王善鑫， 張競輝， 高英明， 朱丹紅， 紀(jì)思美， 曹冠英， 鄒念育

（大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034）

0 引 言

自然光是全光譜輻射，在陽光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒適愉快，有益于身心健康，對于人的工作和學(xué)習(xí)，比人工光源具有更好的視覺效果。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)是一種能有效利用自然光的照明，與傳統(tǒng)照明方式相比，沒有光電能量轉(zhuǎn)換過程，而是直接把陽光導(dǎo)入到室內(nèi)需要照明的地方。光線柔和、均勻，光強(qiáng)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，無閃爍、無眩光、無污染［1］。由于制作光導(dǎo)管的新材料不斷涌現(xiàn)，使得系統(tǒng)對光的傳輸效率也在不斷提高，并出現(xiàn)了許多新的光導(dǎo)管系統(tǒng)裝置，按導(dǎo)光方式可以把光導(dǎo)系統(tǒng)分為4類：透鏡光導(dǎo)系統(tǒng)、有縫光導(dǎo)系統(tǒng)、棱鏡光導(dǎo)系統(tǒng)、光導(dǎo)纖維系統(tǒng)［2－5］。透鏡光導(dǎo)系統(tǒng)光的傳輸效率僅為28%；有縫光導(dǎo)系統(tǒng)的照明計(jì)算相對來說比較復(fù)雜；棱鏡光導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展很快，棱鏡薄膜的生產(chǎn)工藝日趨成熟；光導(dǎo)纖維系統(tǒng)價(jià)格比較高［6］。導(dǎo)光管系統(tǒng)產(chǎn)品在國外較為成熟，在許多項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，如美國、加拿大和瑞士等國家已對光導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行了深入研究并且已經(jīng)取得了良好的進(jìn)展。但在我國，導(dǎo)光管的應(yīng)用才剛剛起步［7－8］。

光導(dǎo)管照明系統(tǒng)由于本身并不能發(fā)光，僅作為傳光器件發(fā)揮作用，不適合用傳統(tǒng)的分布光度設(shè)備測量配光曲線［9－10］。而配光曲線是燈具的重要指標(biāo)之一，它是指光源（或燈具）在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布，對燈具的使用人員來講，在評價(jià)燈具性能和使用效果時(shí)，除通過直接觀察燈具投射的光斑質(zhì)量外，最重要的就是要看燈具的配光曲線，燈具的配光曲線就是燈具的生命線?；谏鲜鰡栴}，本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建光導(dǎo)測試系統(tǒng)，研究測量光導(dǎo)管照明系統(tǒng)配光曲線的方法，以便為將來系統(tǒng)改進(jìn)和開發(fā)提供一些參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)測試

對北京東方風(fēng)光新能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的管徑330mm光導(dǎo)管照明系統(tǒng)進(jìn)行配光曲線的測試研究。

1.1 測試系統(tǒng)及儀器

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建的光導(dǎo)測試系統(tǒng)，如圖1（a）所示。光導(dǎo)測試系統(tǒng)為鋼架支撐，四周由不透光的黑色遮光布圍成，光導(dǎo)管安裝在正上方。圖1（b）為光導(dǎo)管系統(tǒng)的原理圖，自然光透過采光罩導(dǎo)進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行重新分配，經(jīng)過光導(dǎo)管的傳輸后由系統(tǒng)底部的漫射器將自然光均勻照射到室內(nèi)空間。主要由3部分組成，采光罩，導(dǎo)光管，漫射器。采光罩采用可回收的亞克力材料制成，可濾掉大部分的紫外線，只傳輸可見光。使用起來舒適，能有效地防止紫外線對室內(nèi)物品的破壞。根據(jù)廠家資料，導(dǎo)光管全反射率最高可達(dá)99.8%，顯色性97%以上，不同管徑傳輸距離不一樣，可任意轉(zhuǎn)彎。一般來說，從導(dǎo)光管傳過來的光線不是完全均勻的，因此為使室內(nèi)的光線均勻分散，就要通過漫射裝置的光散射特性來實(shí)現(xiàn)。測試的導(dǎo)光管中漫射器由菲涅爾透鏡組成，圖1（c）是在A點(diǎn)仰視漫射器的示意圖，菲涅爾透鏡具有改變光傳播方向的作用，無論是在透光性還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。

由于導(dǎo)光管本身并不能發(fā)光，僅作為傳光器件發(fā)揮作用。因此使用傳統(tǒng)的分布光度設(shè)備測試導(dǎo)光管的配光分布并不合適，在本文中使用照度分布測量結(jié)果推算出光導(dǎo)管的配光特性。測試照度值的儀器采用的是Konica Minolta色度照度計(jì)CL－200A，測量精確度為0.1lx，滿足測試要求。

1.2 測試條件及方案

測試條件：光導(dǎo)測試系統(tǒng)搭建在室內(nèi)，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，所以把采光罩正上方的格柵燈當(dāng)成入射光源，測試結(jié)果具有較好的重復(fù)性。測量時(shí)，打開格柵燈提供均勻入射光。

