基于綠色照明理念的投光照明燈具的光學設計

程世友，宋 剛，潘飛躍

(浙江晶日照明科技有限公司， 浙江 湖州 313000)

基于綠色照明理念的投光照明燈具的光學設計

程世友，宋 剛，潘飛躍

(浙江晶日照明科技有限公司， 浙江 湖州 313000)

根據對投光照明應用場合的具體分析，基于綠色照明的理念和要求，本文給出了投光照明燈具光學設計時光源和器件材料的選擇以及燈具的配光設計要求：首先選擇短弧、高光通、高顯色性和高流明維持率的傳統光源以及新興的高效LED照明光源；其次采用模塊化模式設計全方位組合不同反射功能的反光罩，遮光罩以及折射透鏡，控制光的投射方向和光束形狀，降低燈具的溢出及偏射光能和人工照明形成的天空雜散光，提高投光照明的視覺舒適度，控制光污染；另外還可以改善投光照明燈具反射材料和透鏡材料的光學性能，提高燈具光輸出率，節省能源，降低照明成本。

光學設計；投光燈；綠色照明；溢出光；LED

引言

綠色照明是指通過科學的照明設計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩定的照明電器產品(光源、燈用電器附件、燈具、配線器材以及調光和控光器件)，改善提高人們工作、學習、生活的條件和質量，從而創造一個高效、舒適、安全、經濟、有益的環境并充分體現現代文明的照明。綠色照明的出發點是節約能源、保護環境。實施綠色照明的宗旨是發展和推廣高效照明器具，節約照明用電，建立優質、高效、經濟、舒適、安全、有益的環境。綠色照明不僅要求節能，還要在滿足對照明質量和視覺環境條件的要求下實現節能，因此不能單純依靠降低照明標準來實現上述目的，而是要提高整個照明系統的節能能力，在同樣的照明標準和照明質量下通過更少的燈具和更低的功率消耗來實現[1-5]。

1 建筑照明的相關要求

投光照明是針對場景或物體的照明，通常通過泛光燈和投光燈來實現，目的是大量增加其相對于周圍環境的照度。投光照明燈具一般包括“定向燈具”、“可調式燈具”等。投光燈是利用反射或折射方法增加在有限立體角度內光強的一種燈具，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對象受照量的多少。照明設計中首先就是確定一個設計照度值，然后依據此值經過計算確定燈具的功率和數量。照度標準是每個國家依本國的經濟條件、電力供應能力和衛生標準而制定出來的。不同的使用場所有不同的標準值，低于標準值滿足不了場所的需求，高于標準值則會造成電能的浪費。按國際照明委員會(CIE)的標準規定，對建筑立面反射比為30%～40%的中色飾面材料的墻面，比如中色石材、水泥或淺色大理石墻面的投光照明所要求的平均照度(見表1)，在暗背景下為40 lx，一般背景亮度(8 cd/m2)下為60 lx，亮背景下為120 lx，考慮墻面清潔程度為較清潔時，修正系數Z=2，則建筑墻面要求照度分別為80 lx、120 lx和240 lx。

表1 CIE對中色飾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

通過對國內部分代表性城市的建筑立面夜景照明狀況的調查發現，夜景越來越亮和照明產生的光污染問題尤為突出，有的建筑立面夜景照明平均照度竟然超過500 lx，建筑立面照明耗電高達25 W/m2之多，而且還會產生光污染和光干擾；對北京和上海兩市121個建筑立面夜景投光照明的調查結果顯示，這些建筑的墻面反射比基本上在30%～40%之間，墻面的清潔程度屬于較清潔，建筑物的環境明亮程度也較為明亮。對照CIE標準，所調查的建筑立面夜景照明的平均照度應等于或低于240 lx，而實際上有37%的建筑超過CIE標準。另外在進行照明設計時，實施燈具配光和布燈方案的不當也會造成大量溢散光。據調查統計，建筑立面投光照明的溢散光約占照明總光能量的1/3。全國建筑立面投光照明的溢散光加起來是一個十分可觀的數字，不僅浪費了能源，而且同樣也造成光污染。在我國大規模建設夜景照明的情況下，通過科學設計照明燈具和布燈方案，嚴格執行國家和國際照明標準，加強照明設施管理，可實現既建設夜景，又節約能源的雙重要求。

