新格局下LED路燈照明質量現狀探討

王建衛 李正杰

【摘 要】文章分析了LED路燈燈具設計中需要重點考慮的幾個關鍵問題：包括LED路燈的配光的重要性及配光設計中要遵循的規律。同時，文章也對現有的照明質量評價體系和LED新光源在實際應用中存在的矛盾和困惑進行了闡述，尤其對LED光源的顯色性、顯色性評價新方式及傳統的色差分級是否適合LED光源進行了討論。

【關鍵詞】LED照明；路燈配光；LED光學、顯色性能；光源的色容差

【中圖分類號】TM923 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0047-03

0 引言

21世紀的今天，公共道路的照明，特別是城市道路的照明，正在進行著前所未有的革新。別開油燈和蠟燭照明，單是電光源的道路照明已經歷了第一代的白熾燈、第二代的高壓汞燈和第三代的高壓鈉燈。當前，占據道路照明30余年主角位置的高壓鈉燈，無論在國內還是國外，都面臨著前所未有的挑戰。這個挑戰者就是LED路燈。根據LED燈的特點，國內外的照明專家們預言：LED燈成為第四代電光源已經是大勢所趨。LED燈從室內走向室外，逐漸替代傳統的高壓鈉燈，肩負起道路照明的重任已是大勢所趨。

由于LED燈的發光特點與傳統電光源有著太大的區別，道路照明自身的特點也對LED路燈提出了不同的要求。本文就新格局下LED路燈照明質量現狀進行討論。

1 LED路燈照明質量的評價依據

目前，測量者要么測量路面的照度，要么在一個規定的測量姿態下對路面亮度進行各點測量（由于亮度測試需要專用的設備，實際上我們國家的路面測試還是以照度測試為主）。但是，這些均非駕駛員的真實感覺。

路燈是用來照明道路和路面目標的，同時還具有引導功能，因此路燈的照明質量評價應以駕駛員的感覺為依據，而駕駛員感覺到的是亮度而非照度，這是大家已經清楚的事實。

（1）駕駛員先要能看清路面和識別目標，路面和目標受照后，吸收了部分光線，以二次發射體的形式提供了路面和目標的亮度和色度，路面和目標在亮度或者色度上必須有一定的差異才能被人眼所識別。

（2）要求路面照明均勻，而且非機動車道與人行道要有適當的照明。使駕駛員既能看清路面又能及時發現目標。

（3）汽車在行駛過程中駕駛員看到的是動態的場景，因為車在動，人眼也在轉動。

（4）路燈提供的照明必須讓駕駛員感覺舒適、不易疲勞；應該控制眩光如失能眩光、不舒適眩光，尤其是失能眩光。它會致使駕駛員產生短時間失明，危害更大。

（5）路燈的上述功能除了要求光源要有足夠的光通量、良好的顯色性和色溫外，還要求路燈光源必須進行二次配光，使其路面照明均勻且能控制眩光。

2 LED路燈配光的目的

2.1 LED路燈光學設計的特點

（1）路燈光學設計屬于非成像光學系統的設計，是將燈具光源的光強按照預先設定的照明要求重新分布，以較少的能耗獲得所需的路面照明質量。它不僅重視光源的光強再分布，也重視節約能源；它有別于成像系統的設計。不考慮成像，不必消除像差。

（2）駕駛員看到的是路面（或目標）被照明后，經過吸收和反射，作為二次發光體所呈現出來的路面（或目標）亮度，而非路面照度，照度是單位路面面積所獲取的光通量，人眼不能直接感受到。

LED的出現使路面照明的配光設計成為可能，單個LED芯片光源的面積只有1 m2左右，較容易進行配光設計。

2.2 LED路燈透鏡配光與截光的差別

配光可將有害的和無用的光線經過鏡頭的作用投向予設區域，變為有用光線；而截光是將有害光線攔截，達到去除眩光的目的。以往的路燈光源均帶有玻璃外殼，如高壓鈉燈、金鹵燈等，其體積太大，在有限的空間內難以進行良好的配光設計。只能利用反射和截光的方式籠統地多利用一些光能和控制眩光；但用截光的方式控制眩光，無疑要損失了部分光能。

配光除了要求道路照明均勻和對炫光進行控制之外，還要求節能。而截光只是對眩光進行截除的一種低級手法。

截光、半截光、非截光的區別僅在于對眩光控制的差別。控制眩光對于LED路燈的配光來說，這是一個簡單的要求，不是它的精華。將截光作為LED配光的檢驗標準是不合適的，有些不得要領。