測試方案：如圖2（a）所示，把距離漫射器底端550mm平面作為測試平面，在測試平面內(nèi)，根據(jù)平面大小畫7×7表格，用照度計(jì)測試表格交點(diǎn)照度值，如圖2（b）。

圖1 光導(dǎo)測試系統(tǒng)及光導(dǎo)管組成示意圖Fig.1 The light guide testing system and composition of the light pipe

1.3 測試過程

測試時(shí)，除測試用格柵燈外，屏蔽其他室內(nèi)外光源；測試系統(tǒng)內(nèi)壁為吸光材料，以防止反射光的影響；測試每點(diǎn)照度時(shí)，照度計(jì)保持水平狀態(tài)放在三腳支架上，測試過程中所有測試點(diǎn)保持在同一測試平面。具體測試過程如下：

（1）開啟光導(dǎo)管照明系統(tǒng)及正上方的光源，測量采光罩照度。照度計(jì)平放在采光罩上，傳感器正對著上方光源，記錄采光罩照度。

（2）測量漫射器照度。照度計(jì)緊貼出光口，傳感器正對著漫射器，記錄漫射器出口照度。

（3）如圖2（b），在測試地面內(nèi)畫7×7表格，測試交點(diǎn)上方一定高度處的照度值。測試時(shí)，照度計(jì)水平放在三腳架上，保證照度計(jì)探頭位于表格交點(diǎn)正上方，記錄各點(diǎn)照度數(shù)據(jù)。

圖2 測試示意及方案圖Fig.2 Schematic and diagram of measurement

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

燈具配光曲線是燈具空間光強(qiáng)的分布，極坐標(biāo)法就是其中一種常用的表示方法。從某一給定的方向起，以角度為自變量，將各個(gè)角度的光強(qiáng)用矢量標(biāo)注出來，連接矢量頂端的連線就是燈具配光的極坐標(biāo)曲線。本文中測量的數(shù)據(jù)是照度值，配光曲線是光強(qiáng)值，二者之間滿足如下關(guān)系：

在某方向上（與法線成θ角）取微小立體角dω，在此立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量為dφ，則兩者的比值即為該方向上的光強(qiáng)I，即

其中，r為光源中心與照度計(jì)探頭間距離，θ為探測光線方向與光源法線方向的夾角。

綜合式（1）、（2）、（3），得出照度E和光強(qiáng)I之間關(guān)系

根據(jù)式（4）可知，對一定范圍內(nèi)的網(wǎng)格測量其照度值可以反推光源在各個(gè)方向的光強(qiáng)分布，即求出了光源的配光曲線。值得注意的是，當(dāng)θ＝90°時(shí)，cosθ＝0，即在接近于90°方向測量的照度誤差對光強(qiáng)的影響很大，因此在測試中將θ限制在一定范圍內(nèi)；一般要求tanθ＜2，即θ＜63°。對較大角度光強(qiáng)采取外插方法推算。

2 測試結(jié)果與分析

根據(jù)測量結(jié)果，對光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的效率，照明效果、照度值分布及配光曲線的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 光導(dǎo)管照明系統(tǒng)效率

實(shí)驗(yàn)中，測量采光罩照度11 630lx，測量漫射器照度3 557lx。由此可得光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的效率為30%。造成傳光效率不高的原因主要有以下幾方面：

（1）采光罩采集的光線有限。根據(jù)廠家資料，采光罩的采集角度為±80°，大于80°夾角的光線采集不到。

（2）光導(dǎo)管傳輸效率不高。光線經(jīng)過光導(dǎo)管反射損失部分光，反射次數(shù)越多，光損失也越多。

（3）光線經(jīng)過光導(dǎo)管反射到漫射器，再經(jīng)過漫射器折射發(fā)散到室內(nèi)，該透射過程也會(huì)造成光的損失。

2.2 配光曲線

配光曲線是燈具的重要指標(biāo)之一，它是指光源（或燈具）在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布，為光學(xué)再設(shè)計(jì)和燈具透鏡設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。根據(jù)公式（4）可以計(jì)算出光導(dǎo)系統(tǒng)的配光曲線點(diǎn)照度測試結(jié)果如圖3所示。圖4是通過以測試點(diǎn)位置為水平坐標(biāo)，照度大小為Z坐標(biāo)繪制的照度分布的立體圖。由數(shù)據(jù)可以看出，照度分布基本均勻?qū)ΨQ，光導(dǎo)照明系統(tǒng)的正下方區(qū)域照度值為最高，達(dá)到300lx左右。

圖3 點(diǎn)照度測試結(jié)果Fig.3 The test results of illumination

圖4 測試平面照度分布立體圖Fig.4 Perspective view of illumination

由探測光線方向與光源法線方向構(gòu)成的直角三角形，利用三角形定理，可求出角。如圖5所示，點(diǎn)A為測量點(diǎn)，由所構(gòu)成的直角三角形可知：

