一种广告照明用投光灯的光学设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

户外广告照明随着城市经济的不断发展而飞速繁荣。户外广告是经济发展的伴生物，是城市景观的物质形式，是城市形象的重要表现。城市户外广告是城市范围内所属建筑物之外，面向大众宣传、推广的重要手段。它不但在白天吸引着过往者，而且夜晚在各种照明灯的投射下，更加引人注目。为了追求宣传效果最大化，他们大多数位于人流密集、车流量大的地区，安装在城市建筑的外立面、顶部。除广告画面以外 ，广告 的位置、放置时间-般长时间不变。它的影响力是长期的、连续 的。但是 ，在户外投光广告照明灯的选择上，面对众多的灯具制造厂商 ，照明灯使用者显得无所是从，往往使用普通的泛光灯作为投光广告照明灯具。尤其在比较高的广告牌上，往往使用上下同时投射的方式，造成照明效果不佳，明暗斑严重，光照度分布非常不均匀，有相当-部分光束没有投向目标区域而造成不必要的浪费，同时对周围环境产生干扰和光污染。究其原因，主要问题是相关设计人员对广告投光灯的配光曲线的了解程度不高，同时由于受传统灯泡体积和传统灯具的外观设计等因素的限制，在传统灯具上难以做出符合相关要求的配光。

随着功率型白光 LED技术的发展和工艺的成熟，功率级单颗 LED的光通量和光效的快速增长，到目前 为止 ，CREE公 司 已量 产光 效 为 2001m 的XLamp0MK-R LED，同时随着 散热技术 的不断成熟，可以在比较小的体积上实现比较大的光通输出，这些条件都为以 LED光源提供大光通量实现功 能性照明提供了坚实的基矗1 设计原理把光源近似为点光源 ，以此点 光源为球心，以为半径 r作-球面。在球面上取-微小面积元，它对球心所张的微小立体角为 dQ，通过它的光通量为 d①(q5，a)，在这个方向上的辐射光强(即发光强度 )为I( ，8)d①( ，日)/ddQ， (1)因为 dQsin 8d日d ， (2)因而 de( ，日)I( ，日)sin日d 8 de， (3)而光源的辐射通量为r r 2 r①f d①( ，8)f d f I(币，e)sin de。(4)根据照度定义式 Ed/dS (5)图1 光强与照度在微小立体角元内的表示可得 EI( ， dQ/dS， (6)因为 dQdS/F。 (7)由此可得 E(咖，8)I(咖，日)/r2， (8)即EI/F。 (9)由此可得出表面照度 E与光源在这个方向上的发光强度 /(8)成正比，与它至光源的距离 r的平方成反 比。

照度是照明规范中最精确的部分，也是灯具完全安装后可以定量检测的部分。在照度计算中通常都是把光源看成点光源，但是只要测量点与光源的距离达到光源最大尺寸的5倍以上，就可以认为所有的光能都来自空间中某-个确定的点即可把光源视为点光源。

