新格局下LED路灯照明质量现状探讨

王建卫 李正杰

【摘 要】文章分析了LED路灯灯具设计中需要重点考虑的几个关键问题：包括LED路灯的配光的重要性及配光设计中要遵循的规律。同时，文章也对现有的照明质量评价体系和LED新光源在实际应用中存在的矛盾和困惑进行了阐述，尤其对LED光源的显色性、显色性评价新方式及传统的色差分级是否适合LED光源进行了讨论。

【关键词】LED照明；路灯配光；LED光学、显色性能；光源的色容差

【中图分类号】TM923 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）10-0047-03

0 引言

21世纪的今天，公共道路的照明，特别是城市道路的照明，正在进行着前所未有的革新。别开油灯和蜡烛照明，单是电光源的道路照明已经历了第一代的白炽灯、第二代的高压汞灯和第三代的高压钠灯。当前，占据道路照明30余年主角位置的高压钠灯，无论在国内还是国外，都面临着前所未有的挑战。这个挑战者就是LED路灯。根据LED灯的特点，国内外的照明专家们预言：LED灯成为第四代电光源已经是大势所趋。LED灯从室内走向室外，逐渐替代传统的高压钠灯，肩负起道路照明的重任已是大势所趋。

由于LED灯的发光特点与传统电光源有着太大的区别，道路照明自身的特点也对LED路灯提出了不同的要求。本文就新格局下LED路灯照明质量现状进行讨论。

1 LED路灯照明质量的评价依据

目前，测量者要么测量路面的照度，要么在一个规定的测量姿态下对路面亮度进行各点测量（由于亮度测试需要专用的设备，实际上我们国家的路面测试还是以照度测试为主）。但是，这些均非驾驶员的真实感觉。

路灯是用来照明道路和路面目标的，同时还具有引导功能，因此路灯的照明质量评价应以驾驶员的感觉为依据，而驾驶员感觉到的是亮度而非照度，这是大家已经清楚的事实。

（1）驾驶员先要能看清路面和识别目标，路面和目标受照后，吸收了部分光线，以二次发射体的形式提供了路面和目标的亮度和色度，路面和目标在亮度或者色度上必须有一定的差异才能被人眼所识别。

（2）要求路面照明均匀，而且非机动车道与人行道要有适当的照明。使驾驶员既能看清路面又能及时发现目标。

（3）汽车在行驶过程中驾驶员看到的是动态的场景，因为车在动，人眼也在转动。

（4）路灯提供的照明必须让驾驶员感觉舒适、不易疲劳；应该控制眩光如失能眩光、不舒适眩光，尤其是失能眩光。它会致使驾驶员产生短时间失明，危害更大。

（5）路灯的上述功能除了要求光源要有足夠的光通量、良好的显色性和色温外，还要求路灯光源必须进行二次配光，使其路面照明均匀且能控制眩光。

2 LED路灯配光的目的

2.1 LED路灯光学设计的特点

（1）路灯光学设计属于非成像光学系统的设计，是将灯具光源的光强按照预先设定的照明要求重新分布，以较少的能耗获得所需的路面照明质量。它不仅重视光源的光强再分布，也重视节约能源；它有别于成像系统的设计。不考虑成像，不必消除像差。

（2）驾驶员看到的是路面（或目标）被照明后，经过吸收和反射，作为二次发光体所呈现出来的路面（或目标）亮度，而非路面照度，照度是单位路面面积所获取的光通量，人眼不能直接感受到。

LED的出现使路面照明的配光设计成为可能，单个LED芯片光源的面积只有1 m2左右，较容易进行配光设计。

2.2 LED路灯透镜配光与截光的差别

配光可将有害的和无用的光线经过镜头的作用投向予设区域，变为有用光线；而截光是将有害光线拦截，达到去除眩光的目的。以往的路灯光源均带有玻璃外壳，如高压钠灯、金卤灯等，其体积太大，在有限的空间内难以进行良好的配光设计。只能利用反射和截光的方式笼统地多利用一些光能和控制眩光；但用截光的方式控制眩光，无疑要损失了部分光能。

配光除了要求道路照明均匀和对炫光进行控制之外，还要求节能。而截光只是对眩光进行截除的一种低级手法。

截光、半截光、非截光的区别仅在于对眩光控制的差别。控制眩光对于LED路灯的配光来说，这是一个简单的要求，不是它的精华。将截光作为LED配光的检验标准是不合适的，有些不得要领。

