體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)主要是為滿足足球、田徑、橄欖球、曲棍球等運(yùn)動(dòng)的需要。足球運(yùn)動(dòng)因球的運(yùn)行不僅在地面上，同時(shí)還在距地 10~30m 的空間進(jìn)行。因此在一定的空間高度的各個(gè)方向上要保持一定的亮度，一般足球場(chǎng)上空 15m 以下空間的光分布要非常均勻。

田徑比賽大部分在距地面約 3m 高度的范圍內(nèi)進(jìn)行，這類運(yùn)動(dòng)設(shè)施的照明，主要是滿足地面上的光分布均勻的要求。標(biāo)槍、鐵餅、鏈球等項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)高度可達(dá)20米，原來這類項(xiàng)目往往不在晚上舉行，但現(xiàn)在這些運(yùn)動(dòng)晚上舉行的較多，而且往往是決賽或資格賽，重要程度可見一斑。因此場(chǎng)地照明必須滿足這類項(xiàng)目的需求。

橄欖球、曲棍球等運(yùn)動(dòng)在我國不普及，如有需要可參閱相關(guān)資料，在此不贅述了。

為了適合于彩色電視實(shí)況轉(zhuǎn)播尤其高清電視轉(zhuǎn)播的要求，要求運(yùn)動(dòng)員和場(chǎng)地以及觀眾之間的亮度比率應(yīng)具有一定數(shù)值。

要做好一個(gè)體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者首先必須了解和掌握體育場(chǎng)照明要求：應(yīng)有足夠的照度和照明的均勻度，無眩光照明，適當(dāng)?shù)年幱靶Ч?，光源色度參?shù)的正確性等等，下面進(jìn)行定性的描述。

彩色電視轉(zhuǎn)播照明應(yīng)以場(chǎng)地的垂直照度為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，場(chǎng)地照明一般必須滿足運(yùn)動(dòng)員、觀眾和攝像機(jī)三方面的要求。為此要求水平照度、垂直照度及攝像機(jī)拍攝全景畫面時(shí)的亮度，必須保持變化的一致性。運(yùn)動(dòng)員、場(chǎng)地和觀眾之間的亮度變化比率不得超過某一數(shù)值，這樣才能適應(yīng)彩色電視攝像要求。

彩色電視轉(zhuǎn)播要求照度比黑白電視高，高清電視轉(zhuǎn)播要求的照度又高于標(biāo)清的彩電轉(zhuǎn)播，超高清電視轉(zhuǎn)播現(xiàn)在也在試驗(yàn)中，對(duì)照明要求將會(huì)更高。另外，照度與電視畫面的畫幅有密切的關(guān)系，照度低，那么電視轉(zhuǎn)播僅限于攝取全景；如果照度高，既可攝取全景又能拍攝特寫鏡頭，從而使電視播送更生動(dòng)。

均勻度的要求主要源于電視攝像機(jī)的要求，而不相稱的均勻度，也會(huì)給運(yùn)動(dòng)員和觀眾帶來視覺上的痛苦。照度均勻度規(guī)定表面上的最小照度（Emin）與最大照度（Emax）之比（U1），最小照度（Emin）與平均照度（Eave）之比（U2）。均勻度用來控制整個(gè)場(chǎng)地上的視看狀況，U1有利于視看功能。U2有利于視覺舒適。 

在和鏡頭軸線的主要方向相垂直的比賽場(chǎng)地上1.0-1.5m 高的范圍內(nèi)測(cè)得的平均照度應(yīng)不低于 1400lx，實(shí)際上 1000lx 對(duì)于攝影也是可能的。

對(duì)于一個(gè)面積相當(dāng)大的體育場(chǎng)地(如球場(chǎng)周圍加上跑道，面積為120m×200m)來說，其水平照度的均勻度不如其中足球場(chǎng)地的均勻度。既要能保持轉(zhuǎn)播所需的照度梯度，又要滿足照度均勻度的要求，才能保證電視攝像機(jī)能攝取優(yōu)質(zhì)的電視畫面。

運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作愈迅速、運(yùn)動(dòng)器具愈小，對(duì)于垂直照度、照度均勻度及照度梯度要求就愈嚴(yán)格。