2 基于綠色照明理念的燈具光學設計

照明系統的節能主要從兩方面進行：一是研制和推廣應用高效優質的照明燈具；二是提供合理的照明控制系統和工程應用。研究高效的照明燈具主要是從燈具光學系統的設計出發，合理選擇燈具光源，科學地設計燈具光學系統形狀，采用合理的反射材料和折射投光材料。

2.1 光源的選擇

電光源的發光原理不同、制作工藝不同、材料不同，則發光效率就不同。金屬鹵化物燈的光效已接近1 201 m/W，是大型投光照明、道路照明和高大廠房照明的主要光源；高壓鈉燈光效已達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，顯色指數從70到95都有，色溫范圍分布從2 200 K到7 000 K，主要用于室內照明、戶外功能照明、景觀照明，是典型的綠色節能光源，已成為戶外場景和景觀照明的主要光源。另外在選用光源的同時，還要注意燈具電器系統的能效，在氣體放電光源中如何減少鎮流器的耗電、提升LED驅動系統的能效也是人們所關注的，如節能型電感鎮流器、電子鎮流器、LED驅動系統的開發和利用。減少了電器系統的耗電就等于增加了發光效率。

在實際的投光照明應用中，片面追求高顯色性和高色溫，會造成極大的能源浪費，與綠色照明節能的目標背道而馳。在一些體育場館館的投光照明中，一般都采用1 000 W～2 000 W的大功率金屬鹵化物燈和LED光源，燈具效率以及在項目中應用合適類型的產品對實現節能就顯得尤為重要。體育照明中常用的金屬鹵化物光源，按顯色指數通常分為65(或80)、90兩種；按相應的色溫分為3 700 K(或4 000 K)、5 600 K兩種。后者通常應用于國際性的彩電轉播、奧林匹克運動會、世界杯比賽以及高清電視轉播中；前者用于日常的訓練、比賽、彩電轉播中。在全球不同地區如北美和歐洲，其執行的標準也有較大的差別，現行的體育照明標準對此的要求也有所不同。不同顯色指數和色溫的光源其光通量有明顯差別，以1 000 W的金鹵燈光源為例。顯色指數為65的金鹵燈光源光輸出為110 000 lm，而顯色指數為90的金鹵燈光源光輸出僅為90 000 lm。前者的光通量高出后者約20%，意味著在同樣的照度水平和照度均勻度要求下，后者可節能20%左右。針對LED光源，顯色指數從70到90以上，對于大功率單晶LED光源，同樣規格顯指70的LED光效大概在230 lm/W左右，而顯指90的LED光效只有160 lm/W；前者可節能40%左右。因此依據照明場景要求選擇合適的光源色溫和顯色指數也非常有助于照明節能。

現有的金鹵燈結構分為單端金鹵燈和雙端金鹵燈2種，每種金鹵燈又可分為長弧發光管和短弧發光管兩種(圖1)，應用于不同的燈具中。比較這些產品特性可以發現，短弧雙端金鹵燈具有以下特點：允許燈具系統的設計更加簡潔，并使精確的光學系統具有較高的效率、良好的光束控制能力和最低限度的溢出光；燃點位置位于水平方向±5°以內，有助于金鹵燈性能的穩定；但是在工作時，燈的封裝部位將暴露在空氣中，因此必須控制燈具溫度，同時燈與燈之間顏色的差異較難控制。單端短弧金鹵燈同樣具有自己的優勢，特別是在對眩光、外溢光的控制以及燈具的精確配光方面：也可以精確地控制光線，提供更多的配光選擇、良好的外溢光及眩光控制、透明管狀外玻殼、高光效；保持與水平方向±5°以內的燃點位置，以最大程度地降低金屬鹵化物燈固有的色差；初始及燃點壽命期間均具有很高的光效；燈具壽命比雙端金鹵燈長；燈與燈之間的顏色差異容易控制。根據金屬鹵化物燈具的特性，當燈管處于水平和垂直狀態時被點燃，燈具的燃點效率最高。一般燈具安裝在燈桿或者馬道上時，燈具的瞄準角度與水平方向會有一個25°～40°左右的夾角，此時燈具的傾斜系數較低，燈具的利用效率下降，必須使用更多的燈具才能達到這一照明效果。使用Z形光源(圖2)時，通過燈管Z形的校正，可使燈管基本處于水平狀態，提高燈具的傾斜系數，提高了燈具的利用效率，減少燈具的使用數量，有效節約了電能。同時，采用Z形光源后，結合燈具的設計，部分本來投射到空中的外溢光通過反射器的反射被重新投射到場地中，從而提高了燈具的效率，使場地內可供利用的光能提高了25%左右，并且減少了對周邊環境的外溢光污染和場地內眩光。在沒有配置外置眩光控制器的情況下，可減少外溢光達50%左右；選用外置眩光控制器后，外溢光可減少90%～95%。

