潘怡蕾，劉超博，王洪波，衛(wèi)慶軍

(1.蘇州市吳江區(qū)城市管理局，江蘇蘇州 215200；2.歐普道路照明有限公司，江蘇蘇州 215212)

引言

“燈下黑”在道路照明中經(jīng)常會(huì)遇到，即遠(yuǎn)看燈下是暗的，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)產(chǎn)生斑馬效應(yīng)，導(dǎo)致駕駛員的眼睛視覺靈敏度下降，不易覺察出前方的目標(biāo)和障礙物，甚至引發(fā)交通事故。而道路照明的目的是讓機(jī)動(dòng)車駕駛員和行人看清路面、避免交通事故的發(fā)生[1-5]。根據(jù)CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求：對于快速路、主干路，在照度均勻度不低于0.4的前提下，路面的亮度總均勻性應(yīng)大于0.4，亮度縱向均勻度應(yīng)大于0.7[6-7]。LED道路照明中產(chǎn)生“燈下黑”問題本質(zhì)上是由于縱向亮度均勻度不夠，根據(jù)LED路燈實(shí)際使用情況來看，縱向亮度均勻度要接近0.8時(shí)“燈下黑”現(xiàn)象才能被消除。

1 產(chǎn)生“燈下黑”現(xiàn)象的因素

1.1 照度分布與亮度分布

如圖1所示，此款路燈為實(shí)際道路場景拍攝，從遠(yuǎn)距離觀察，燈下點(diǎn)亮度低，靠近觀察者位置的路燈之間亮度更高，即所謂燈下黑現(xiàn)象。

圖1 實(shí)際道路照明效果Fig.1 The actual road lighting effect

圖2 單燈照度分布圖Fig.2 The illuminance distribution of single lamp

我們選取此款路燈配光進(jìn)行道路場景仿真，照度分布如圖2所示，其照度最大值出現(xiàn)在燈下點(diǎn)位置，并且左右光斑分布對稱，按常規(guī)理解來看，照度更高的地方，亮度值也會(huì)更高，這與我們實(shí)際看到燈下黑現(xiàn)象并不相符。

我們再模擬此款路燈的亮度分布，如圖3所示，最亮點(diǎn)不在燈下，且分布不對稱，最亮點(diǎn)靠近駕駛員一側(cè)，總結(jié)具有以下特征：①亮度分布不對稱；②亮度分布——燈前5倍燈高的間距，燈后2倍燈高的間距；③最亮點(diǎn)不在燈下(燈下約50%)。

為何縱向?qū)ΨQ的配光在亮度模擬時(shí)出現(xiàn)了縱向不對稱的亮度分布？是否是配光的原因？我們多選幾組再次進(jìn)行模擬仿真。如圖4所示，4款配光區(qū)分明顯，但亮度分布都具有共同特征，即燈下都不是最亮的，最大亮度出現(xiàn)在靠近人眼觀察一方，且與燈下位置有一定距離。這說明光通量分配的對稱，不代表人眼看到的就對稱。(4款都為縱向?qū)ΨQ配光)亮度具有“偏移性”，并非對稱分布于路燈縱向兩側(cè)。

完成單燈亮度分布對比，再進(jìn)行多燈仿真，見圖5，可發(fā)現(xiàn)每盞路燈照亮區(qū)域更偏向于路燈的縱向一側(cè)，并非兩邊，這與我們實(shí)際拍攝的效果也最為接近，說明我們?nèi)搜劭吹降牟⒎鞘钦斩确植?，而是亮度分布。那為什么光通量分布的均勻，而人眼看到卻不均勻？這需要分析照度與亮度的差異。

1MH—1倍燈高的間距圖3 單燈亮度分布圖Fig.3 The luminance distribution of single lamp

1MH—1倍燈高的間距圖4 不同配光亮度分布對比Fig.4 Comparison of various luminance distribution

圖5 多燈亮度分布圖Fig.5 The luminance distribution of some lamps

1.2 照度與亮度的差異

照度屬于人眼無法感知的物理量，表示路面上光通量的分布，定義為單位面積上接受了多少光通量。由此可以看出，照度數(shù)值與光線入射方向、照射面材質(zhì)、觀察者位置都沒有關(guān)系，只與燈具選擇(光通量、配光曲線)、燈具布置、照射面積等情況相關(guān)。