彩色轉(zhuǎn)播足球比賽時(shí)，水平面或垂直面上相鄰網(wǎng)格點(diǎn)間的照度變化率每 5m 不應(yīng)超過20%，非彩電轉(zhuǎn)播時(shí)不應(yīng)超過50%。

電視攝像機(jī)的作用與人的視覺有些相似，攝像機(jī)和人眼都是以感覺照明的強(qiáng)度作為亮度，因此，畫面對(duì)比以及其背景，對(duì)于畫面質(zhì)量來說都是最重要的。一方面由于缺乏充分的對(duì)比，好的畫面就不能取得；另一方面由于難于處理明暗，同樣也妨礙高質(zhì)量畫面的產(chǎn)生。

亮度和眩光對(duì)于運(yùn)動(dòng)員和觀眾的視覺舒服與否都是很重要的，考慮到要避免太暗的背景，一部分光線應(yīng)當(dāng)射向看臺(tái)，觀眾席座位面的平均水平照度應(yīng)滿足100 lx 的要求，主席臺(tái)面的照度不宜低于200 lx。靠近比賽區(qū)前12排（15排）觀眾席的垂直照度不宜小于場(chǎng)地垂直照度的25% 。這不僅使對(duì)面看臺(tái)上觀眾眩光減少，而且電視畫面也因?yàn)橛辛艘粋€(gè)明亮的看臺(tái)背景，使畫面質(zhì)量更為有利。

總的來說，眩光在很大程度上系由照明設(shè)施的亮度、燈具布置的實(shí)體角、發(fā)光的面積、燈具的方向與正常觀看方向之間的角度、照明設(shè)施亮度與其觀看時(shí)的背景亮度之間的關(guān)系、以及人眼適應(yīng)的條件(主要系由視野亮度來決定)等一系列因素來決定。如果要獲得舒適的觀看條件，必須使得視野內(nèi)直接亮度不超過背景可依據(jù)的某一亮度值。

眩光問題，只要協(xié)調(diào)好觀眾、運(yùn)動(dòng)員之間的矛盾就能解決，這一協(xié)調(diào)工作由設(shè)計(jì)師來完成，即設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮投光燈的光線分布、安裝方案、燈懸掛高度以及其它因素。寬光束的投光燈容易獲得場(chǎng)地的均勻效果，但會(huì)增加對(duì)看臺(tái)上的觀眾的眩光，因此，適當(dāng)選用中等光束和窄光束投光燈相結(jié)合的方案來解決眩光問題。投光燈分類、光束角的關(guān)系見表1。

表1 投光燈燈具分類

亮度對(duì)比強(qiáng)，同時(shí)又有陰影，這些都有礙于電視攝像機(jī)的正確調(diào)整，因而會(huì)影響電視畫面的質(zhì)量。過于黑暗也會(huì)降低視覺的舒適。另一方面，陰影對(duì)于電視轉(zhuǎn)播和觀眾來說卻又很重要，特別是當(dāng)具有快速動(dòng)作的高速傳球特點(diǎn)的足球比賽時(shí)，如果有陰影的影響，距球遠(yuǎn)的觀眾是無法跟蹤上目標(biāo)的。

可以細(xì)致地調(diào)整投光燈，同時(shí)避免了影響照明的不利因素就可以改善或消除陰影的影響。但是對(duì)于有雨棚的體育場(chǎng)，陽光下的陰影是很難避免的，盡管使用人工照明進(jìn)行補(bǔ)光也無濟(jì)于事。

圖14-2 慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)日光下的陰影

顏色較正對(duì)于觀眾和彩色電視轉(zhuǎn)播都很重要。電視攝像機(jī)色溫在很大范圍內(nèi)能夠加以調(diào)節(jié)，可以使用色溫 3000-6000K 的光源進(jìn)行電視轉(zhuǎn)播。但是，體育場(chǎng)是室外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，在選擇光源時(shí)，要考慮日光的色溫，即5000-6000K?？赡馨l(fā)生這種情況，比賽在日光下開始，而在夕陽西下時(shí)，即在冷光照明下結(jié)束(通常用“全天候”這一詞來形容這一情況)。在夕陽和人工照明雙重光線下，要求日光色溫與人工照明光源的色溫相一致，這樣電視攝像機(jī)可以進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)播，由日光順利過渡到人工照明。

