LED灯具投射角对篮球场照明的影响

孙富兵，王坤平，郭春凤，李成明，王凤超，刘 元，居家奇，李 澜

(1.上海应用技术大学理学院，上海 201418；2.上海良信电器股份有限公司，上海 201315)

引言

体育场馆的照明不仅要满足空间照明的需求，而且越来越重视人的主观感受如舒适性等[1,2]。对于承担体育运动赛事转播的体育场馆的照明，不仅要照顾到运动者和观看者，摄像机对照明的要求也是关键[3,4]。因此，体育场馆的照明有必要按不同要求进行专业的光学设计。

目前一般的篮球场大多采用大功率卤素灯或金卤灯，灯具安装形式有四塔式布置、双侧布置、光带式布置、混合式布置等布置方法[5]。但是此类布置大多是为了满足照度需求和较好的均匀度，往往忽视了人的主观感受。在体育运动中，尤其是篮球运动，运动员在投球等伴有抬头行为的动作时，双眼可能会直视光源，高亮度的光源直射人眼，强烈的眩光会对运动员带来极大的影响，不仅会影响运动员的发挥，而且对其身体健康也会带来不利的影响[6,7]。

基于以上原因，以上海某室外篮球场为例，我们利用其原有的灯具及附属设备进行照明优化设计。由于灯具为非对称出光，灯具安装的水平偏转角度和垂直俯仰角度对照明结果的影响很大，因此灯具的安装与传统灯具的安装要求不同。

1 篮球场测量的照度

我们对上海某室外篮球训练场新安装的灯具，进行了实地照度测量。篮球场大小为标准场地大小，测试点选择在篮球场长边间距2 m，短边间距1.5 m，测试高度2 m，在无杂光干扰的情况下逐点进行照度测量，结果如表1所示。

表1 篮球场水平照度测量结果

通过数据处理可知，该球场水平平均照度为240 lx，照度均匀度为0.49，虽未进行眩光测试，但在测量现场，还是感受到很强的眩光照射。虽然这个篮球场是一般的训练场地，240 lx的平均照度是达到要求的，但是0.49的均匀度没有达到相关要求。且不合适的灯具投射角度经常会出现灯具出光面正对人眼的情况，给人带来不适感。为了更加直观地观察该场地的均匀度情况，图1给出水平照度测量的三维分布图。

图1 篮球场测量水平照度的三维分布图

由图1可见，在中间灯杆的下方，照度起伏很大，影响了均匀度。对比室外篮球场照度均匀度的国标，结合表1的实测数据，尽管从数据看水平平均照度满足业余篮球场照明相关要求，但是照度均匀度差，场地明暗差距大，灯下的照度高而边缘部分照度低，明暗差距大导致场地会有亮斑和暗斑。在这种场景中运动，快速的明暗交替会加剧眩光效应，从而给运动者带来严重的不适感，瞳孔在短时间内快速地收缩与扩展，加剧视觉疲劳，眩光会使人感到头晕。篮球场地面反射率较高、照度过高也会引起强烈的反光。这一系列因素都会影响体育运动员的正常发挥。该场地是篮球场，必然有大量的投球、跳跃等动作，面对强光投球，灯光可能直接射入眼睛，不仅影响发挥，对于视力也不利。综上，面对该篮球场灯具已经安装好的情况，我们可以采用调整安装角度来改善均匀度和减少眩光。

2 照明设计及模拟

2.1 场地布灯模拟

该场地采用飞利浦Tango LED 泛光灯 BVP281，光效>100 lm/W，显色指数大于80。灯具BVP281是120 W的非对称出光，配光曲线见图2。非对称出光可以满足照明设计需求，为充分利用资源，灯具及附属结构不予更换，只对灯具的安装投射角度等细节进行处理。

图2 配光曲线

利用DIAlux照明设计软件，对篮球场调整灯具投射角的照度进行模拟。依据实测场地数据建立空间模型，其场景图如图3(a)所示。场地采用两侧布灯的方式，单侧三个灯杆，灯杆间距12 m，灯杆高8 m。中间灯杆安装三盏灯具，其余均安装两盏灯具，共计14盏灯具。图3(b)为相应场地布灯的平面图。

图3 布灯图

本篮球场地灯杆高度为8 m,间距12 m，这些都是不能更改的量值，变量仅为灯具的投射角度。在DIAlux软件中，通过控制灯具照射点来确定灯具的投射角。照射点一般为计算面相对灯具的最远处，但是特殊情况必须进行特殊设计。本文使用的灯具为非对称出光灯具，考虑到出光有偏角，在模拟中多次修改照射点位置来进行模拟计算，以得到最优结果。虽然篮球场是主要照明区域，但篮球场边缘位置的部分也不能忽略。

2.2 照明模拟

从图2可以看出，灯具非对称出光角度偏向为30°左右。为了找到最佳灯具投射方向，在球场上做垂直方向偏离30°的辅助线若干条，并在球场中间添加栅格辅助线作为参照，以方便定位照射点。作为照明设计关键的部分，照射点的设置至关重要。依据场地两边灯具对称分布的特点，结合其偏光角为30°，我们首先将场地沿长度方向的对称中线均匀照射，此时照射点均在中线上；其次，由于场地的对称性，将场地和灯具分为四个区域，并选择某一四分之一区域，调整本区域内灯具的照射点，使得该区域内照度均匀，确定本区域的照射点；最后，按照对称性，依据四分之一区域内的照射点的设置，借助格栅和辅助线，确定整个场地的照射点。 当然，对场地边缘这些不能忽略的特殊区域，最后对所涉及到的灯具照射点进行微调。确定照射点的过程中，需要特别注意灯具非对称出光的特点。经过反复调整，最终得到一组符合要求的照射点数据，如图4所示。

将灯具的配光曲线导入DIALux软件中，并对按照灯具的参数进行相应的设置。依据图4的灯具照射点，对篮球场的照度进行模拟，图5给出了场地模拟的照度数据结果。

图4 灯具照射点图

图5 模拟的场地照度数据

对图5中的照度数据结果进行分析，此时场地的平均照度为229 lx，均匀度为0.7，统一眩光值小于10。经过了灯具投射角的调整，不仅照度均匀度由实测的0.49提高到了0.7，眩光也降低了。在三维场景里观察灯具的朝向，灯具并非正对场地照射。所以，对灯具投射角进行调整后，在本篮球场进行篮球活动的过程中，基本不会出现人眼正对出光面的情况，降低了眩光的影响。

依据调整投射角后的场地照度数据，给出照度三维图如图6所示。与图1相对照，图6中的照度没有明显的起伏，照度均匀度明显提高，眩光效应减小。

图6 模拟的照度三维图

3 结论

我们对某室外篮球场地水平照度进行了测量，平均照度为240 lx,均匀度为0.49，现场感觉到明显的眩光。在只能通过调整灯具投射角来调光的情况下，我们应用DIALux软件对场地照射点进行调节，找到各灯具的最佳投射角；利用最佳的投射角，模拟了场地的水平照度，得到照度均匀度为0.7，统一眩光值小于10。该优化方案充分利用原场地灯具非对称出光的特点，通过调节场地照射点来找到合适的投射角，在模拟场景中不存在人眼正对光源的情况。因此，调节投射角度可以改善照度均匀度，降低眩光，这也是照明设计中重要的调节参数。