3 LED路灯配光设计的纠结之处

（1）明知路灯配光设计应以亮度设计为依据，亮度和照度的关系绝不是乘上一个简单系数的换算关系。但是，现行配光设计却还是以照度为依据。这是为什么？

理论上应该是以亮度为评价依据，但是灯光在路面传播过程中，路面吸收特性和反射特性未知，形成光路设计链条断裂，数据缺失，造成以亮度为评价依据的光学设计无法进行下去。

欧洲将路面材料分为R1、R2、R3、R4 4类；这种分类对于配光设计显得太粗糙了，没有意义。

我国目前还未开展这方面的研究，既没有路面材料分类的样品，更没有各种样品的漫反射特性的资料。对于配光设计来说，关于路面的漫反射特性细分很有必要，但工作量很大，而且特性的确定要得到各方的认可则更不容易，需要大家配合、努力。

鉴于上述原因，目前采用以亮度为基准的路灯配光设计难以进行下去，或者说时机尚不成熟，还有许多基础工作要做。

抓紧对路面吸收特性和漫反射特性开展研究，并建立相应的数据库，取得共识，以供选用；使得LED路灯以亮度为依据的配光设计得以进行。

（2）我国和部分国家一样采用“双轨制”，既认为道路照明的评价应以亮度为主，但是由于亮度评价的困难，也允许用照度评价，两者之间有一个简单的换算系数取值范围，这个经验数据在大光源中使用了多年，没有出现过大的问题（更确切地说，是标准迁就了HID光源），作为连续配光的高压钠灯而言，照度均匀度达到了国家标准，相应的亮度均匀度也与国家标准相差无几。对LED路灯而言，由于配光的非连续性，往往照度均匀度非常理想，但亮度均匀性却远远低于国家标准。因此，采用亮度均匀性作为评价标准更为准确。

（3）这种理论和实际严重脱离的现状是在LED路灯出现之前就有的情况，随着配光设计的完善、研究道路照明机理的深入，相信将会有一批更新的研究成果出现，这就有可能要求路面照明必须用亮度评价，要求路灯具有高一些的均匀度、低一些的亮度，以及更节能、有适当的显色性及对不同路段的色温有不同的要求等，届时路灯的设计、测量和评价将更加趋于合理、统一、和谐。

4 LED光源的显色性能否继续用Ra评价

LED光源的显色性用显色指数（CRI）来衡量，这里选择参照的样品光源影响很大，而CIE对样品光源的选择采用了很宽的范围，即≤5 000 K的黑体辐射和>5 000 K的一段日光，这意味着作为参照的发光体的数量是无限的，一个色温2 856 K的白炽灯也可以拥有和自然光同等的显色性。自从有了这个结论以后，这个问题就辩论过，但却一直没有找到各方可接受的解决办法。

为了方便运作，通常采用一般显色指数（Ra）来评价灯光的显色性（Ra一般采用8个标准色样品）。

但是Ra不太适合用来评价LED照明的显色性，原因如下。

（1）CRI只是测量色彩的保真度而未考虑在何种情况下会出现色彩失真。同时，颜色向不同方向变化，它对色彩的感觉会有不同的影响。

（2）评价的样品太少，Ra只选定了8种样品。

（3）8个样品的光谱特性与LED的光谱特性大不相同，前者为连续光谱，而LED有明显的蓝光波峰。

（4）8个样品都是中等色饱和度，它符合当年白炽灯灯光的状态，不能反映人眼的真实感受（尤其是在白天的真实感受），人类喜爱的是饱和的色彩居多，而且也不符合LED的发光状态。

（5）CRI的评价有点混乱，CRI=0时，并非最低显色性能，常有负值出现，也常有CRI高时，人眼的真实感觉却不如CRI低时的现象出现。

大量的视觉实验表明，CRI不能预测人类的主观感受。CIE的结论是当前CRI对白色LED光源的显色性的优劣判据违背了一套基于视觉的优劣判据。

在过去的几十年里，有很多出版物都批评了CIE样品测试方法，并且出示了证明测试方法有漏洞的证据，但是至今也没找到令人信服的更好的方法。CIE很多次力求解决这个问题，也成立了技术委员会，但是因为始终没找到一个得到各方认可的办法，技术委员会在成立10年之后就解散了。最后一个技术委员会成立于1991年，于1999年解散。