图 2 下照式投光照明示意图在户外投光广告照明中，为了达到最佳的宣传效果并且不对周围环境造成干扰 ，对灯具的安装有严格的要求，-般分为三种安装方式：上照式投光、下照式投光、上照式与下照式结合投光。以下照式投光照明来推导照度与光强的关系，如图2所示，把在投射方向上的广告牌画面分割成 几个小面积元，dS(8 1)，dS(8 2)，dS(83)dS(e n)，dS(日n1)相对应 的，J、面积元上的亮度为 /( 1)，/(8 2)，/(日3)/( n)，/1 4 现代显示 Advanced Display May.2013.总第 l48期王祥伟等：-种广告照明用投光灯的光学设计(日n1) 同理相对应的小面积元上的照度为 E(8 1)，E(82)，E(日3)E(日n)，E(8 n1)从灯 具发出的光能在广告牌表面只能发生-次漫反射，要得到良好的亮度均匀性，根据漫反射表面亮度与照度的关系式 LP E/丌，则在广告牌表面的照度要有良好的均匀性，因户外投光广告的视距离-般比较远，故可认为人的视线基本与广告画面垂直，则需各小面积元的垂直照度相等，即 (e) (e 4-△e)E0。 (1O)结合(8)式，可得/oCOS e/Fe/eAeCOS(日-I-△日)/尸eA e (1 1)利用几何关系 COS 8《)，/o， (1 2)进-步化简得 leCOS。日/e△。COS。(日-IA 日) (13)其中 8∈0，arctan(H//o)2 仿真结果与分析以0.1。为间隔，将 0。至 arctan(H/0)之间的角度等间隔离散化，运用 matlab数值计算软件，计算得出了在伸长为 1米的情况下，光强度大小随角度的变化情况，在极坐标的情况下即极坐标配光曲线如图 3所示。由图3可清楚的看出，在高度不变的情况下，随着 8角的不断增大即照射方向往下移，光强度数值成几何级数快速增长。选定 6米、9米、12米为广告牌的三个典型高度值，计算不难发现，最大光强分别是最小光强的 261.77、875.58、1510.46倍。在保持伸长不变的情况下，随着广告牌高度的增加，要想获得良好的照度均匀度，配光曲线变得更加尖锐。定量分析如图4所示，按照照明灯具通用光强角评价方法，三种广告牌高度下的半光强角(50%I max)依次为：4.6。，3.1。，2.6。，都属于星度配光。不同于-般的垂直投射照明的照明光学设计，广告牌投光广告照明光学设计对于其他角度的光强分配也有严格的要求，属于侧照射型，具体光强在不同的角度的分布情况见表 1。因投光广告照明的特殊性和安全性，不可能将伸长做的很长，如果在不考虑灯具体积的情况下，此种类型的星度配光在传统的 HID灯具上可能实现，同时由于传统灯具的安装具有-定的间隔(间隔-般在 1.5米 -2米之间)，需做成非对称配光，在平行于广告牌方向角度要做成宽角度，这给光学设计带来了很大的困难。而 LED光源由于自身体积比较小，同时又是 Lambertian型余弦配光，并且随着 LED二次配光的理论不断发展和成熟，可以设计体积比较小的二次光学透镜来实现满足上述情况的配光。选取特定的功率级单颗光源，运用相关的光学设计软件，设计出的符合条件的旋转对称的折射 -全反射的二次光学透镜的体积为为 28mm (直径)X1 4mm(高度)。

图3 极 坐标配光 曲线I ---u--u-6m - u - 12mt《 -、 、 、～。 。 三二：二～～ ～-～ ～图 4 直角坐标 系配光曲线表 1 光强扩散 角1O% 25% 50% 75%6米 21.4。 10.8。 4.6。 1.8。

采取 LED线条灯的安装形式，运用 DIALUX专业照明计算软件，仿真了在伸长为 1米，广告牌高度为9米的情况下，在俯角不同的情况下的照度均匀度以及光能利用率的情况。光能利用率的计算方法为：与广告牌下端相距 10米向广告牌-侧的水平面为参考面(因配光曲线比较窄，故取 10米的宽度已足够能说明相关问题 )，即参考面的宽度为 10米，如图2所示中的虚线所示，此参考面的的长度与广告May.2013，总第148期 现代显示Advanced Display 1 5王祥伟等：-种广告照明用投光灯的光学设计牌的长度相同；光能利用率为打在广告牌上的光能与打在广告牌上的光能与打在参考面上的光能之和的比值。在俯角为6度的情况下，广告牌画面上的点照度值分布如图 5所示，平均照度为 7761ux.最小照度为 7381ux，最大照度为 8951ux，最小照度与最大照度的比值 为 0.825，最小照度与平均 照度的比值为0.951，完全 满足 《城 市夜景 照 明设计规范(JGJfr1 63-2008)》中关于外投广告与标示照明的均与度(宜为 0.6-0.8)要求，但是有效光能利用率不能满足大于 0.8的要求，只有0。46，远远不能满足要求。

究其原因，是因为二次光学的透镜是旋转对称型，属于对称型配光，因此只有近 50%的光能打在 目标面上。对于如何利用非对称配光来增大光能利用率，在此暂不讨论♀决的途径之-是增大俯角来获得较高的光能利用率。

