許 珂，孫 紅，徐 挺，龐 愷，郭春鳳，金 妍，居家奇

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201418）

路燈作為城市必備的基礎(chǔ)設(shè)施，在城市交通、生活、市貌等方面都是不可或缺的角色，有著不可取代的重要作用，但在發(fā)展過(guò)程中，難免出現(xiàn)各種問(wèn)題。有些過(guò)分追求照度和亮度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，帶來(lái)新的光污染問(wèn)題；有些只重視白天的樣式美觀，忽視了燈具的功能性，路燈建設(shè)的初衷慢慢被邊緣化。

傳統(tǒng)的道路照明技術(shù)，如高壓鈉燈或金鹵燈，都存在明顯的缺點(diǎn)。高壓鈉燈的顯色指數(shù)不高，而金鹵燈的色漂不易控制，兩者均無(wú)法瞬時(shí)熱啟動(dòng)，調(diào)光相對(duì)麻煩。同時(shí)，由于光源體積較大，燈具設(shè)計(jì)時(shí)光分布較難控制。這就是普通路燈通常具有諸如眩光、不均勻光圖案、向上反射光、光污染和能量浪費(fèi)等缺陷的原因。相比之下，由于LED的小尺寸和定向光發(fā)射，非成像光學(xué)器件可以重塑LED的光分布圖案，使其僅在需要的地方分布光。圖1是傳統(tǒng)路燈和精確配光路燈的示意圖。原則上，具有適當(dāng)設(shè)計(jì)的LED路燈可以提供僅覆蓋道路的矩形光分布，嚴(yán)格控制眩光，沒(méi)有光線(xiàn)漫射，沒(méi)有光照射到天空中。

從系統(tǒng)工程的觀念出發(fā)，燈具發(fā)光經(jīng)路面的反射進(jìn)入駕駛員的眼睛，引起視覺(jué)感應(yīng)，這個(gè)光傳遞過(guò)程是燈具發(fā)出的光經(jīng)路面的吸收和反射后，一小部分光線(xiàn)進(jìn)入眼睛照射到視網(wǎng)膜上，其光強(qiáng)作用于視覺(jué)細(xì)胞引起明亮感覺(jué)，人們看到的是亮度，而非照度。目前道路照明的亮度縱向均勻性并不高，其被描述為“斑馬紋效應(yīng)”，如圖2所示。這種效果很容易導(dǎo)致視覺(jué)疲勞，且不利于安全駕駛。

影響道路駕駛視覺(jué)感知的因素是路面平均亮度、整體水平照度均勻度和縱向均勻度、眩光閾值和顯色指數(shù)?？紤]到所有這些因素，將根據(jù)其反射特性同時(shí)分析路面上的照度和亮度，以獲得最佳照度分布、照度和亮度均勻度。然后，針對(duì)計(jì)算的照度分布執(zhí)行LED自由形狀透鏡的設(shè)計(jì)。最后，提出了一種照明設(shè)計(jì)方法，可以應(yīng)用于各種路面，實(shí)現(xiàn)理想的照度和亮度均勻性。

1 道路照明測(cè)試

1.1 測(cè)量地選擇

選擇一條在路燈照射范圍內(nèi)有較少遮擋物、光線(xiàn)比較充足的校園道路，符合基本測(cè)試要求。這條測(cè)試道路總長(zhǎng)45 m，路面寬9 m，路燈數(shù)量一共是4盞，以3×1.5一小格為基準(zhǔn)，一共112個(gè)照度測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量4盞路燈的光譜。對(duì)于地面水平照度來(lái)說(shuō)，測(cè)量方法簡(jiǎn)便且不受觀察位置的影響，只需將照度計(jì)的感光探頭水平放置在地表附近位置，保證探頭處光線(xiàn)不受遮擋，然后讀取照度穩(wěn)定時(shí)的度數(shù)即可，將其作為校園道路照明測(cè)量指標(biāo)之一。