圖1 常見金鹵燈圖片Fig.1 Common metal halide lamp

圖2 Z型光源金鹵燈圖片Fig.2 Z light source metal halide lamp

LED光源由于尺寸小，單面發光，因此更加適合投光燈具使用，見圖3。燈具光學系統主要采用透鏡控光，光學系統尺寸緊湊，減少燈具體積，精確的光學系統使投光燈具具有良好的光束控制能力和最低限度的溢出光，燈具效率更高。相對金鹵燈，燈具光效不會因為燃點位置的不同而顯著變化，因此燈具的瞄準不會影響光效，從而提高了燈具投射光通量的利用效率，使場地內可供利用的光能提高了30%左右，顯著減少了對周邊環境的外溢光污染和場地內眩光。而且也不需要特別的外置眩光控制裝置和溢出光控制裝置。

圖3 單晶大功率LED光源Fig.3 Single crystal high power LED light source

2.2 投光燈具配光設計

1)投光燈具配光設計要求。燈具是光源、燈罩和相應附件組成為一體的總稱。燈具的光照主要特性包括配光性能、燈具效率、防止眩光特性。節約照明用電，單有高效光源，若燈具效率低，燈具配光不合理也不能充分利用光源發出的光。人工光源一般在燈具內使用，燈具的主要作用是使光能依據場景的需要按照一定的規律分配，如寬光束、中光束、窄光束配光、余弦配光等。光源在燈具內總會損失一部分光，燈具發出的光通量與光源光通量之比稱為燈具光效率，燈具光效率高就意味著燈具內光能的損失少，發出的光量多，意味著節能。各種燈具的光效率差異很大，大致在30%～ 95%之間，如窄光束的投光燈一般在30%～50%左右，為了提高燈具效率，在燈具結構設計上盡量減少燈具內對光能的吸收和遮擋。因最終所利用的光通量是隨燈具的效率和利用系數而變化的，只有使用光效和利用系數高的燈具，才能充分利用光源發出的光通量。要節約照明用電，應花大力氣提高燈具光效率和光學系統設計水平。

投光燈具的選擇：若從光分布圖像看，可分為三種形式(圖4)。非對稱式；對稱式；雙向非對稱式；若從外形來看，可分為：圓形燈具，它的光束角較小，均為對稱投光；方形燈具，它的光束角較大，均為非對稱投光，且照射的面積較大。一般投光照明用的投光燈功率大，亮度高，又布置在建筑物附近，極易對路人造成眩光，對周圍建筑物內的居民造成光干擾。因此，在進行照明設計時，對設備的選型及設備安裝位置的選擇都要充分考慮，應盡量減少溢散光，燈具的位置和投射角度要合理，要提高投光照明的利用系數(被照表面所得到的光通量與光源發出的光通量之比值)。燈具的配光選擇也是關鍵，國際照明協會規定了7種最基本的燈具配光曲線(圖5)，也有部分燈具只提供寬光(光束角>60°)、中光(23°～60°)、窄光(光束角<23°)等配光曲線，以滿足市場的不同需求.照明設計時應注意燈具光束的形狀和光束角。投光燈一般采用中窄光束的燈具，因其在反映面上亮度一致，在垂直面上光分布過渡自然，與夜空成明顯的對比，顯示了光的力度；燈具向上仰角大，光強峰值與地面的夾角在抑制眩光的范圍內，并且盡可能擴大被照面和提高周圍環境的亮度，所以不會出現失能眩光；在主體立面上。以照射到離燈最遠的賽場區域，光束十分之一最大光強與最大光強之間的夾角不應大于12°，超出這范圍過多的溢出光也能產生眩光。目前燈具對眩光控制有兩種方式：內置式眩光控制器和內外結合式眩光控制器，經實際測試表明內外結合式眩光控制器對光線具有更好的控制作用。