如圖6所示，無論斜射、垂直照射、亂射，只要單位面積上光通量分布的均勻，那么照度分布就是均勻的[2]。

亮度是人眼可感受到的物理量，它可以真實(shí)的反映駕駛員實(shí)際看到的情況，亮度數(shù)值與多種因素有關(guān)：亮度與入射光的方向有關(guān)；亮度與入射光的強(qiáng)度有關(guān)；亮度與照射面的材料有關(guān)；亮度與觀察者的角度有關(guān)。所以，相同配光，條件不同，我們看到的效果就不一樣。

如圖6所示，左右兩圖照度分布相同，但右邊的照度會(huì)比左邊照度產(chǎn)生更多的亮度[3]。(照度計(jì)測量結(jié)果相同，眼睛看到的亮度不同)

圖6 入射角不同的等照度分布Fig.6 Equal illuminance distribution under various incident angle

可見照度分布相同，亮度分布未必相同，大角度照度更容易產(chǎn)生亮度[4]。所以,，我們認(rèn)為：照度參數(shù)是人眼無法感知的物理量；亮度參數(shù)是人眼能夠感知的物理量；只要單位面積上光通量分布的均勻，無論斜射、垂直照射、亂射，照度分布都是均勻的；相同的照度分布未必會(huì)得到相同的亮度分布；對于路燈，我們應(yīng)該參考亮度分布，“燈下黑”就是由于亮度分布不均導(dǎo)致的。

1.3 影響亮度分布的各因素

總結(jié)亮度分布受客觀和主觀因素影響，其中客觀因素：觀察角度與路面材料特性，主觀因素：布燈參數(shù)與燈具配光，見圖7；由于亮度計(jì)算與燈具配光、路面反射特性、布燈參數(shù)都有關(guān)系，精確數(shù)據(jù)不宜測量得到，因此不便于理論計(jì)算，故我們將會(huì)采用直接亮度模擬的方式來還原各因素影響，找出燈下黑的原因。

2 “燈下黑”問題的參數(shù)分析

2.1 觀察角度

如圖8所示，使用同一燈具ies文件，當(dāng)變換觀察者的角度時(shí)，燈具的照度分布始終保持不變，而燈下點(diǎn)亮度會(huì)產(chǎn)生變化，我們?nèi)ˇ?80.5°、50°、0°分別進(jìn)行對比，得出：γ=80.5°時(shí)，L0=0.5Lmax；γ=50°時(shí)，L0=0.8Lmax；γ=0°時(shí)，L0=Lmax；其中γ為觀察角；L0為燈下點(diǎn)亮度值；Lmax為最大亮度值。可見，觀察角γ越大(距離越遠(yuǎn))，燈下亮度越低。

2.2 路面材料

道路表面可以視為一個(gè)與路面材料有關(guān)的漫射系統(tǒng)，燈具發(fā)出的光經(jīng)由路面漫反射后，被人眼感知而形成路面亮度。國際照明委員會(huì)(CIE)將路面劃分為R1、R2、R3、R4四類，其中R1具有漫反射光特性，如水泥路面；R2具有擴(kuò)散反射光特性，如粗礫石水泥路面；R3具有少量定向反射光特性，如瀝青路面，大多國內(nèi)主要城市道路隸屬這次分類；R4具有較多定向反射光特性，如磨損的瀝青路面(因長期輪胎打磨而變得光滑的路面)；針對大量定向反射光特性的潮濕路面CIE還劃分了W1-4的不同分類，不同等級(jí)間與路面濕度、積水大小都有關(guān)聯(lián)[5]。

如圖9所示，相同條件下，僅改變路面材料就會(huì)得到不同的亮度表現(xiàn)。路面材料的漫反射越多，燈下亮度越高；定向反射越多，燈下亮度越低。

1MH—1倍燈高的間距圖9 不同路面材料道路照明的亮度對比Fig.9 Road lighting luminance comparison with various road surface materials

2.3 布燈參數(shù)——距高比(s/h)