3 LED路燈配光設計的糾結之處

（1）明知路燈配光設計應以亮度設計為依據，亮度和照度的關系絕不是乘上一個簡單系數的換算關系。但是，現行配光設計卻還是以照度為依據。這是為什么？

理論上應該是以亮度為評價依據，但是燈光在路面傳播過程中，路面吸收特性和反射特性未知，形成光路設計鏈條斷裂，數據缺失，造成以亮度為評價依據的光學設計無法進行下去。

歐洲將路面材料分為R1、R2、R3、R4 4類；這種分類對于配光設計顯得太粗糙了，沒有意義。

我國目前還未開展這方面的研究，既沒有路面材料分類的樣品，更沒有各種樣品的漫反射特性的資料。對于配光設計來說，關于路面的漫反射特性細分很有必要，但工作量很大，而且特性的確定要得到各方的認可則更不容易，需要大家配合、努力。

鑒于上述原因，目前采用以亮度為基準的路燈配光設計難以進行下去，或者說時機尚不成熟，還有許多基礎工作要做。

抓緊對路面吸收特性和漫反射特性開展研究，并建立相應的數據庫，取得共識，以供選用；使得LED路燈以亮度為依據的配光設計得以進行。

（2）我國和部分國家一樣采用“雙軌制”，既認為道路照明的評價應以亮度為主，但是由于亮度評價的困難，也允許用照度評價，兩者之間有一個簡單的換算系數取值范圍，這個經驗數據在大光源中使用了多年，沒有出現過大的問題（更確切地說，是標準遷就了HID光源），作為連續配光的高壓鈉燈而言，照度均勻度達到了國家標準，相應的亮度均勻度也與國家標準相差無幾。對LED路燈而言，由于配光的非連續性，往往照度均勻度非常理想，但亮度均勻性卻遠遠低于國家標準。因此，采用亮度均勻性作為評價標準更為準確。

（3）這種理論和實際嚴重脫離的現狀是在LED路燈出現之前就有的情況，隨著配光設計的完善、研究道路照明機理的深入，相信將會有一批更新的研究成果出現，這就有可能要求路面照明必須用亮度評價，要求路燈具有高一些的均勻度、低一些的亮度，以及更節能、有適當的顯色性及對不同路段的色溫有不同的要求等，屆時路燈的設計、測量和評價將更加趨于合理、統一、和諧。

4 LED光源的顯色性能否繼續用Ra評價

LED光源的顯色性用顯色指數（CRI）來衡量，這里選擇參照的樣品光源影響很大，而CIE對樣品光源的選擇采用了很寬的范圍，即≤5 000 K的黑體輻射和>5 000 K的一段日光，這意味著作為參照的發光體的數量是無限的，一個色溫2 856 K的白熾燈也可以擁有和自然光同等的顯色性。自從有了這個結論以后，這個問題就辯論過，但卻一直沒有找到各方可接受的解決辦法。

為了方便運作，通常采用一般顯色指數（Ra）來評價燈光的顯色性（Ra一般采用8個標準色樣品）。

但是Ra不太適合用來評價LED照明的顯色性，原因如下。

（1）CRI只是測量色彩的保真度而未考慮在何種情況下會出現色彩失真。同時，顏色向不同方向變化，它對色彩的感覺會有不同的影響。

（2）評價的樣品太少，Ra只選定了8種樣品。

（3）8個樣品的光譜特性與LED的光譜特性大不相同，前者為連續光譜，而LED有明顯的藍光波峰。

（4）8個樣品都是中等色飽和度，它符合當年白熾燈燈光的狀態，不能反映人眼的真實感受（尤其是在白天的真實感受），人類喜愛的是飽和的色彩居多，而且也不符合LED的發光狀態。

（5）CRI的評價有點混亂，CRI=0時，并非最低顯色性能，常有負值出現，也常有CRI高時，人眼的真實感覺卻不如CRI低時的現象出現。

大量的視覺實驗表明，CRI不能預測人類的主觀感受。CIE的結論是當前CRI對白色LED光源的顯色性的優劣判據違背了一套基于視覺的優劣判據。

在過去的幾十年里，有很多出版物都批評了CIE樣品測試方法，并且出示了證明測試方法有漏洞的證據，但是至今也沒找到令人信服的更好的方法。CIE很多次力求解決這個問題，也成立了技術委員會，但是因為始終沒找到一個得到各方認可的辦法，技術委員會在成立10年之后就解散了。最后一個技術委員會成立于1991年，于1999年解散。