圖4 投光燈具分類Fig.4 Flood light classification

圖5 基本投光燈具配光曲線Fig.5 Flood light distribution curve of ordinary lamp

2)高效防眩投光燈具光學系統設計方法。燈具光學設計就是利用幾何光學原理設計由復雜曲面組成的反射罩和折射透鏡，使光線射向要求的照明方向的一種辦法。在投光燈具光學設計中，評價燈具光學性能主要因素是被照平面和垂直面的照度及照度均勻度，它表示到達被照面的單位面積的光通量。有許多因素影響照度的評價，諸如材料表面特性、背景光強、墻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。由強光直射人眼而引起的直射眩光，應采取遮擋的辦法。使光源處于視平線45°之外，眩光就不嚴重，遮光罩可以隱蔽光源，避免眩光；因反射引起的反射眩光，決定于光源位置和被照平面或注視面的相互位置，避免的辦法是將其相互位置調整到反射光在人的視覺工作區域之外。

采用多曲面反射配光設計法(圖6)，反射器由多個反射曲面組成，能有效實現眩光控制與亮度比控制，滿足投光照明控制溢散光和提高燈具效率的要求。燈具的反射器由許多片不同的反射片嵌在反射罩內組成(圖7)，采用360°角布置，反射器可以組合成不同形狀，不同功能的小反射曲面組合成特定光反射功能的子模塊，以便實現特定的光反射功能,采用這種布置方式對光線的控制更加精準，能進一步減少了外溢光，提高燈具的效率。反射片的不同組合搭配，能夠形成多種配光曲線。在新開發投光照明燈具時只需要按照要求配光組合反射器子模塊，就可以按照特殊要求實現燈具的配光設計，從而在應用中選擇最合適的配光，做到合理投射和利用光線，以達到最佳的照明效果。一則減少燈具開發進度，二則便于通過改變局部反射器模塊形成新的配光，燈具結構不需要太大改動。采用模塊化模式設計全方位組合不同反射功能的反光罩和遮光罩，減少內部反射次數，控制投射方向和光束形狀，減少將原本投射到非照明區域的散射眩光、溢出及偏射光和人工照明形成的天空雜散光。同時燈具可在反射罩外加裝外置式防眩光控制器，提供一個舒適、清晰自然的照明環境。防眩光控制器必須根據空氣動力學原理設計，降低燈桿上的風荷載，以便節省成本，降低能源消耗。

圖6 多曲面反射配光設計及反射器模組劃分原理Fig.6 Design of multi-surface reflection light distribution and reflector module division principle

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

采用光能矢量設計方法，首先確定LED光源輸出光線矢量，矢量方向指示光線傳播方向，矢量密度指示在對應立體角內的能量大小，依據被照面照度要求確定入射光線矢量，單位面積上的入射光線矢量數量就是光能量大小，矢量方向就是入射光線方向，依據光源輸出光矢量與被照面入射光矢量，根據可設計透鏡尺寸范圍確定折射面位置，依據矢量轉換公式確定折射面的法向量，然后基于法向量利用微弧段連接，最終形成完整的光學系統折射面，從而實現折射透鏡的設計，具體設計原理和常見LED折射透鏡參照(圖8)

圖8 光學透鏡設計基本原理和常見光學透鏡Fig.8 The basic principle of optical lens design and ordinary optical lens

