光导照明系统配光曲线的测试

王善鑫， 张竞辉， 高英明， 朱丹红， 纪思美， 曹冠英， 邹念育

（大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034）

0 引 言

自然光是全光谱辐射，在阳光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒适愉快，有益于身心健康，对于人的工作和学习，比人工光源具有更好的视觉效果。

光导照明系统是一种能有效利用自然光的照明，与传统照明方式相比，没有光电能量转换过程，而是直接把阳光导入到室内需要照明的地方。光线柔和、均匀，光强可以根据需要进行调节，无闪烁、无眩光、无污染［1］。由于制作光导管的新材料不断涌现，使得系统对光的传输效率也在不断提高，并出现了许多新的光导管系统装置，按导光方式可以把光导系统分为4类：透镜光导系统、有缝光导系统、棱镜光导系统、光导纤维系统［2－5］。透镜光导系统光的传输效率仅为28%；有缝光导系统的照明计算相对来说比较复杂；棱镜光导系统发展很快，棱镜薄膜的生产工艺日趋成熟；光导纤维系统价格比较高［6］。导光管系统产品在国外较为成熟，在许多项目中得到了应用，如美国、加拿大和瑞士等国家已对光导技术进行了深入研究并且已经取得了良好的进展。但在我国，导光管的应用才刚刚起步［7－8］。

光导管照明系统由于本身并不能发光，仅作为传光器件发挥作用，不适合用传统的分布光度设备测量配光曲线［9－10］。而配光曲线是灯具的重要指标之一，它是指光源（或灯具）在空间各个方向的光强分布，对灯具的使用人员来讲，在评价灯具性能和使用效果时，除通过直接观察灯具投射的光斑质量外，最重要的就是要看灯具的配光曲线，灯具的配光曲线就是灯具的生命线。基于上述问题，本文在实验室内搭建光导测试系统，研究测量光导管照明系统配光曲线的方法，以便为将来系统改进和开发提供一些参考依据。

1 实验测试

对北京东方风光新能源技术有限公司生产的管径330mm光导管照明系统进行配光曲线的测试研究。

1.1 测试系统及仪器

实验室内搭建的光导测试系统，如图1（a）所示。光导测试系统为钢架支撑，四周由不透光的黑色遮光布围成，光导管安装在正上方。图1（b）为光导管系统的原理图，自然光透过采光罩导进系统内部进行重新分配，经过光导管的传输后由系统底部的漫射器将自然光均匀照射到室内空间。主要由3部分组成，采光罩，导光管，漫射器。采光罩采用可回收的亚克力材料制成，可滤掉大部分的紫外线，只传输可见光。使用起来舒适，能有效地防止紫外线对室内物品的破坏。根据厂家资料，导光管全反射率最高可达99.8%，显色性97%以上，不同管径传输距离不一样，可任意转弯。一般来说，从导光管传过来的光线不是完全均匀的，因此为使室内的光线均匀分散，就要通过漫射装置的光散射特性来实现。测试的导光管中漫射器由菲涅尔透镜组成，图1（c）是在A点仰视漫射器的示意图，菲涅尔透镜具有改变光传播方向的作用，无论是在透光性还是散射光特性方面都有很好的性能，因此也被用于漫射器中。

由于导光管本身并不能发光，仅作为传光器件发挥作用。因此使用传统的分布光度设备测试导光管的配光分布并不合适，在本文中使用照度分布测量结果推算出光导管的配光特性。测试照度值的仪器采用的是Konica Minolta色度照度计CL－200A，测量精确度为0.1lx，满足测试要求。

1.2 测试条件及方案

测试条件：光导测试系统搭建在室内，由于实验条件有限，所以把采光罩正上方的格栅灯当成入射光源，测试结果具有较好的重复性。测量时，打开格栅灯提供均匀入射光。

测试方案：如图2（a）所示，把距离漫射器底端550mm平面作为测试平面，在测试平面内，根据平面大小画7×7表格，用照度计测试表格交点照度值，如图2（b）。

图1 光导测试系统及光导管组成示意图Fig.1 The light guide testing system and composition of the light pipe

1.3 测试过程

测试时，除测试用格栅灯外，屏蔽其他室内外光源；测试系统内壁为吸光材料，以防止反射光的影响；测试每点照度时，照度计保持水平状态放在三脚支架上，测试过程中所有测试点保持在同一测试平面。具体测试过程如下：

（1）开启光导管照明系统及正上方的光源，测量采光罩照度。照度计平放在采光罩上，传感器正对着上方光源，记录采光罩照度。

（2）测量漫射器照度。照度计紧贴出光口，传感器正对着漫射器，记录漫射器出口照度。

（3）如图2（b），在测试地面内画7×7表格，测试交点上方一定高度处的照度值。测试时，照度计水平放在三脚架上，保证照度计探头位于表格交点正上方，记录各点照度数据。

图2 测试示意及方案图Fig.2 Schematic and diagram of measurement

1.4 数据处理方法

灯具配光曲线是灯具空间光强的分布，极坐标法就是其中一种常用的表示方法。从某一给定的方向起，以角度为自变量，将各个角度的光强用矢量标注出来，连接矢量顶端的连线就是灯具配光的极坐标曲线。本文中测量的数据是照度值，配光曲线是光强值，二者之间满足如下关系：

