基于R-Table的LED道路照明配光研究与设计[1]

　　1 引言

　　机动车辆驾驶员主要关注前方60—160米区域的路况, 夜间行驶时, 道路照明之目的是为驾驶员创造一个明亮且均匀的路面视觉环境, 从而达到降低夜间事故率之功效。自CIENO.12.2于1977年出版以来, 道路照明的亮度标准就在欧美各国被采纳和广泛推广, 并作为道路设计的主要标准, 我国在CJJ45-1991标准中也引入了亮度标准,并在CJJ45-2006标准中强化了亮度均匀性要求。但随着诸多非照明专业人士转入LED 道路照明行业, 许多从业者对路面亮度和照度的差异性了解不够,导致亮度标准在我国被逐渐弱化, 并有可能被照度标准取代的倾向。要在我国推广亮度标准, 首要任务则是研究不同路面材质的反射性能, 摸清简化亮度系数表(即R-Table)对道路照明灯具配光的影响,分析基于照度标准设计的道路灯具配光所带来的问题。

　　2 不透明材质反射性能表征方法

　　材料的反射性能与光线的入射角、观察方向、入射光的光谱分布函数、入射点的位置相关。Nicodemus 等人提出采用双向反射分布函数(BRDF,Bidirectional Reflectance Distribution Funtion)来描述材质的反射性能，用公式(1)表示, 图1给出了公式中各几何量的意义。BRDF的数据一般可以根据实验数据测试得出, 也可以从许多数学上的Phong、Blinn-Phong 等理论模型中近似地计算出。对于均匀漫反射模型而言, 由于材质的反射与入射角、反射角无关,而且各方向上的亮度相等, 其数学模型很简单, 可以根据公式L=ρE/π来计算亮度大小(即f=ρ/π)。例如, 水泥的反射率ρ约为30%, 则可计算出水泥路面照度是亮度的10倍左右;沥青的反射率ρ约为20%, 则可计算出沥青路面照度是亮度的15倍左右。但实际上, 只有少数材料的反射性能符合均匀漫反射, 例如用于粉刷墙面的涂料, 其墙面平整, 且涂料中的石膏粉颗粒的尺寸很小而且粗细均匀。对于路面材质而言, 其材料的组成成分复杂, 粗细不匀,有些材质还有反光材料添加剂, 因此, 其反射性能与标准均匀漫反射差距很大。如图2示意所示, 尽管图2一A 与, 2一B两种材质的反射率相同, 但在某一特定的观察方向上的亮度差距却很大。

　　BRDF数据一般用于三维仿真软件的效果图渲染, 或基于辐射度计算的光学模拟软件反射光计算, 这些软件都需要比较精确的光谱分布函数计算, 对逼真性、色彩和精度要求都较高。但对于道路照明来说, 由于路面色彩单一、整体亮度较低、以及路面的反射性能受气候、磨损程度、积灰厚度、路面不均匀沉降等诸多因素的影响, 因此, 在路面亮度计算时, 对路面的色度以及路面亮度的精确度要求不高, 从而, 表征道路照明路面反射性能的方法通常是采用q(α，β，γ)立体, 比BRDF简化了许多, 如公式(2)所示, 图3示意了各几何参数之间的关系。

　　公式(2)忽略了光谱分布函数的影响, 所以在测试路面反射性能时, 通常采用标准光源或自然光作为测试光源。公式(2)中的β即为公式(1)中的(θi+θr)的补角, 这样简化的目的是忽略材料的各项异性的影响。

　　在道路照明中, 机动车辆驾驶员的观察角度通常为0.5-1.5°, 而且在该范围内，q(α，β，γ)值变化很小, 通常取观察角度α 等于1° 。计算点的照度可以直接从道路灯具的光强分布函数和几何位置关系中推导出来, 因此, 通常采用公式(3)描述路面材质在机动车驾驶员观察方向上的反射性能, 图4示意了各个几何参数之间的关系。CIE144-2001则采用r(β,tanγ)的形式表示路面的反射性能, 并在数值上放大10,000倍后以R-Table格式列出, 称为简化亮度系数表, 表1举例说明了C2路面的简化亮度系数表R-Table。图5 示意了R-Table表所覆盖的平面区域, 靠近观察员方向为12MH(灯杆高度), 远离观察员方向则为5MH 。

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