金屬鹵化物燈在場(chǎng)地照明中應(yīng)用極為廣泛，其具有 4000～6000K 的色溫，完全可以滿足室外彩色電視轉(zhuǎn)播的需求。

近年來，LED 在場(chǎng)地照明中得到試驗(yàn)性的應(yīng)用，效果良好，大有取代金鹵燈之勢(shì)，對(duì)色溫要求更為寬泛，但對(duì)顯色性的研究還在進(jìn)行中。

照明裝置在使用一定周期后，在規(guī)定表面上的平均照度或平均亮度與該裝置在相同條件下新裝時(shí)在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比稱為維護(hù)系數(shù)（maintenance factor）。照明計(jì)算時(shí)維護(hù)系數(shù)取值見本章第一節(jié)，室外體育場(chǎng)照明計(jì)算時(shí)還應(yīng)計(jì)入5%～15%的大氣吸收系數(shù)，主要考慮空氣對(duì)光的吸收、反射、散射等因素，從而對(duì)照明的影響。大氣吸收系數(shù)與維護(hù)系數(shù)是不同的概念，但在工程中經(jīng)常會(huì)統(tǒng)一考慮。

而《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ31-2003中要求室外時(shí)維護(hù)系數(shù)應(yīng)取0.55，另外還計(jì)入30%大氣吸收系數(shù)，將會(huì)造成較大的浪費(fèi)。以綜合體育場(chǎng)為例，假設(shè)某體育場(chǎng)沒考慮維護(hù)系數(shù)時(shí)，使用 350 套 2000W 的金鹵燈即可滿足要求，考慮維護(hù)系數(shù)0.7時(shí)，用燈量為350/0.7=500 套，如果維護(hù)系數(shù)和大氣吸收系數(shù)按 JGJ31-2003 取值，則為 350/(0.55x0.7)=909 套燈具，比上述取值多出909-500=409套燈具，相應(yīng)還需增加電纜、配電、荷載等費(fèi)用，維護(hù)費(fèi)用和工作量也增加不少。

目前，《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》正在修編之中，相信關(guān)于大氣吸收系數(shù)的條款將會(huì)修訂。

另一方面，忽略大氣吸收系數(shù)也是不妥的，尤其多霧、霧霾嚴(yán)重的地區(qū)更要重視大氣的影響。仍以上述體育場(chǎng)為例，如果大氣吸收系數(shù)取10%，則該體育場(chǎng)使用 2000W 金鹵燈數(shù)量應(yīng)為350/0.7×(1-10%)=556套，這樣才能保證場(chǎng)地上得到良好的照明。國家體育場(chǎng)“鳥巢”的場(chǎng)地照明計(jì)算取10%的大氣吸收系數(shù)。

立體感是指光照射在物體(即運(yùn)動(dòng)員和運(yùn)動(dòng)器具)上時(shí)所產(chǎn)生的效果，使物體的形體細(xì)部和輪廓都能看得清晰。例如在判斷距離和速度時(shí)，很大程度上取決于對(duì)物體形狀能夠清楚的辨認(rèn)。

要取得良好的立體感，就必須從物體的各側(cè)都要有光，但并不要絕對(duì)均勻。立體感要把握好度，沒有立體感則轉(zhuǎn)播的電視畫面比較生硬、呆板；過度強(qiáng)調(diào)立體感則會(huì)產(chǎn)生類似重點(diǎn)照明中的戲曲效果，被照的人和物將會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的亮斑和陰影，電視轉(zhuǎn)播將不會(huì)清晰，轉(zhuǎn)播效果將大大折扣。

對(duì)于重要賽事，需要認(rèn)真對(duì)待立體感問題。以奧運(yùn)會(huì)為例，要求場(chǎng)地照明從不同方向照射到場(chǎng)地內(nèi)，且場(chǎng)地內(nèi)每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的四個(gè)方向（平行于邊線和底線）垂直照度的最小值與最大值之比不小于0.6。

