照明燈具光強分布曲線的格式解析與應用

錢 群，宿天賦

(天津市產品質量監督檢測技術研究院，天津 300384)

引言

常見的傳統照明計算方法有利用系數法、概算曲線法、逐點計算法等，這些方法基本上依賴燈具廠商提供的燈具信息或產品規格書，在進行照明設計時，采用上述方法不僅復雜繁瑣，而且計算時間長，計算結果的準確性差。隨著計算機技術的日益發展，計算機照明輔助設計成為照明設計師在進行光學照明設計時所采用的主要手段之一，因此，照明燈具的光強分布曲線文檔是設計環節中燈具數據來源的重要組成部分，本文主要介紹以北美照明學會推出IESNA LM-63的文檔中(簡稱IES文檔)各部分表述的含義，以及在計算機照明輔助設計軟件DIALux中的應用[1-4]。

1 燈具的光強分布曲線定義

1.1 燈具配光

在光源發光時，光線的傳播方向可能與實際希望達到的方向不符，就需要人為地設計特定的結構來改變光線的傳播方向，對光線傳播的空間分布進行重新調整，使光線在空間的分布達到所需的狀態，這種對光線傳播方向進行控制的方式叫做燈具的配光。

1.2 燈具的光強分布曲線

燈具的光強分布曲線俗稱為配光曲線，它是表述燈具的發光強度在空間上分布的圖形，通常獲取到燈具的光強分布曲線一般有兩種途徑，一種是使用分布光度計對燈具進行測量后直接導出燈具的光強分布曲線，另一種是通過聯系該燈具的生產廠商獲得[5]。

1.3 配光曲線的表示方法

配光曲線一般有三種表示方法，分別是極坐標法、直角坐標法和等光強曲線法。

1.3.1 極坐標配光曲線

在通過光源中心的測光平面上，測出燈具在不同角度的光強值。從某一方向起，以角度為函數，將各角度的光強用矢量標注出來，連接矢量頂端的連接就是照明燈具極坐標配光曲線。如果燈具是有旋轉對稱軸，則只需用通過軸線的一個測光面上的光強分布曲線就能說明其光強在空間的分布，如圖1所示。

圖1 極坐標配光曲線Fig.1 Polar coordinate light distribution curve

1.3.2 直角坐標配光曲線

對于聚光型的燈具，由于光束集中在十分狹小的空間立體角內，很難用極坐標來表達其光強度的空間分布狀況，就采用直角從配光曲線表示法，如圖2所示，以豎軸表示光強，以橫軸表示光束的投角，如果是具有對稱旋轉軸的燈具則只需一條配光曲線來表示，如果是不對稱燈具則需多條配光曲線表示。

圖2 直角坐標配光曲線Fig.2 Rectangular coordinate light distribution curve

2 燈具的光強分布曲線格式解析

2.1 光強分布曲線LM-63-2002格式解析

本文主要介紹的燈具光強分布曲線是以北美照明學會推出IESNA LM-63的文檔(簡稱IES文檔)為主，IESNA LM-63格式的配光曲線，都是以“.IES”擴展名結束，采用的是ASCⅡ文本文檔，文件的首行一般為IESNA91、IESNA：LM-63-1995、IESNA：LM-63-2002或ANSI/IES LM-63-19開頭，代表IES文件的不同版本，截止到目前ANSI/IES LM-63-19為最新版，但目前市場主流的檢測設備還是采用的IESNA：LM-63-2002版本，所以本文以IESNA：LM-63-2002版本為例進行舉例說明，在IESNA：LM-63-2002后面，直到“[TILT]=”之前，是燈具、實驗室和檢測信息等的關鍵信息部分，每個關鍵信息都加上方括號“[ ]”,其格式如下：

IESNA:LM-63-2002

[TEST]<檢測報告編號>

[TESTLAB]<實驗室名稱>

[TESTDATE]<檢測時間>

[ISSUEDATE]<燈具制造商發行IES文件日期>

[OTHER]其他信息

[MANUFAC]<燈具制造商>

[LUMCAT]<燈具產品代碼>

[LUMINAIRE]<燈具描述>

[LAMPCAT]LED<燈管型錄號碼>

[LAMP]LED<用在光度測定報表中的燈管描述>

TILT=NONE<光輸出無變化>

<光源數> <每個光源的光通量> <光強的乘數因子> <垂直角度個數> <水平角度個數><光度測定法形式 1:Type C,2:Type B,3:Type A><燈具光通量度量單位類別> <光源的寬><長><高><鎮流器系數> <未來使用系數> <功率><垂直角度數列>< 水平角度數列>

