LED燈具投射角對籃球場照明的影響

孫富兵，王坤平，郭春鳳，李成明，王鳳超，劉 元，居家奇，李 瀾

(1.上海應用技術大學理學院，上海 201418；2.上海良信電器股份有限公司，上海 201315)

引言

體育場館的照明不僅要滿足空間照明的需求，而且越來越重視人的主觀感受如舒適性等[1,2]。對于承擔體育運動賽事轉播的體育場館的照明，不僅要照顧到運動者和觀看者，攝像機對照明的要求也是關鍵[3,4]。因此，體育場館的照明有必要按不同要求進行專業的光學設計。

目前一般的籃球場大多采用大功率鹵素燈或金鹵燈，燈具安裝形式有四塔式布置、雙側布置、光帶式布置、混合式布置等布置方法[5]。但是此類布置大多是為了滿足照度需求和較好的均勻度，往往忽視了人的主觀感受。在體育運動中，尤其是籃球運動，運動員在投球等伴有抬頭行為的動作時，雙眼可能會直視光源，高亮度的光源直射人眼，強烈的眩光會對運動員帶來極大的影響，不僅會影響運動員的發揮，而且對其身體健康也會帶來不利的影響[6,7]。

基于以上原因，以上海某室外籃球場為例，我們利用其原有的燈具及附屬設備進行照明優化設計。由于燈具為非對稱出光，燈具安裝的水平偏轉角度和垂直俯仰角度對照明結果的影響很大，因此燈具的安裝與傳統燈具的安裝要求不同。

1 籃球場測量的照度

我們對上海某室外籃球訓練場新安裝的燈具，進行了實地照度測量。籃球場大小為標準場地大小，測試點選擇在籃球場長邊間距2 m，短邊間距1.5 m，測試高度2 m，在無雜光干擾的情況下逐點進行照度測量，結果如表1所示。

表1 籃球場水平照度測量結果

通過數據處理可知，該球場水平平均照度為240 lx，照度均勻度為0.49，雖未進行眩光測試，但在測量現場，還是感受到很強的眩光照射。雖然這個籃球場是一般的訓練場地，240 lx的平均照度是達到要求的，但是0.49的均勻度沒有達到相關要求。且不合適的燈具投射角度經常會出現燈具出光面正對人眼的情況，給人帶來不適感。為了更加直觀地觀察該場地的均勻度情況，圖1給出水平照度測量的三維分布圖。

圖1 籃球場測量水平照度的三維分布圖

由圖1可見，在中間燈桿的下方，照度起伏很大，影響了均勻度。對比室外籃球場照度均勻度的國標，結合表1的實測數據，盡管從數據看水平平均照度滿足業余籃球場照明相關要求，但是照度均勻度差，場地明暗差距大，燈下的照度高而邊緣部分照度低，明暗差距大導致場地會有亮斑和暗斑。在這種場景中運動，快速的明暗交替會加劇眩光效應，從而給運動者帶來嚴重的不適感，瞳孔在短時間內快速地收縮與擴展，加劇視覺疲勞，眩光會使人感到頭暈。籃球場地面反射率較高、照度過高也會引起強烈的反光。這一系列因素都會影響體育運動員的正常發揮。該場地是籃球場，必然有大量的投球、跳躍等動作，面對強光投球，燈光可能直接射入眼睛，不僅影響發揮，對于視力也不利。綜上，面對該籃球場燈具已經安裝好的情況，我們可以采用調整安裝角度來改善均勻度和減少眩光。

2 照明設計及模擬

2.1 場地布燈模擬

該場地采用飛利浦Tango LED 泛光燈 BVP281，光效>100 lm/W，顯色指數大于80。燈具BVP281是120 W的非對稱出光，配光曲線見圖2。非對稱出光可以滿足照明設計需求，為充分利用資源，燈具及附屬結構不予更換，只對燈具的安裝投射角度等細節進行處理。

圖2 配光曲線

利用DIAlux照明設計軟件，對籃球場調整燈具投射角的照度進行模擬。依據實測場地數據建立空間模型，其場景圖如圖3(a)所示。場地采用兩側布燈的方式，單側三個燈桿，燈桿間距12 m，燈桿高8 m。中間燈桿安裝三盞燈具，其余均安裝兩盞燈具，共計14盞燈具。圖3(b)為相應場地布燈的平面圖。

圖3 布燈圖

本籃球場地燈桿高度為8 m,間距12 m，這些都是不能更改的量值，變量僅為燈具的投射角度。在DIAlux軟件中，通過控制燈具照射點來確定燈具的投射角。照射點一般為計算面相對燈具的最遠處，但是特殊情況必須進行特殊設計。本文使用的燈具為非對稱出光燈具，考慮到出光有偏角，在模擬中多次修改照射點位置來進行模擬計算，以得到最優結果。雖然籃球場是主要照明區域，但籃球場邊緣位置的部分也不能忽略。

2.2 照明模擬

從圖2可以看出，燈具非對稱出光角度偏向為30°左右。為了找到最佳燈具投射方向，在球場上做垂直方向偏離30°的輔助線若干條，并在球場中間添加柵格輔助線作為參照，以方便定位照射點。作為照明設計關鍵的部分，照射點的設置至關重要。依據場地兩邊燈具對稱分布的特點，結合其偏光角為30°，我們首先將場地沿長度方向的對稱中線均勻照射，此時照射點均在中線上；其次，由于場地的對稱性，將場地和燈具分為四個區域，并選擇某一四分之一區域，調整本區域內燈具的照射點，使得該區域內照度均勻，確定本區域的照射點；最后，按照對稱性，依據四分之一區域內的照射點的設置，借助格柵和輔助線，確定整個場地的照射點。 當然，對場地邊緣這些不能忽略的特殊區域，最后對所涉及到的燈具照射點進行微調。確定照射點的過程中，需要特別注意燈具非對稱出光的特點。經過反復調整，最終得到一組符合要求的照射點數據，如圖4所示。

將燈具的配光曲線導入DIALux軟件中，并對按照燈具的參數進行相應的設置。依據圖4的燈具照射點，對籃球場的照度進行模擬，圖5給出了場地模擬的照度數據結果。

圖4 燈具照射點圖

圖5 模擬的場地照度數據

對圖5中的照度數據結果進行分析，此時場地的平均照度為229 lx，均勻度為0.7，統一眩光值小于10。經過了燈具投射角的調整，不僅照度均勻度由實測的0.49提高到了0.7，眩光也降低了。在三維場景里觀察燈具的朝向，燈具并非正對場地照射。所以，對燈具投射角進行調整后，在本籃球場進行籃球活動的過程中，基本不會出現人眼正對出光面的情況，降低了眩光的影響。

依據調整投射角后的場地照度數據，給出照度三維圖如圖6所示。與圖1相對照，圖6中的照度沒有明顯的起伏，照度均勻度明顯提高，眩光效應減小。

圖6 模擬的照度三維圖

3 結論

我們對某室外籃球場地水平照度進行了測量，平均照度為240 lx,均勻度為0.49，現場感覺到明顯的眩光。在只能通過調整燈具投射角來調光的情況下，我們應用DIALux軟件對場地照射點進行調節，找到各燈具的最佳投射角；利用最佳的投射角，模擬了場地的水平照度，得到照度均勻度為0.7，統一眩光值小于10。該優化方案充分利用原場地燈具非對稱出光的特點，通過調節場地照射點來找到合適的投射角，在模擬場景中不存在人眼正對光源的情況。因此，調節投射角度可以改善照度均勻度，降低眩光，這也是照明設計中重要的調節參數。