頻閃效應(yīng)是在以一定頻率變化的光照射下，觀察到物體運(yùn)動(dòng)顯現(xiàn)出不同于其實(shí)際運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，通常的表現(xiàn)形式有抖動(dòng)、閃動(dòng)等。頻閃效應(yīng)對(duì)電視轉(zhuǎn)播影響較大，可以想象，如果電視畫面出現(xiàn)抖動(dòng)、閃動(dòng)等現(xiàn)象，電視觀眾將無法接受，電視廣告、電視轉(zhuǎn)播權(quán)等電視轉(zhuǎn)播經(jīng)濟(jì)將會(huì)受到重大影響。尤其當(dāng)今已經(jīng)進(jìn)入 LED 照明時(shí)代，頻閃效應(yīng)更加突出，大大影響轉(zhuǎn)播的效果，尤其對(duì)高清電視轉(zhuǎn)播、慢動(dòng)作等影響更大。

國際上頻閃效應(yīng)的定量研究尚處在初級(jí)階段，其定義尚沒達(dá)成一致，有不同的定義方法。第10版的北美照明工程協(xié)會(huì)（TheIlluminating Engineering Society of North America）的《IES照明手冊(cè)》（IESLighting Handbook）給出了兩個(gè)描述頻閃效應(yīng)的概念。頻閃比是描述頻閃效應(yīng)的方法之一，即在某一頻率下，輸出光通最大值與最小值之差比輸出光通最大值與最小值之和，用百分比表示。

如圖2所示，A 和 B 分別是一個(gè)周期內(nèi)的光輸出的最大值和最小值，頻閃比 Rf=（A-B）/(A+B)。頻閃比的描述見表2，因此，場(chǎng)地照明的頻閃比達(dá)到6%就會(huì)對(duì)電視轉(zhuǎn)播產(chǎn)生輕微的影響，該數(shù)值可以作為高等級(jí)賽事頻閃效應(yīng)評(píng)判的限值。

表2  頻閃比的描述

另一種描述頻閃效應(yīng)的方法是頻閃指數(shù)，即在一個(gè)周期內(nèi)，光輸出平均值以上部分A1與整個(gè)光輸出（A1+A2）的比值，即FI=A1/(A1+A2)，其值在0~1.0。頻閃指數(shù)需要進(jìn)行積分計(jì)算，使用起來比較繁瑣。

圖2  頻閃效應(yīng)的描述

為減少頻閃效應(yīng)，可以采用三相供電的場(chǎng)所，將照射在同一照明區(qū)域的不同燈具分接在不同相序的供電回路上，即三相同點(diǎn)法。在使用數(shù)量較多的寬光束燈具時(shí)，幾乎是自然地可達(dá)到上述要求，但在使用窄光束燈具時(shí)，則必須分三個(gè)相位以三相的組合方式投射。

使用高頻電子鎮(zhèn)流器也可以消除或減輕頻閃效應(yīng)，但電子鎮(zhèn)流器只能用于中小功率的金鹵燈，大功率的金鹵燈尚沒有成熟的產(chǎn)品。

超慢鏡頭回放區(qū)域可以采用 LED 燈，且可采取直流系統(tǒng)供電。但由于直流供配電系統(tǒng)的局限性和經(jīng)濟(jì)性，只能用于局部重要區(qū)域。

圖3 2004年雅典奧運(yùn)會(huì) Panathinaiko 體育場(chǎng)臨時(shí)照明系統(tǒng)

使用大型燈具可以減少投光燈數(shù)目，但是在多數(shù)情況下，從均勻度要求的觀點(diǎn)來看，不可能做到把光線照射的足夠均勻，而且在使用窄光束時(shí)，肯定不可能達(dá)到均勻度要求。為此，最好多種配光配合使用，并使用功率適宜的燈具。

對(duì)于體育場(chǎng)來說，目前較多使用 2000W 的金鹵燈，大型體育場(chǎng)使用窄光束、特窄光束燈具較多，并配以適量的中光束燈具，專用足球場(chǎng)燈具總數(shù)一般不超過300套就可滿足世界杯足球賽的要求。而綜合性體育場(chǎng)場(chǎng)地照明燈具將在400套以上。也有少數(shù)體育場(chǎng)采用1500W、1800W 的金鹵燈，這時(shí)燈具數(shù)量會(huì)多一些。

大型體育比賽，如奧運(yùn)會(huì)，有時(shí)會(huì)采用臨時(shí)性照明系統(tǒng)，如圖3所示為2004年雅典奧運(yùn)會(huì) Panathinaiko 體育場(chǎng)臨時(shí)照明系統(tǒng)，該體育場(chǎng)為現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)即1896年第一屆夏季奧運(yùn)會(huì)的比賽場(chǎng)地，是現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)的發(fā)源地。奧運(yùn)會(huì)期間，臨時(shí)照明的光源為 6000W 金鹵燈，由于是臨時(shí)采用，這個(gè)方案是可以接受的，燈具數(shù)量將大大減少。

