lights

2)透镜材料的选用。灯具透镜应尽量选用高透光率，合适折射率的材料，以提高灯具的光效率。目前常见的有PC、PMMA、PP、聚氨酯等高分子材料，还有光学玻璃材料。目前多数投光灯透镜材料都采用光学PC或光学级PMMA，如GE塑料、道康宁、日本出光以及帝仁等品牌，一般在设计透镜时为了保证获得工作平面上照度的均匀性，一般多采用碎纹处理(图10)，但是这样的处理由于使光线漫射造成灯具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，与绿色照明的宗旨相背离，根据灯具设计的经验，可以考虑投光灯透镜多采用高透光率的透明材质(图10)，便于实现灯具光束的控制，有些折射面适当采用微小平面组合，可以实现更加均匀的光斑，利用清透明材料代替雾面材料，灯具出光率提高10%以上。所以只有根据要求合理选择投光灯具的透镜材料，在结合光能矢量配光设计方法，准确控制灯具配光，全面提高灯具出光率，降低照明能耗，减少眩光，真正实现绿色照明。

图10 投光灯常用透镜材料及碎纹面透镜
Fig.10 Common lens material and broken surface lens for projection lamp

3 结束语

投光照明，特别是建筑物的投光照明和体育场馆照明，美化了城市夜景，提高了城市形象和硬件设施，是今后城市环境发展方向，将促使我们的计人员不断学习，不断创新，设计出更多更美的投光照明效果图，为环境照明服务。

参考文献：

[1] 肖辉乾.城市夜景照明技术指南[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 建设部、国家发展改革委员会关于加强城市照明管理促进节约用电工作的意见(建城[2004]204号).2004.

[3] 建设部.中国建筑技术政策(1996—2010精装)[M].北京：中国城市出版社，1998.

[4] 关于实施《节约能源——城市绿色照明示范工程》的通知(建设部97号文件). 2004.

[5] 李炳华，董青.体育照明设计手册[M].北京：中国电力出版社，2009.

The Optical System Design of Floodlight Based on Green Lighting

CHENG Shiyou， SONG Gang， PAN Feiyue

(Zhejiang Jingrilight Technology Co.,Ltd，Huzhou 313000，China)

Abstract：In this paper, according to the specific analysis of flood lighting applications, green lighting ideals and requirements from CIE should be considered abundantly during designing optical system of flood luminaires, Firstly, traditional light source with short arc, high lumen out and high color render index(CRI),or new LED light source are used, secondly, the optical reflector combined with different functional optical modules, the refractor and optical lens are used to control the light beam shape and light direction to decrease the spill light and stray light from flood luminaires in the sky. visual comfort is improved and light pollution is down, finally, lumen output rate of flood luminaires is improved by means of prompting material performance of reflector and optical lens, at last, energy is saved and lighting cost is reduced.

Key words：optics design; flood light; green lighting; spill light; LED

基金项目：国家中小企业发展专项资金项目《超窄光束远距LED投光灯的研制》(编号：SQ2013ZOC200004)

中图分类号：TM923.47

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.026