由表1可知，在測(cè)量距離0 m、15 m、30 m、45 m處照度分別達(dá)到最高點(diǎn)，而在中間的3個(gè)區(qū)間里，照度下降非常明顯，由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)道路照度不均勻，出現(xiàn)了“斑馬紋效應(yīng)”。讓道路照明更加均勻，改善均勻度，是此次研究的主要任務(wù)。

1.2 均勻度測(cè)試結(jié)果

出現(xiàn)“斑馬紋效應(yīng)”的原因是照度均勻度值太小。均勻度值越大，且接近于1，說(shuō)明道路照明的照度均勻度越好，相反光線(xiàn)分布就越差。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地照度均勻度計(jì)算，得到測(cè)量道路的照度均勻度只有0.244，這個(gè)值并不滿(mǎn)足道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如何讓均勻度更完善，并且符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)是研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

2 Trace pro燈具建模

2.1 花生米透鏡

采用LED花生米透鏡的照明方法，以實(shí)現(xiàn)道路上照度和亮度的最佳均勻性。該方法基于路面的反射特性，根據(jù)最小二乘法分析照度和亮度的方差，獲得了照明設(shè)備的照度強(qiáng)度分布。整體均勻性和方差隨k變化，k為照度和亮度的比值?？紤]到照度和亮度的均勻性和方差，選擇最理想的k，在此選為10－3，然后得到最佳照度分布。結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了理想的道路照度和亮度均勻性，也滿(mǎn)足了眩光控制和SR的要求。

表1 現(xiàn)場(chǎng)路燈測(cè)試照度數(shù)據(jù) lx

2.2 建模結(jié)果

由花生米透鏡模型（見(jiàn)圖4）可以得到配光曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)圖案呈蝙蝠翼型（見(jiàn)圖5）。這種形狀的配光曲線(xiàn)使路燈在實(shí)際應(yīng)用中光照范圍更廣，角度更大，照度均勻度更加趨于標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)出現(xiàn)明顯的光斑及“斑馬紋效應(yīng)”。由生成的照度圖可知，花生米透鏡路燈的照明范圍窄且長(zhǎng)，路面的亮度比較均勻，滿(mǎn)足道路照明需求（見(jiàn)圖6）。

3 DIALux道路照明模擬

在DIALux軟件里選擇合適的道路標(biāo)準(zhǔn)后，導(dǎo)入建模路燈。為便于比較分析，各種外部參數(shù)設(shè)置與測(cè)量道路相同。

通過(guò)道路照明模擬得出的數(shù)據(jù)如圖7所示，道路照度均勻度和眩光閾值等數(shù)據(jù)都滿(mǎn)足道路照明標(biāo)準(zhǔn)。水平照度圖表顯示，模擬得出的照度數(shù)據(jù)更加均勻，更加符合需求。

對(duì)比測(cè)量照度圖和模擬道路圖可知，模擬照度比實(shí)地測(cè)量的照度更平緩，經(jīng)計(jì)算可得模擬道路的照度均勻度可達(dá)0.44，說(shuō)明模擬出的照度均勻度更好。

4 結(jié)論

路燈對(duì)市民的夜間活動(dòng)有很大的影響，路燈設(shè)置越合理，燈光環(huán)境越舒適，則越有利于出行安全。路燈作為城市的重要組成部分，其作用不言而喻，應(yīng)在符合城市生活需求的條件下，優(yōu)化路燈，改變路燈造型，讓夜景更美，給夜晚的城市錦上添花。對(duì)于原有道路照明改造，在不改變路燈間距和燈桿高度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適合路面實(shí)際情況的燈具配光將大大節(jié)約改造成本。從道路照明實(shí)際需求出發(fā)，采用燈具照明一體化設(shè)計(jì)模擬方式有助于對(duì)現(xiàn)有道路照明的高效改造。