如圖10所示，相同條件下，分別針對s=4h、s=3.5h、s=3h的路燈間距做亮度仿真，燈間距越小，燈下點(diǎn)亮度就越高，說明減小距高比，可以提升相鄰路燈對燈下點(diǎn)的亮度補(bǔ)償，改善燈下黑現(xiàn)象。在實(shí)際的道路應(yīng)用中，為節(jié)能成本，很多施工方加大距高比，減少燈具數(shù)量，這樣就會(huì)造成燈下黑現(xiàn)象。為保證道路照明的亮度和亮度均勻度，燈距s與燈高h(yuǎn)的比值不應(yīng)超過：主干路3.5∶1、次干路4∶1、支路5∶1[7]。

2.4 布燈參數(shù)——逆光仰角

如圖11所示，相同條件，調(diào)整燈具在縱向的逆光角度可以改善燈下亮度，即設(shè)置逆光仰角。逆光仰角是從燈具中心逆向駕駛員視線方向出射的那部分光線，此部分光線可以產(chǎn)生更高的亮度和均勻性。國外曾經(jīng)嘗試研發(fā)使用HID光源的“逆光”照明來做路燈和隧道燈，取得了不錯(cuò)的效果。LED方向性強(qiáng)，易于控制，對于實(shí)現(xiàn)“逆光”照明的配光要求更為有利，因此值得研究和探討[2]。順光仰角可減少眩光，但亮度均勻性會(huì)變得更差，光利用效率下降。

1MH—1倍燈高的間距圖10 不同路燈間距道路照明亮度對比Fig.10 Road lighting Luminance comparioson under various road lamp inter-distance

2.5 燈具配光

不同的道路條件，應(yīng)設(shè)計(jì)不同的燈具配光。針對燈下黑，增加大角度出光(半角正切值>距高比)，可以提升相鄰路燈對燈下點(diǎn)的亮度補(bǔ)償，相當(dāng)于縮小了距高比[8](圖12)。增加大角度出光量的優(yōu)點(diǎn)：有利于解決燈下黑問題；有利于亮度均勻性(UO/UL)的提高；有利于提高光利用效率，節(jié)能高效；增加大角度出光量的缺點(diǎn)：增大眩光TI，I80超標(biāo)。所以在路燈設(shè)計(jì)中要根據(jù)應(yīng)用要求合理平衡亮度均勻性與眩光之間的關(guān)系。

1MH—1倍燈高的間距圖11 正常角度與逆光仰角道路照明亮度對比Fig.11 Road lighting luminance comparison with the normal angle and backlight elevation angle

1MH—1倍燈高的間距圖12 不同縱向角度配光時(shí)道路照明亮度對比Fig.12 Road lighting luminance comparison under various longitudinal angel light distribution

3 結(jié)論

燈下黑現(xiàn)象與“主觀”燈具、“客觀”環(huán)境直接相關(guān)，甚至單一因素即可導(dǎo)致此現(xiàn)象。從以上的亮度分析結(jié)果可以看出，造成燈下黑的主要原因有兩個(gè)方面，一是客觀因素：觀察角度大、路面材料(長期磨損導(dǎo)致的定向反射光過多)；二是主觀因素：不合理的燈具配光、布燈參數(shù)導(dǎo)致了相鄰路燈間無法亮度互補(bǔ)，導(dǎo)致燈下黑。我們可以通過三個(gè)方面來改善“燈下黑” 現(xiàn)象，即減小距高比；增加逆光仰角；增加大角度出光量。

[1] 葉榮南，葉丹，馬承柏.道路照明現(xiàn)場檢測方法研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2017,28(1):107-112

[2] 李本亮，谷歷文.LED道路照明路面照度測試系統(tǒng)的研制[J].照明工程學(xué)報(bào),2016,27(2):49-53.

[3] 王巍，葛愛明，邱鵬，等.基于路面亮度系數(shù)表的路燈配光優(yōu)化及透鏡設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào),2013,24(2):75-80.

[4] 王堯,劉華,荊雷,等.發(fā)光二極管道路照明的配光優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程,2012,20(7):1463-1468.

[5] 章海驄.道路照明水平下的人眼中間視覺[J].照明工程學(xué)報(bào),2009,20(增刊):1-8.

[6] 李鐵楠.關(guān)于修編CJJ45《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的說明[J].照明工程學(xué)報(bào),2016,27(4):8-11.

[7] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ 45—2015.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.