有人根據人們喜愛色彩鮮艷的特點，提出色彩鮮艷向量（CRVs）指標，并在CRVs的基礎上提出表征顏色的四維理論，即用相關色溫（T）、色彩逼真指數（F-CFI-Color Fidelity Index）、色彩飽和度指數（S-CSI-Color Saturation Index）和色彩扭曲指數（D-HDI-Hue Distortion Index）4維指標來對白光燈的顏色質量進行評價。并提出了一個假想有逼真日光的LED燈，此燈的四維指標應為T65-F100-S0-D0。

現在，美國極力推行采用顏色品質指數CQS替代一般顯色指數Ra，它在8個樣品的基礎上增加上增加了深紅、深黃、深綠和深藍，以及常見的顏色如膚色和樹葉色（之前未被列入Ra的檢測樣品），且R9>0/9。雖然沒能從根本上以人體工效學為出發點給予改變，但是它貼近了LED發光。目前，CIE尚未接受CQS概念，幾大傳統照明廠擔心會與它們原先對燈具產品的測量結論相矛盾，而這幾大廠在CIE有著深厚的根基。但可以看到業界的努力，看到國家層面上尤其是美國國家實驗室的不懈努力，再者這幾個國際大廠也在努力開發LED，相信不久后會有所發展。

5 單純提出降低燈具光源的色容差要求，是否能真正把色容差降下來

顏色容差的定義是燈光顏色的測量數據和標準顏色的測量數據之間的數據差別。可判斷被測燈光顏色與標準顏色的接近程度。

標準值與實測值之間相差的容差值可通過計算得到，計算方法是在Lxaxbx三維色空間中（L代表亮度，判別白—灰色；a代表紅—綠色系；b代表黃—藍色系），測量標準色和樣品色之間的坐標距離。最常用的方法是CIELAB（容差球法）和CMC（橢圓球法）。

5.1 與色差的相關參數

色差=K×f（A，B）

上式中，A為標準顏色樣品中心點的色品坐標；B為被測燈的色品坐標；K為色溫系數（每個標準顏色樣品都對應一組唯一的系數，即容差的范圍）。

也就是說，色差的大小是由上述參數決定的，比如，若已經確定標準樣品的色溫是5 000 K，那么A與K就應該是固定不變的，當被測燈的色品坐標確定后，則色差的大小也就被確定了。

有的標準規定的標準樣品的色溫是參照熒光燈的標準，共有2 700 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、5 000 K、6 500 K 6檔。LED常用的4 500 K及5 700 K被無辜地排斥在外；為了解決這個問題，提出企業可根據用戶要求生產非標準顏色的燈，但必須給出此顏色的目標值，其容差為85 DCM（色匹配標準偏差）之內。這種要求會不會出現產品符合了指定的非標準顏色燈的要求之外，同時也符合相鄰的標準顏色燈的要求。

5.2 色品坐標與相關色溫的關系

（1）一組色品坐標x，y只對應色品圖上的一個點，那么自然也就只有一個相關色溫值。

（2）一個相關色溫，在色品圖上是一條線（等溫線），那么自然也就有許多組色品坐標。

也就是說，在相關色溫相同的情況下，色品坐標會有許多組，自然色容差也就有許多組，那么燈的相關色溫大小，并不能決定該標準色溫下的色溫差大小。

還有色容差放寬需綜合考慮，要考慮什么體系、什么色差單位。想要放寬色容差的要求，標準樣品色溫之間的間隔也要放寬才有效。但是要考慮，是否有理論依據和試驗數據來支持。

更主要的是，應該考慮人眼的感受。要有足夠的人群的實驗數據，在這些工作未做之前先借用他人的成果還是有益的。建議可參照美國“能源之星”的要求，他們針對LED節能產品做了許多有益的行之有效的工作，“能源之星”的公布已非國美能源部單方面的意見，它是與各方協調、妥協的結果。

世界都期待有標準和規范，但是更期待有科學、合理、嚴謹的標準和規范。《廣西城鄉道路半導體照明工程技術規范》正由相關行業的專家根據上述原則和標準，并按照廣西工程建設地方標準制訂程序要求完善相關手續，通過出臺該技術規范從規劃設計源頭推進半導體照明產品在城市照明中的推廣使用。

參 考 文 獻

[1]張利超.淺談LED路燈燈具本體設計的要求[J].城市照明，2014（4）：33-35.

[2]朱紹龍.光源顯色性的評價方法[A].浙江省照明學會.中國長三角照明科技論壇論文[C].浙江：浙江省照明學會，2006：10-12.

[3]黃翔.LED路燈配光設計探討[J].中國照明電器，2012，36（9）：48-53.

[責任編輯：陳澤琦]