<第一行水平角度光強值數列>

……

<最后一行水平角度光強值數列>

2.2 LED 100W路燈的IES文檔實例

以一款100W LED路燈的光強分布曲線檢測數據導出的IES文件為例，c、γ角的采樣間隔為15°，通過IES文檔數據可以看出，該燈具的光通量為15512.0 lm，根據IES文件中各角度光強值結合環帶光通法可計算出燈具的環帶光通量和總光通量，IES文件格式如下：

IESNA:LM-63-2002

[TEST] LED-100W

[TESTLAB] EVERFINE

[TESTDATE] 2018-08-20

[ISSUEDATE] 2017-09-17 11:51:45

[OTHER] EVERFINE GO-R5000_V2 SYSTEM

[MANUFAC]

[LUMINAIRE]

TILT=NONE

1 15512.0 113 25 1 2 0.320 0.510 0.200 1.000 1 104.1

0.0 15.0 30.0 45.0 60.0 75.0 90.0 105.0 120.0 135.0 150.0 165.0 180.0

0.0 15.0 30.0 45.0 60.0 75.0 90.0 105.0 120.0 135.0 150.0 165.0 180.0 195.0 210.0 225.0 240.0 255.0 270.0 285.0 300.0 315.0 330.0 345.0 360.0

4998.10 5471.94 5305.97 3331.53 851.05 295.37 3.30 17.07 23.96 23.87 16.40 11.47 12.41

……

4998.10 5471.94 5305.97 3331.53 851.05 295.37 3.30 17.07 23.96 23.87 16.40 11.47 12.41

在光通量的計算中，Φ為光通量(lm)，I(θ,φ)為發光強度(cd)，θ、φ為空間角，公式如式(1)：

(1)

3 IES文檔在照明設計軟件中的應用

3.1 DIALux簡介

DIAL公司成立于1989年，原名為德國應用照明技術研究機構，DIAL公司的總部位于德國的呂登沙伊德，同時也是全德國照明產業中心。DIALux是DILA公司開發的一款專業的照明設計軟件，此軟件可免費獲得，并適用于所有燈具廠家提供的燈具。DIALux是當今市場上最具功效的照明計算軟件，它能滿足目前所有照明設計及計算的要求。為了保持它特有的市場地位，DIALux一直在不斷地更新發展。同時，它所有的更新升級版都供每個用戶免費使用。

3.2 照明環境的搭建

以一種道路照明設計為例，設計搭建的道路照明環境為雙向4車道，路寬6 m，模擬路面為CIE R3瀝青混凝土路面，平均亮度系數為Q0，如圖3所示。

圖3 道路模型設計參數Fig.3 Road model design parameters

3.3 IES文檔的導入

以100W LED路燈的IES為例，在DIALux軟件中選擇“插入-燈具-導入燈具文件-打開100W LED路燈的IES文檔”后，燈具被添加到軟件中的“現用燈具”內，如圖4所示。

圖4 導入燈具文件Fig.4 Import lamp file

3.4 燈具布置

根據CJJ45—2015《城市道路照明設計標準》中5.1照明方式及選擇燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距關系的要求需滿足各項要求[6-8]，如表1所示。

表1 路燈布置要求

在DIALux軟件建模中，模擬道路路燈的布置要求，設計LED燈具的布置方式為燈高10 m，燈間距30 m，仰角15°，燈具的懸挑長度1.5 m，采用雙側對稱排列方式，如圖5所示。

圖5 模擬路燈設計Fig.5 Analog street lamp design

3.5 計算

當在DIALux中設置好各項參數后，就可以進行軟件的模擬計算了，點擊“開始計算”，DIALux會根據設計場景的復雜程度來評估計算時間，計算完成后會顯示出計算結果[9]，如圖6所示。

圖6 模擬計算Fig.6 Simulation calculation

3.6 結果

計算完成后，在DIALux軟件的報表界面，選擇“顯示完整報表”即可查看各項的照明結果，例如：“路面的平均輝度、均勻度、Ti、照度、等照度曲線”等各項結果均可查看，如圖7所示。

圖7 計算結果Fig.7 The calculation results

4 結束語

光強分布曲線的電子文檔是燈具性能的數字化表現形式，其特有的數據格式可以將燈具的各項參數及性能完全的展示出來，我國的照明燈具生產廠家、檢驗機構、軟件開發及燈具照明設計等產業都應該熟悉燈具的光強分布曲線及其標準化的格式，以便推進整體行業的快速發展。