照明灯具光强分布曲线的格式解析与应用
2021-03-09宿天赋
钱 群，宿天赋
(天津市产品质量监督检测技术研究院，天津 300384)
引言
常见的传统照明计算方法有利用系数法、概算曲线法、逐点计算法等，这些方法基本上依赖灯具厂商提供的灯具信息或产品规格书，在进行照明设计时，采用上述方法不仅复杂繁琐，而且计算时间长，计算结果的准确性差。随着计算机技术的日益发展，计算机照明辅助设计成为照明设计师在进行光学照明设计时所采用的主要手段之一，因此，照明灯具的光强分布曲线文档是设计环节中灯具数据来源的重要组成部分，本文主要介绍以北美照明学会推出IESNA LM-63的文档中(简称IES文档)各部分表述的含义，以及在计算机照明辅助设计软件DIALux中的应用[1-4]。
1 灯具的光强分布曲线定义
1.1 灯具配光
在光源发光时，光线的传播方向可能与实际希望达到的方向不符，就需要人为地设计特定的结构来改变光线的传播方向，对光线传播的空间分布进行重新调整，使光线在空间的分布达到所需的状态，这种对光线传播方向进行控制的方式叫做灯具的配光。
1.2 灯具的光强分布曲线
灯具的光强分布曲线俗称为配光曲线，它是表述灯具的发光强度在空间上分布的图形，通常获取到灯具的光强分布曲线一般有两种途径，一种是使用分布光度计对灯具进行测量后直接导出灯具的光强分布曲线，另一种是通过联系该灯具的生产厂商获得[5]。
1.3 配光曲线的表示方法
配光曲线一般有三种表示方法，分别是极坐标法、直角坐标法和等光强曲线法。
1.3.1 极坐标配光曲线
在通过光源中心的测光平面上，测出灯具在不同角度的光强值。从某一方向起，以角度为函数，将各角度的光强用矢量标注出来，连接矢量顶端的连接就是照明灯具极坐标配光曲线。如果灯具是有旋转对称轴，则只需用通过轴线的一个测光面上的光强分布曲线就能说明其光强在空间的分布，如图1所示。
图1 极坐标配光曲线Fig.1 Polar coordinate light distribution curve
1.3.2 直角坐标配光曲线
对于聚光型的灯具，由于光束集中在十分狭小的空间立体角内，很难用极坐标来表达其光强度的空间分布状况，就采用直角从配光曲线表示法，如图2所示，以竖轴表示光强，以横轴表示光束的投角，如果是具有对称旋转轴的灯具则只需一条配光曲线来表示，如果是不对称灯具则需多条配光曲线表示。
图2 直角坐标配光曲线Fig.2 Rectangular coordinate light distribution curve
2 灯具的光强分布曲线格式解析
2.1 光强分布曲线LM-63-2002格式解析
本文主要介绍的灯具光强分布曲线是以北美照明学会推出IESNA LM-63的文档(简称IES文档)为主，IESNA LM-63格式的配光曲线，都是以“.IES”扩展名结束，采用的是ASCⅡ文本文档，文件的首行一般为IESNA91、IESNA：LM-63-1995、IESNA：LM-63-2002或ANSI/IES LM-63-19开头，代表IES文件的不同版本，截止到目前ANSI/IES LM-63-19为最新版，但目前市场主流的检测设备还是采用的IESNA：LM-63-2002版本，所以本文以IESNA：LM-63-2002版本为例进行举例说明，在IESNA：LM-63-2002后面，直到“[TILT]=”之前，是灯具、实验室和检测信息等的关键信息部分，每个关键信息都加上方括号“[ ]”,其格式如下：
IESNA:LM-63-2002
[TEST]<检测报告编号>
[TESTLAB]<实验室名称>
[TESTDATE]<检测时间>
[ISSUEDATE]<灯具制造商发行IES文件日期>
[OTHER]其他信息
[MANUFAC]<灯具制造商>
[LUMCAT]<灯具产品代码>
[LUMINAIRE]<灯具描述>
[LAMPCAT]LED<灯管型录号码>
[LAMP]LED<用在光度测定报表中的灯管描述>
TILT=NONE<光输出无变化>
<光源数> <每个光源的光通量> <光强的乘数因子> <垂直角度个数> <水平角度个数><光度测定法形式 1:Type C,2:Type B,3:Type A><灯具光通量度量单位类别> <光源的宽><长><高><镇流器系数> <未来使用系数> <功率><垂直角度数列>< 水平角度数列>
<第一行水平角度光强值数列>
……
<最后一行水平角度光强值数列>
2.2 LED 100W路灯的IES文档实例
以一款100W LED路灯的光强分布曲线检测数据导出的IES文件为例，c、γ角的采样间隔为15°，通过IES文档数据可以看出，该灯具的光通量为15512.0 lm，根据IES文件中各角度光强值结合环带光通法可计算出灯具的环带光通量和总光通量，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
在光通量的计算中，Φ为光通量(lm)，I(θ,φ)为发光强度(cd)，θ、φ为空间角，公式如式(1)：
(1)
3 IES文档在照明设计软件中的应用
3.1 DIALux简介
DIAL公司成立于1989年，原名为德国应用照明技术研究机构，DIAL公司的总部位于德国的吕登沙伊德，同时也是全德国照明产业中心。DIALux是DILA公司开发的一款专业的照明设计软件，此软件可免费获得，并适用于所有灯具厂家提供的灯具。DIALux是当今市场上最具功效的照明计算软件，它能满足目前所有照明设计及计算的要求。为了保持它特有的市场地位，DIALux一直在不断地更新发展。同时，它所有的更新升级版都供每个用户免费使用。
3.2 照明环境的搭建
以一种道路照明设计为例，设计搭建的道路照明环境为双向4车道，路宽6 m，模拟路面为CIE R3沥青混凝土路面，平均亮度系数为Q0，如图3所示。
图3 道路模型设计参数Fig.3 Road model design parameters
3.3 IES文档的导入
以100W LED路灯的IES为例，在DIALux软件中选择“插入-灯具-导入灯具文件-打开100W LED路灯的IES文档”后，灯具被添加到软件中的“现用灯具”内，如图4所示。
图4 导入灯具文件Fig.4 Import lamp file
3.4 灯具布置
根据CJJ45—2015《城市道路照明设计标准》中5.1照明方式及选择灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距关系的要求需满足各项要求[6-8]，如表1所示。
表1 路灯布置要求
在DIALux软件建模中，模拟道路路灯的布置要求，设计LED灯具的布置方式为灯高10 m，灯间距30 m，仰角15°，灯具的悬挑长度1.5 m，采用双侧对称排列方式，如图5所示。
图5 模拟路灯设计Fig.5 Analog street lamp design
3.5 计算
当在DIALux中设置好各项参数后，就可以进行软件的模拟计算了，点击“开始计算”，DIALux会根据设计场景的复杂程度来评估计算时间，计算完成后会显示出计算结果[9]，如图6所示。
图6 模拟计算Fig.6 Simulation calculation
3.6 结果
计算完成后，在DIALux软件的报表界面，选择“显示完整报表”即可查看各项的照明结果，例如：“路面的平均辉度、均匀度、Ti、照度、等照度曲线”等各项结果均可查看，如图7所示。
图7 计算结果Fig.7 The calculation results
4 结束语
光强分布曲线的电子文档是灯具性能的数字化表现形式，其特有的数据格式可以将灯具的各项参数及性能完全的展示出来，我国的照明灯具生产厂家、检验机构、软件开发及灯具照明设计等产业都应该熟悉灯具的光强分布曲线及其标准化的格式，以便推进整体行业的快速发展。