在某方向上（与法线成θ角）取微小立体角dω，在此立体角内所发出的光通量为dφ，则两者的比值即为该方向上的光强I，即

其中，r为光源中心与照度计探头间距离，θ为探测光线方向与光源法线方向的夹角。

综合式（1）、（2）、（3），得出照度E和光强I之间关系

根据式（4）可知，对一定范围内的网格测量其照度值可以反推光源在各个方向的光强分布，即求出了光源的配光曲线。值得注意的是，当θ＝90°时，cosθ＝0，即在接近于90°方向测量的照度误差对光强的影响很大，因此在测试中将θ限制在一定范围内；一般要求tanθ＜2，即θ＜63°。对较大角度光强采取外插方法推算。

2 测试结果与分析

根据测量结果，对光导管照明系统的效率，照明效果、照度值分布及配光曲线的结果进行分析。

2.1 光导管照明系统效率

实验中，测量采光罩照度11 630lx，测量漫射器照度3 557lx。由此可得光导管照明系统的效率为30%。造成传光效率不高的原因主要有以下几方面：

（1）采光罩采集的光线有限。根据厂家资料，采光罩的采集角度为±80°，大于80°夹角的光线采集不到。

（2）光导管传输效率不高。光线经过光导管反射损失部分光，反射次数越多，光损失也越多。

（3）光线经过光导管反射到漫射器，再经过漫射器折射发散到室内，该透射过程也会造成光的损失。

2.2 配光曲线

配光曲线是灯具的重要指标之一，它是指光源（或灯具）在空间各个方向的光强分布，为光学再设计和灯具透镜设计提供重要依据。根据公式（4）可以计算出光导系统的配光曲线点照度测试结果如图3所示。图4是通过以测试点位置为水平坐标，照度大小为Z坐标绘制的照度分布的立体图。由数据可以看出，照度分布基本均匀对称，光导照明系统的正下方区域照度值为最高，达到300lx左右。

图3 点照度测试结果Fig.3 The test results of illumination

图4 测试平面照度分布立体图Fig.4 Perspective view of illumination

由探测光线方向与光源法线方向构成的直角三角形，利用三角形定理，可求出角。如图5所示，点A为测量点，由所构成的直角三角形可知：

其中，Y为550mm，X可在测试平面中求出。

图5 测量θ示意图Fig.5 Schematic diagram ofθ

通过公式（4）将点照度值转换成光强值，从而获得与漫射器平面法线方向成（θ，φ）夹角的光强分布，对二维I（θ，φ）分布内插获得等间隔角度下的光强I′（θ，φ），并可以将I′（θ，φ）导出为IES配光分布文件。获得对光导系统配光分布的完整描述。图6给出了该配光分布中二个典型角度0°～180°和90°～270°的配光曲线。

图6 光导照明系统的配光曲线分布Fig.6 Light curve distribution of the light guide system

图7 光导系统配光曲线与标准朗伯体配光曲线的比较Fig.7 Comparison light curves between the light guide system and standard Lambert

图8 扁圆吸顶灯及嵌入式格栅荧光灯配光曲线Fig.8 Light distribution curve of oval ceiling lamp and embedded grille fluorescent lamp

从图6可以看出，本文的光导照明系统配光曲线基本为朗伯型。光导照明系统配光曲线与标准朗伯体配光曲线的比较，如图7所示。从配光曲线可知，光斑内的照度从中心向边缘是逐渐减小的，并且光斑具有一个软的边缘。从熟悉而常用的灯具库中找到两种灯具的配光曲线，分别为扁圆吸顶灯和嵌入式格栅荧光灯，如图8所示。从配光曲线可以看出两者最大的区别在于扁圆吸顶灯背面还有光强，而嵌入式格栅荧光灯没有；另外由于本光导照明系统出光口的漫反射器由菲涅尔透镜组成，因此其配光曲线更类似于嵌入式格栅灯的配光曲线。具有如此配光性能的光导管照明系统可应用于地下室及无窗建筑区，如走廊、会议室、报告厅等场所，照明效果明显，不仅能满足照明需要，还节约能源，而且采用自然光，在阳光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒适愉快，有益于身心健康，对于人的工作和学习，比人工照明具有更好的视觉效果。

3 结 论

利用自制光导照明测试系统，对直径为330mm的光导管照明系统的配光曲线进行了测试研究。测得在距出光口550mm的水平面上的照度值，从而计算出其光强的分布，得到了其配光曲线。由结果可以看出，此光导管照明系统的配光曲线基本为朗伯型，类似格栅灯的配光曲线。同时可以产生灯具库所需的IES文件，方便导入照明设计及计算软件中，为设计师提供技术支持。

由于光导管照明系统采用自然光，所以在阳光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒适愉快，有益于身心健康，对于人的工作和学习，比人工照明具有更好的视觉效果。因此，随着光导管传输效率技术的进步，光导管照明系统在照明设计中有很大的应用潜力。

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