有人根据人们喜爱色彩鲜艳的特点，提出色彩鲜艳向量（CRVs）指标，并在CRVs的基础上提出表征颜色的四维理论，即用相关色温（T）、色彩逼真指数（F-CFI-Color Fidelity Index）、色彩饱和度指数（S-CSI-Color Saturation Index）和色彩扭曲指数（D-HDI-Hue Distortion Index）4维指标来对白光灯的颜色质量进行评价。并提出了一个假想有逼真日光的LED灯，此灯的四维指标应为T65-F100-S0-D0。

现在，美国极力推行采用颜色品质指数CQS替代一般显色指数Ra，它在8个样品的基础上增加上增加了深红、深黄、深绿和深蓝，以及常见的颜色如肤色和树叶色（之前未被列入Ra的检测样品），且R9>0/9。虽然没能从根本上以人体工效学为出发点给予改变，但是它贴近了LED发光。目前，CIE尚未接受CQS概念，几大传统照明厂担心会与它们原先对灯具产品的测量结论相矛盾，而这几大厂在CIE有着深厚的根基。但可以看到业界的努力，看到国家层面上尤其是美国国家实验室的不懈努力，再者这几个国际大厂也在努力开发LED，相信不久后会有所发展。

5 单纯提出降低灯具光源的色容差要求，是否能真正把色容差降下来

颜色容差的定义是灯光颜色的测量数据和标准颜色的测量数据之间的数据差别。可判断被测灯光颜色与标准颜色的接近程度。

标准值与实测值之间相差的容差值可通过计算得到，计算方法是在Lxaxbx三维色空间中（L代表亮度，判别白—灰色；a代表红—绿色系；b代表黄—蓝色系），测量标准色和样品色之间的坐标距离。最常用的方法是CIELAB（容差球法）和CMC（椭圆球法）。

5.1 与色差的相关参数

色差=K×f（A，B）

上式中，A为标准颜色样品中心点的色品坐标；B为被测灯的色品坐标；K为色温系数（每个标准颜色样品都对应一组唯一的系数，即容差的范围）。

也就是说，色差的大小是由上述参数决定的，比如，若已经确定标准样品的色温是5 000 K，那么A与K就应该是固定不变的，当被测灯的色品坐标确定后，则色差的大小也就被确定了。

有的标准规定的标准样品的色温是参照荧光灯的标准，共有2 700 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、5 000 K、6 500 K 6档。LED常用的4 500 K及5 700 K被无辜地排斥在外；为了解决这个问题，提出企业可根据用户要求生产非标准颜色的灯，但必须给出此颜色的目标值，其容差为85 DCM（色匹配标准偏差）之内。这种要求会不会出现产品符合了指定的非标准颜色灯的要求之外，同时也符合相邻的标准颜色灯的要求。

5.2 色品坐标与相关色温的关系

（1）一组色品坐标x，y只对应色品图上的一个点，那么自然也就只有一个相关色温值。

（2）一个相关色温，在色品图上是一条线（等温线），那么自然也就有许多组色品坐标。

也就是说，在相关色温相同的情况下，色品坐标会有许多组，自然色容差也就有许多组，那么灯的相关色温大小，并不能决定该标准色温下的色温差大小。

還有色容差放宽需综合考虑，要考虑什么体系、什么色差单位。想要放宽色容差的要求，标准样品色温之间的间隔也要放宽才有效。但是要考虑，是否有理论依据和试验数据来支持。

更主要的是，应该考虑人眼的感受。要有足够的人群的实验数据，在这些工作未做之前先借用他人的成果还是有益的。建议可参照美国“能源之星”的要求，他们针对LED节能产品做了许多有益的行之有效的工作，“能源之星”的公布已非国美能源部单方面的意见，它是与各方协调、妥协的结果。

世界都期待有标准和规范，但是更期待有科学、合理、严谨的标准和规范。《广西城乡道路半导体照明工程技术规范》正由相关行业的专家根据上述原则和标准，并按照广西工程建设地方标准制订程序要求完善相关手续，通过出台该技术规范从规划设计源头推进半导体照明产品在城市照明中的推广使用。

参 考 文 献

[1]张利超.浅谈LED路灯灯具本体设计的要求[J].城市照明，2014（4）：33-35.

[2]朱绍龙.光源显色性的评价方法[A].浙江省照明学会.中国长三角照明科技论坛论文[C].浙江：浙江省照明学会，2006：10-12.

[3]黄翔.LED路灯配光设计探讨[J].中国照明电器，2012，36（9）：48-53.

[责任编辑：陈泽琦]