摘　要：本文主要根據(jù)照明應(yīng)用場合的具體情況分析，在燈具光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮CIE關(guān)于綠色照明的理念和要求，首先選擇短弧，高光通或高顯色性和高流明維持率的光源，其次采用模塊化設(shè)計(jì)全方位組合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控制光的投射方向和光束形狀，同時(shí)改善照明燈具控光材料的光學(xué)性能，提高燈具的光輸出效率，降低燈具溢出光及偏射光，減小人工照明形成的天空雜散光，提高照明場合的照明水平和視覺舒適度，控制光污染，節(jié)省能源，降低照明成本。

　　關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì)(optics design);照明燈具(luminaire);綠色照明(green lighting); 濺射光(spill light);

　　一、引　言

　　燈具作為照明單位器件，從功能方面可劃分為機(jī)械結(jié)構(gòu)及安裝系統(tǒng)、電器及照明控制系統(tǒng)和光學(xué)照明系統(tǒng)，這三者相互作用，相互依賴，相互交融組成一個(gè)完整的燈具。其中燈具光學(xué)照明系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)燈具照明功能的終端執(zhí)行部件，該系統(tǒng)主要包括光源和控光系統(tǒng)，它的工作最終體現(xiàn)燈具的使用性能。綠色照明是一個(gè)針對照明場合的要求，它的科學(xué)定義為：通過科學(xué)的照明設(shè)計(jì)，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品(電光源、燈用電器附件、燈具、配線器材以及調(diào)光和控光器件)，改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。綠色照明是20 世紀(jì)90年代初期照明行業(yè)提出的一個(gè)全新方針，它的出發(fā)點(diǎn)是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。實(shí)施綠色照明的宗旨是發(fā)展和推廣高效照明器具，節(jié)約照明用電，建立優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全、有益的環(huán)境，綠色照明不僅要求節(jié)能，還要在滿足對照明質(zhì)量和視覺環(huán)境條件的要求下實(shí)現(xiàn)節(jié)能，因此不能單純依靠降低照明標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)上述目的，而是要提高整個(gè)照明系統(tǒng)的節(jié)能能力，在同樣的照明標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量下用通過更少的燈具和更低的功率消耗來實(shí)現(xiàn)。

　　二、基于綠色照明理念的燈具光學(xué)設(shè)計(jì)

　　照明系統(tǒng)的節(jié)能主要從兩方面進(jìn)行：一是研制和推廣應(yīng)用高效優(yōu)質(zhì)的照明燈具;二是提供合理的照明控制系統(tǒng)和工程應(yīng)用。研究高效的照明燈具主要是從燈具光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā)，合理選擇燈具光源，科學(xué)設(shè)計(jì)燈具光學(xué)系統(tǒng)形狀，采用性價(jià)比合理的反射材料和折射控光材料。

　　(一) 光源的選擇

　　電光源的發(fā)光原理不同、制作工藝不同、材料不同，則發(fā)光效率就不同。單位功率發(fā)出的光通量稱為發(fā)光效率(以下簡稱光效)，更確切地說就是電光源的發(fā)光能力。照明要節(jié)電，首先盡量提高電光源的發(fā)光能力，讓盡量少的電能產(chǎn)生盡量多的光。金屬鹵化物燈的光效已接近甚至超過了1001m/W，有專家預(yù)計(jì)2010 年光效可達(dá)1201m/W，是泛光照明、道路照明和高大廠房照明的主要光源;高壓鈉燈光效已達(dá)1501m/W，是目前光效最高的照明光源，多用于道路照明和泛光照明。

　　在實(shí)際的照明應(yīng)用中，片面追求光源的高顯色性和高色溫，能造成極大的能源浪費(fèi)。在一些體育場館的泛光照明中，一般都采用1000～2000W的大功率金屬鹵化物燈，按顯色指數(shù)通常分為65(或80)、90兩種;按相應(yīng)的色溫分為3700K(或4000K)、5600K兩種。后者通常應(yīng)用于國際性的彩電轉(zhuǎn)播、奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)、世界杯比賽以及高清電視轉(zhuǎn)播中;前者用于日常的訓(xùn)練、比賽、彩電轉(zhuǎn)播中。在全球不同地區(qū)如北美和歐洲，其執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也有較大的差別，現(xiàn)行的體育照明標(biāo)準(zhǔn)對此要求也有所不同。不同顯色指數(shù)和色溫的光源其光通量有明顯差別，以1000W的金鹵燈光源為例。顯色指數(shù)為65的金鹵燈光源光輸出為110000Lm，而顯色指數(shù)為90的金鹵燈光源光輸出僅為90000Lm。前者的光通量高出后者約20%，意味著在同樣的照度水平和照度均勻度要求下，后者可節(jié)能20%左右。

　　現(xiàn)有金鹵燈結(jié)構(gòu)分為單端金鹵燈和雙端金鹵燈2 種(圖1)，每種金鹵燈又可分為長弧發(fā)光管和短弧發(fā)光管兩種(圖1)，應(yīng)用于不同的燈具中。比較這些產(chǎn)品特性可以發(fā)現(xiàn)，短弧雙端金鹵燈具有以下特點(diǎn)：允許燈具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡潔，并使精確的光學(xué)系統(tǒng)具有較高的效率、良好的光束控制能力和最低限度的溢出光;燃點(diǎn)位置位于水平方向5以內(nèi)，有助于金鹵燈性能的穩(wěn)定;但是在工作時(shí)，燈的封裝部位將暴露在空氣中，因此必須控制燈具溫度，燈與燈之間顏色差異較難控制。單端短弧金鹵燈同樣具有自己的優(yōu)勢，特別是在對眩光、外溢光的控制以及燈具的精確配光方面：也可以精確地控制光線，提供更多的配光選擇、良好的外溢光及眩光控制、透明管狀外玻殼、高光效等;如果保持水平方向5以內(nèi)的燃點(diǎn)位置，可以最大程度地降低金屬鹵化物燈固有的色差，初始及燃點(diǎn)壽命期間均具有很高的光效，燈具壽命比雙端金鹵燈長，燈與燈之間的顏色差異容易控制。根據(jù)金屬鹵化物燈具的特性，當(dāng)燈管處于水平和垂直狀態(tài)時(shí)被點(diǎn)燃，燈具的燃點(diǎn)效率最高。一般燈具安裝在燈桿或者馬道上時(shí)，燈具的瞄準(zhǔn)角度與水平方向會(huì)有一個(gè)25～40左右的夾角，此時(shí)，燈具的傾斜系數(shù)較低，總的光失系數(shù)降低，燈具的利用效率下降，必須使用更多的燈具才能達(dá)到這一照明效果。使用Z形光源。

　　(圖2)時(shí)，通過燈管Z形的校正，可使燈管基本處于水平狀態(tài)，提高燈具的傾斜系數(shù)，提高了燈具的利用效率，減少燈具的使用數(shù)量，有效節(jié)約了電能。同時(shí)，采用Z形光源后，結(jié)合燈具的設(shè)計(jì)，部分本來投射到空中的外溢光通過反射器的反射被重新投射到場地中，從而提高了燈具的效率，使場地內(nèi)可供利用的光能提高了25%左右，并且減少了對周邊環(huán)境的外溢光污染和場地內(nèi)眩光。在沒有配置外置眩光控制器的情況下，可減少外溢光達(dá)50%左右;選用外置眩光控制器后，外溢光可減少90%～95%。