LED 燈逐漸在體育場(chǎng)場(chǎng)地照明中得到應(yīng)用，并有快速普及的趨勢(shì)。燈具數(shù)量和功率將大大減少。限于技術(shù)和造價(jià)因素，目前多用在等級(jí)較低的體育場(chǎng)中。

圖4為汕頭大學(xué)室外場(chǎng)地，燈具由 Musco 公司提供，其中：

圖5為北京工人體育場(chǎng)國安足球練習(xí)場(chǎng)，該場(chǎng)地是標(biāo)準(zhǔn)的11人場(chǎng)地，共計(jì)采用96套180W的LED燈，兩側(cè)燈布，共6根燈桿，每根燈桿上安裝16盞燈，總安裝功率17.28kW，燈具由北京新能陽光公司提供。

圖4  汕頭大學(xué)室外場(chǎng)地（本照片由Musco公司提供）

圖5  北京工人體育場(chǎng)練習(xí)場(chǎng)（本照片由北京信能陽光公司提供）

描述燈具照射方向的有投射角、瞄準(zhǔn)角、俯角、仰角等等，其中瞄準(zhǔn)角是規(guī)范用詞，在我國多部標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定，正在修訂的《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》試圖規(guī)范這些用語、用詞。

在圖6中，燈具瞄準(zhǔn)角是燈具的瞄準(zhǔn)方向（主光強(qiáng)方向）與垂線的夾角，如果瞄準(zhǔn)角越大，垂直面照度Ev就越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)員、觀眾的眩光就會(huì)增大。反之，如果燈具投射角越小，垂直照度也越小，不容易滿足電視轉(zhuǎn)播的要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，燈具投射角在25°~65°為宜。

圖6 燈具瞄準(zhǔn)角

選用體育場(chǎng)照明光源要從光效、壽命、色溫、顯色性、投資和運(yùn)行等諸方面綜合考慮，目前，體育場(chǎng)多選用金屬鹵化物燈，LED 燈也有所應(yīng)用。金鹵燈是目前體育場(chǎng)照明性價(jià)比最佳的光源，比較適用于彩色電視轉(zhuǎn)播，該光源便于控制光束、光效高(50-110lm／W)、顯色性好(Ra=80-94)等優(yōu)點(diǎn)。近年來異軍突起的 LED 燈則在體積、方向性、節(jié)能、控制等方面占有優(yōu)勢(shì)，發(fā)展較快。

體育場(chǎng)照明所用燈具主要是投光燈。要重視投光燈的下述技術(shù)參數(shù)：燈具總光通量、燈具效率、燈具有效光通量、燈具有效效率、峰值光強(qiáng)、溢出光、燈具遮光角等。

如果采用 LED 燈，除上述因素需要考慮外，還要考慮色容差、色品坐標(biāo)、特殊顯色指數(shù)R9、頻閃比等參數(shù)。

選擇金鹵燈燈具，首先要考慮光束的寬度和光斑的形狀。

投光燈按光學(xué)性能可分為三種。

首先，圓形投光燈，用于遠(yuǎn)距離投光，必須用高強(qiáng)度光束。將拋物線弧形反光器和小體積高亮度的光源結(jié)合起來，容易得到高強(qiáng)度的光束。這種方法形成的光束是錐形，在場(chǎng)地上投射的光斑呈橢圓形。

其次，長方形投光燈，用于近距離投光。近距離投射場(chǎng)地時(shí)最好用水平方向?qū)捁馐鵁艟撸梢杂貌坌蔚膾佄锞€弧形剖面的反射器，配以線狀光源，光束是扇形的。

第三，蝸牛形投光燈，用于中距離投光?？梢杂脠A形或槽形反射器使光束漫射，以獲得中距離投光的覆蓋能力。投光燈到被照面的距離近時(shí)用寬光束燈較經(jīng)濟(jì)，距離愈遠(yuǎn)采用光束愈窄，其利用程度越高。

而 LED 燈則采用透鏡，突破原有的反射器束縛，方向性更加優(yōu)秀，配光更加多樣、靈活。