其中，Y為550mm，X可在測試平面中求出。

圖5 測量θ示意圖Fig.5 Schematic diagram ofθ

通過公式（4）將點(diǎn)照度值轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)值，從而獲得與漫射器平面法線方向成（θ，φ）夾角的光強(qiáng)分布，對二維I（θ，φ）分布內(nèi)插獲得等間隔角度下的光強(qiáng)I′（θ，φ），并可以將I′（θ，φ）導(dǎo)出為IES配光分布文件。獲得對光導(dǎo)系統(tǒng)配光分布的完整描述。圖6給出了該配光分布中二個(gè)典型角度0°～180°和90°～270°的配光曲線。

圖6 光導(dǎo)照明系統(tǒng)的配光曲線分布Fig.6 Light curve distribution of the light guide system

圖7 光導(dǎo)系統(tǒng)配光曲線與標(biāo)準(zhǔn)朗伯體配光曲線的比較Fig.7 Comparison light curves between the light guide system and standard Lambert

圖8 扁圓吸頂燈及嵌入式格柵熒光燈配光曲線Fig.8 Light distribution curve of oval ceiling lamp and embedded grille fluorescent lamp

從圖6可以看出，本文的光導(dǎo)照明系統(tǒng)配光曲線基本為朗伯型。光導(dǎo)照明系統(tǒng)配光曲線與標(biāo)準(zhǔn)朗伯體配光曲線的比較，如圖7所示。從配光曲線可知，光斑內(nèi)的照度從中心向邊緣是逐漸減小的，并且光斑具有一個(gè)軟的邊緣。從熟悉而常用的燈具庫中找到兩種燈具的配光曲線，分別為扁圓吸頂燈和嵌入式格柵熒光燈，如圖8所示。從配光曲線可以看出兩者最大的區(qū)別在于扁圓吸頂燈背面還有光強(qiáng)，而嵌入式格柵熒光燈沒有；另外由于本光導(dǎo)照明系統(tǒng)出光口的漫反射器由菲涅爾透鏡組成，因此其配光曲線更類似于嵌入式格柵燈的配光曲線。具有如此配光性能的光導(dǎo)管照明系統(tǒng)可應(yīng)用于地下室及無窗建筑區(qū)，如走廊、會(huì)議室、報(bào)告廳等場所，照明效果明顯，不僅能滿足照明需要，還節(jié)約能源，而且采用自然光，在陽光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒適愉快，有益于身心健康，對于人的工作和學(xué)習(xí)，比人工照明具有更好的視覺效果。

3 結(jié) 論

利用自制光導(dǎo)照明測試系統(tǒng)，對直徑為330mm的光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的配光曲線進(jìn)行了測試研究。測得在距出光口550mm的水平面上的照度值，從而計(jì)算出其光強(qiáng)的分布，得到了其配光曲線。由結(jié)果可以看出，此光導(dǎo)管照明系統(tǒng)的配光曲線基本為朗伯型，類似格柵燈的配光曲線。同時(shí)可以產(chǎn)生燈具庫所需的IES文件，方便導(dǎo)入照明設(shè)計(jì)及計(jì)算軟件中，為設(shè)計(jì)師提供技術(shù)支持。

由于光導(dǎo)管照明系統(tǒng)采用自然光，所以在陽光的沐浴下能使人在心理和生理上感到舒適愉快，有益于身心健康，對于人的工作和學(xué)習(xí)，比人工照明具有更好的視覺效果。因此，隨著光導(dǎo)管傳輸效率技術(shù)的進(jìn)步，光導(dǎo)管照明系統(tǒng)在照明設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用潛力。

［1］梅毅.光導(dǎo)照明系統(tǒng)的基本原理［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2007，10（3）：17－20.

［2］劉志東.Intelligent Building ＆ City Information.［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：20－50.

［3］李文忠.光導(dǎo)照明系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2008，19（4）：2－4.

［4］MUH S，JEFF A.Hybrid solar lighting doubles the efficiency and afford ability of solar energy in commercial buildings［J］.CADDET Energy Efficiency，2002，23（10）：1－4.

［5］VARGA S，OLIVEIRA A C.Ventulation terminals for use with light pipe in buildings：A CFD study［J］.Applied Thermal Engineering，2000，18（20）：1743－1752.

［6］BOMAN H G.Luxeon star technical data sheet［J］.Philips Lumileds Lighting Company，2006，18（4／5）：3－6.

［7］張紹剛.有縫導(dǎo)光裝置照明技術(shù)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，1992，3（3）：2－5.

［8］徐登輝.光導(dǎo)照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理［J］.智能建筑與城市信息，2010，29（10）：43－65.

［9］闞子雄.LED燈具道路照明效果模擬與分析［J］.應(yīng)用光學(xué)，2012，20（3）：2－33.

［10］石麗平，劉寶成.照明器配光曲線的測量［J］.中國計(jì)量，2009，15（3）：10－23.

［11］呂征，徐濤.用配光曲線作判據(jù)選擇LED標(biāo)準(zhǔn)管［J］.應(yīng)用光學(xué)，2008，29（6）：1－8.