配光曲线

定义

配光曲线(Light distribution curve)是描述一个光源或灯具发出的光在空间中分布情况的图形^[3]。它记录的核心量是发光强度，即光源在某一方向单位立体角内发出的光通量，单位为坎德拉(cd)，1 坎德拉等于 1 流明每球面度^[1]。由于发光强度本身随方向而变，配光曲线给出的正是光强与空间方向之间的对应关系。

同一份配光数据可以用不同形式表达。极坐标法把灯具发光面中心置于原点，用角度表示方向、用半径长度表示光强大小，是应用最多也最直观的形式；直角坐标法以角度为横轴、光强为纵轴，便于精确读数；等光强曲线法则把光强相等的点连成曲线，多用于投光类灯具^[2]。日本岩崎电气等企业也按灯具的光束特征，分别采用直角坐标、正弦等光度曲线和极坐标来呈现配光^[4]。

由于不同光源输出的光通量差别很大，配光曲线上的光强值通常换算成每 1000 流明下的数值，以便不同灯具相互比较^[3]。按对称性质，配光可分为轴向对称(旋转对称)、对称和非对称 3 类；按光束角大小可分为窄配光、中配光和宽配光，例如光束角小于 20° 的常称窄配光、大于 40° 的常称宽配光，不过各厂家对宽窄中之间的界限并无完全一致的规定^[5]。

原理

配光数据来自分布光度测量。测量时把被测灯具装在可绕两个轴转动的支架上，由光度探头在足够远的距离上逐个方向读取光强，再按角度顺序连成曲线^[6]。按机械结构，常用的分布光度计分为 CIE 的 A、B、C 三种类型，其中 Type C 采用 C-γ 坐标系，C 表示绕光源轴线旋转的方位角、γ 表示相对光源轴的极角，是最普遍的配置^[7]。光强与光通量的关系可写作 $I = \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}\Omega}$，其中 $I$ 为光强，$\Phi$ 为光通量，$\Omega$ 为立体角^[1]。

以极坐标图为例，圆心代表灯具的光中心，同心圆由内向外表示光强逐渐增大，图中标注的角度是某个剖面上的方向角，通常把灯具正下方记为 0°^[5]。曲线只在一个或几个剖面上给出光强，因此具有旋转对称轴的灯具用一条剖面曲线即可说明空间分布，而非对称灯具需要多个剖面的曲线组合起来才能描述完整分布^[2]。光束角一般取峰值光强一半所包含的角度范围，美国标准则按峰值光强的十分之一来界定，两者并不相同^[5]。

发展历程

光度测量起步较早，但早期方法只能比较光源的水平光强；当电弧灯、白炽灯等发光方向性明显的灯具出现后，仅凭水平光强已不足以反映照明效果，人们才开始测量各个方向的光强，配光的概念随之形成^[8]。20 世纪 20 年代，已有研究者利用光电池配合示波记录装置，在数秒之内自动记下完整的光强分布曲线，取代了人工逐点测量的做法^[9]。相近时期还出现过标准配光曲线的研究，试图依据灯具安装高度与间距的关系，选出照度较为均匀的配光类型，供工程选型参考^[10]。

20 世纪后期，配光数据的交换走向标准化。北美照明协会在 1986 年发布 LM-63-1986，把灯具光强分布规定为统一的电子文件格式，即通常所说的 IES 文件；此后该标准多次修订，1991 年、1995 年和 2002 年相继推出新版本，2002 年版还取得美国国家标准学会的认可^[11]。IESNA91、LM-63-1995 与 LM-63-2002 等版本至今仍在各类照明计算软件中并行使用^[12]。

日本工业标准调查会引用 IES 规范，在 JIS C 8105-5:2011 的附随书中给出了 JIS 格式^[12]。除此之外，欧洲的 Eulumdat、英国的 CIBSE TM14 也是常见的配光数据格式^[13]。由于基于文本的 LM-63 逐渐难以适应建筑信息模型等新需求，基于 XML 的 ANSI/IES TM-33-18 已经发布，并在过渡期内与前者同时有效^[13]。

应用

配光曲线是照明设计的基础资料。设计人员借助它计算工作面的照度与均匀度，评估统一眩光值等指标，并据此判断灯具安装后光线落在什么位置、会不会造成眩光^[1]。不同照明需求对应不同的配光类型，重点照明多用窄光束，均匀照明多用宽光束，立面照明则常用非对称配光^[1]。

在工程实践中，配光曲线还用于灯具的检测与选型。测试报告除给出空间光强分布曲线外，通常还包含总光通量、光效、峰值光强、上射与下射光通比、灯具效率、利用系数、等照度曲线等参数^[14]。这些数据可以整理成配光文件导入照明计算软件，用于模拟灯具在具体房间或道路中的照明效果^[15]。对于 LED 灯具，配光数据还被用于二次光学设计，以改善目标面上的光斑形状和亮度均匀性^[16]。

局限

配光数据是在一组固定的水平角和垂直角节点上测得的，并非连续记录，因此文件所能反映的光强变化细节受角度间隔设置的限制。在采用相对光度学的配光文件里，灯具的光通量取自生产厂家公布的标称参数，并不等于测试当时实际发出的流明数。对于光束集中在狭小立体角内的聚光型灯具，极坐标形式难以清楚表达光强随角度的剧烈变化，通常改用直角坐标法或等光强曲线法^[2]。

常规的远场测量把光源视为点光源，要求探测器到被测光源的距离足够远，一般不小于光源最大发光尺寸的 5 倍，受此限制，大尺寸光源的光度检测较难实现^[17]。以汽车前照灯为例，远场测量所需距离可达 30 米，对研发场所而言负担较大^[16]。LED 这类面光源在近距离与远距离的光分布并不一致，仅凭远场数据推算近距离的反射、透射现象会与实际产生偏差，此时需要改用近场分布光度测量，通过光线追踪建立光线模型来获得任意距离下的光分布^[16]。

近场测量在国内起步较晚，在可测尺寸和精度方面仍存在局限^[17]。此外，配光数据存在多种文件格式，不同地区和软件各有偏好，跨软件使用往往需要先做格式转换^[13]。

参见

• 发光强度 —— 配光曲线所描述的基本物理量，表示某一方向上单位立体角内的光通量。

• 光通量 —— 与发光强度通过立体角相互换算的量。

• 分布光度计 —— 用于测量光强空间分布、生成配光数据的仪器。

• 等照度曲线 —— 由配光数据推算得到的照明面上照度相等各点的连线。

• 光束角 —— 由配光曲线峰值光强定义、用来描述灯具出光范围的参数。

• IES 文件 —— 按北美照明协会标准记录灯具配光数据的电子文件格式。