2.3 投光照明燈具光學器件材料的選用

1)反射器材料的選用。燈具的反射面應盡量選用高反射比的材料，燈具上的透光罩應盡量選用透射比高的材料，以提高燈具的效率。目前多數投光燈的反射器材料都采用鋁型材廠提供的用于照明的鋁板，如安鋁、美鋁、意鋁、法鋁等品牌，國產鋁主要是甘鋁、貴鋁、鳳鋁等，一般在設計反射器時為了保證工作平面上照度的均勻性，一般多采用錘紋或是霧面材料(圖9)，這時由于光線漫射造成燈具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，與綠色照明的宗旨相背離，根據燈具設計的經驗，可以考慮投光燈反射器多采用高反射率的鏡面鋁板(圖9)，便于實現燈具光束的控制，整個反射器采用多個微小反射面的組合，而不是一塊大曲面的反射形式，雖然反射器加工成型會增加成本，但是從長遠考慮節能的費用，加工成本增加的費用完全可以補償，利用鏡面反射材料代替一般的霧面材料，燈具出光率提高10%以上，利用鏡面材料代替錘紋鋁材，提高出光率5%以上。另一個方面是有關玻璃的選用，由于非對稱配光的投光燈具為了在工作平面形成均勻照度，希望在垂直平面內燈具的最大光強角度較大，比如60°，一般的設計也在40°以上，但是出現的問題是當光線以較大入射角照射到玻璃表面時，玻璃表面反射率將增加，穿透玻璃射出的光線將減少，從而影響燈具的出光率，所以在選擇投光燈具折射器時，考慮在玻璃內表面涂鍍增透膜或采用防反射玻璃(超白玻璃)，以提高燈具的出光率，只有根據要求合理選擇投光燈具的反射器材料和折射器材料，在結合多曲面反射的配光設計，全面提高燈具的出光率，降低照明能耗，減少眩光，真正實現綠色照明。

圖9 投光燈常用反射器材料Fig.9 Reflector material for spot lights

2)透鏡材料的選用。燈具透鏡應盡量選用高透光率，合適折射率的材料，以提高燈具的光效率。目前常見的有PC、PMMA、PP、聚氨酯等高分子材料，還有光學玻璃材料。目前多數投光燈透鏡材料都采用光學PC或光學級PMMA，如GE塑料、道康寧、日本出光以及帝仁等品牌，一般在設計透鏡時為了保證獲得工作平面上照度的均勻性，一般多采用碎紋處理(圖10)，但是這樣的處理由于使光線漫射造成燈具出光率降低，而且不易形成窄光束配光，造成照明眩光，與綠色照明的宗旨相背離，根據燈具設計的經驗，可以考慮投光燈透鏡多采用高透光率的透明材質(圖10)，便于實現燈具光束的控制，有些折射面適當采用微小平面組合，可以實現更加均勻的光斑，利用清透明材料代替霧面材料，燈具出光率提高10%以上。所以只有根據要求合理選擇投光燈具的透鏡材料，在結合光能矢量配光設計方法，準確控制燈具配光，全面提高燈具出光率，降低照明能耗，減少眩光，真正實現綠色照明。

圖10 投光燈常用透鏡材料及碎紋面透鏡Fig.10 Common lens material and broken surface lens for projection lamp

3 結束語

投光照明，特別是建筑物的投光照明和體育場館照明，美化了城市夜景，提高了城市形象和硬件設施，是今后城市環境發展方向，將促使我們的計人員不斷學習，不斷創新，設計出更多更美的投光照明效果圖，為環境照明服務。

[1] 肖輝乾.城市夜景照明技術指南[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 建設部、國家發展改革委員會關于加強城市照明管理促進節約用電工作的意見(建城[2004]204號).2004.

[3] 建設部.中國建筑技術政策(1996—2010精裝)[M].北京：中國城市出版社，1998.

[4] 關于實施《節約能源——城市綠色照明示范工程》的通知(建設部97號文件). 2004.

[5] 李炳華，董青.體育照明設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.

The Optical System Design of Floodlight Based on Green Lighting

CHENG Shiyou， SONG Gang， PAN Feiyue

(ZhejiangJingrilightTechnologyCo.,Ltd，Huzhou313000，China)

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.

optics design; flood light; green lighting; spill light; LED

國家中小企業發展專項資金項目《超窄光束遠距LED投光燈的研制》(編號：SQ2013ZOC200004)

TM923.47

A

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