575 575 5 5g7 5 5 5g7 5g7 575 575620 614 643 6 643 643 637 643 614 620587 581 605 600 605 605 600 605 581 5876(33 599 621 617 621 621 617 621 599 603604 599 622 617 62 62 617 62 599 604579 575 579 575 579 579 575 579 575 579583 579 583 579 583 583 579 583 579 583584 581 584 581 584 584 581 584 581 584575 5图 575 569 575 575 5图 575 5圈 575图5 俯角为6度时广告牌表面点照度值图6、图7分别表示了广告牌表面平均照度、照度均匀度及光能利用率随俯角增大的变化情况。从两图中不难看出，随着俯角的增大，广告牌表面的平均照度逐渐增大，光能利用率也相应逐步提高，但是照度均匀度在逐渐下降。在俯角为 11度的情况下，光能利用率为0.7004，平均照度为 1 1 1 71ux，最小照度与平均照度的比值为 0.448，基本符合投光广告照明光度学相关要求。

从实用性和人眼视觉习惯的来角度看，-般的大型广告画面需要表达的内容基本占整个广告牌高度的 0.8左右，而需要突出表达 的广告画面重点 内容占整个画面的0.75左右。因此为了能在比较远的地方注意到广告画面的突出重点内容，可以把光能大部分集中在广告画面的中间部分，即中间约6-7米的高度，而靠近上下边沿的地方的照度可以适当降低。图7中俯角为 13度时即能满足要求。具体点照度值如图8所示，此时的光能利用率为0.757，照度均匀度约为 0.3。中间 7米部分的照度值从 6401ux增大到130120110xl00山g0807060// /- // / /// /- . / ～//Degrees图6 平均照度随角度的变化- -- Emin/Eave / 、 -Emio/Em. -- - ～ e l 0l、 . - - - - - 、 - - 、 k-/ - 、 、 。 / - -～ 、. 、 t图 7 均匀度及光能利用率变化曲线15971ux，其余部分相比适当降低，明暗程度在人眼的接受范围内，不会产生不舒服的感觉。

投光照明中光污染的限制方法之-是确定合适的照明标准值，其次是选择合适的灯具和配光曲线，而合理的灯具布置也是-个很重要的限制光污染的措施。如果将投光广告灯具布置在广告牌的上边沿，光线由上向下照射广告牌画面，则由此产生的光污染程度最校此种照射方式在路边投光广告照明中应用May.2013，总第148期王祥伟等：-种广告照明用投光灯的光学设计387 410 416 416 416 416 416 416 410 387431 445 461 456 461 461 456 461 445 4317 7 73D 736 730 7∞ 736 730 7筋 715饼 15国 1573 15田 1573 15.73 15 1573 15国 15641477 15∞ 15阱 1518 14 148/151B 1504 15∞ 147710田 1104 10∞ 1105 10国 10围 1105 1O∞ 1104 10国鲫 823 8 8 832 8 823 8 823 831644 64O 647 643 647 647 643 647 6加 644501 4g6 504 498 504 504 498 504 496 5讲。.oo 此问题，但是程度比传统的灯具要轻-些，直接浪费的光能约为25%。由于 LED线条灯的体积较小，所带来的视觉影响也较小，同时它的配光比较合理，故在某些情况下可把由下向上的照射方式改为由上向下的照射方式，以此来减小光污染。

图8 俯角为 13度时广告牌表面点照度值比较广泛，并收到了比较好的效果。但是在 白天，悬挂在广告牌上方的灯具由于体积比较大 (450mm x420mm x 21 5mm)会影响视觉形象。但是应用线条灯 的 形 式 来 布 灯 ，则 能减 少 由于 灯 具 体 积(1000mm x 90mm x 60mm)所来带的视觉形象问题。而在晚上，相当部分的承载画面光泽度的比较大，同时传统灯具的单位面积的光通量密度很大，在其正下方的某些区域产生不愉快的光斑，而在其他光看方向会产生被照面不太亮的情况，造成明显的亮暗对比，影响了整体均匀度。如采用上述配光形式的 LED线条灯，则会减弱上述不良情况。而在高楼的楼顶或楼体的墙上投放投光广告，灯具安装基本采用由下向上的照射方式，由于传统灯具的配光方式不满足投光广告照明的特点，会造成相当部分的光通量直接射向天空直接造成光污染，用本文所述的配光曲线也存在3 结 论本文从配光曲线基本概念出发，根据光强与照度的基本关系，结合户外投光广告照明的特点，得出了- 种实现投光广告均匀照明的方法。在保证足够均匀度的情况下，提高了光能利用率，并对减少光污染提出了-定的建议；对实现中高幅投光广告均匀照明有重要的参考价值。