新格局下LED路燈照明質(zhì)量現(xiàn)狀探討

王建衛(wèi) 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(guī)律。同時，文章也對現(xiàn)有的照明質(zhì)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(tǒng)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(jīng)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(jù)道路照明30余年主角位置的高壓鈉燈，無論在國內(nèi)還是國外，都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)者就是LED路燈。根據(jù)LED燈的特點，國內(nèi)外的照明專家們預言：LED燈成為第四代電光源已經(jīng)是大勢所趨。LED燈從室內(nèi)走向室外，逐漸替代傳統(tǒng)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(fā)光特點與傳統(tǒng)電光源有著太大的區(qū)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(zhì)量現(xiàn)狀進行討論。

1 LED路燈照明質(zhì)量的評價依據(jù)

目前，測量者要么測量路面的照度，要么在一個規(guī)定的測量姿態(tài)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(zhì)量評價應以駕駛員的感覺為依據(jù)，而駕駛員感覺到的是亮度而非照度，這是大家已經(jīng)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(fā)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?shù)恼彰?。使駕駛員既能看清路面又能及時發(fā)現(xiàn)目標。

（3）汽車在行駛過程中駕駛員看到的是動態(tài)的場景，因為車在動，人眼也在轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(zhì)量。它不僅重視光源的光強再分布，也重視節(jié)約能源；它有別于成像系統(tǒng)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(jīng)過吸收和反射，作為二次發(fā)光體所呈現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過鏡頭的作用投向予設區(qū)域，變?yōu)橛杏霉饩€；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(nèi)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(tǒng)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(jié)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(qū)別僅在于對眩光控制的差別?？刂蒲９鈱τ贚ED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(jié)之處

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

理論上應該是以亮度為評價依據(jù)，但是燈光在路面?zhèn)鞑ミ^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(shù)據(jù)缺失，造成以亮度為評價依據(jù)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(shù)據(jù)庫，取得共識，以供選用；使得LED路燈以亮度為依據(jù)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(shù)取值范圍，這個經(jīng)驗數(shù)據(jù)在大光源中使用了多年，沒有出現(xiàn)過大的問題（更確切地說，是標準遷就了HID光源），作為連續(xù)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(xù)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(xiàn)狀是在LED路燈出現(xiàn)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(xiàn)，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(jié)能、有適當?shù)娘@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(tǒng)一、和諧。

4 LED光源的顯色性能否繼續(xù)用Ra評價

LED光源的顯色性用顯色指數(shù)（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(fā)光體的數(shù)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(jié)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(shù)（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(xiàn)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(xù)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(tài)，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(fā)光狀態(tài)。

（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(xiàn)，也常有CRI高時，人眼的真實感覺卻不如CRI低時的現(xiàn)象出現(xiàn)。

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

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(jù)，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(jù)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(shù)（F-CFI-Color Fidelity Index）、色彩飽和度指數(shù)（S-CSI-Color Saturation Index）和色彩扭曲指數(shù)（D-HDI-Hue Distortion Index）4維指標來對白光燈的顏色質(zhì)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(xiàn)在，美國極力推行采用顏色品質(zhì)指數(shù)CQS替代一般顯色指數(shù)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(fā)點給予改變，但是它貼近了LED發(fā)光。目前，CIE尚未接受CQS概念，幾大傳統(tǒng)照明廠擔心會與它們原先對燈具產(chǎn)品的測量結(jié)論相矛盾，而這幾大廠在CIE有著深厚的根基。但可以看到業(yè)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(fā)LED，相信不久后會有所發(fā)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(shù)據(jù)和標準顏色的測量數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)差別?？膳袛啾粶y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(shù)

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(shù)（每個標準顏色樣品都對應一組唯一的系數(shù)，即容差的范圍）。

也就是說，色差的大小是由上述參數(shù)決定的，比如，若已經(jīng)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(guī)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(yè)可根據(jù)用戶要求生產(chǎn)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(nèi)。這種要求會不會出現(xiàn)產(chǎn)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(jù)和試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(jié)能產(chǎn)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(xié)調(diào)、妥協(xié)的結(jié)果。

世界都期待有標準和規(guī)范，但是更期待有科學、合理、嚴謹?shù)臉藴屎鸵?guī)范?！稄V西城鄉(xiāng)道路半導體照明工程技術規(guī)范》正由相關行業(yè)的專家根據(jù)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(xù)，通過出臺該技術規(guī)范從規(guī)劃設計源頭推進半導體照明產(chǎn)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]