路燈的照明機理

摘要：路燈光除了照射路面和人行道之外，其余均為無用光并對環(huán)境造成污染，因此燈具的設(shè)計應(yīng)力求將燈光投射到路面和人行道上。

?? 路燈光除了照射路面和人行道之外，其余均為無用光并對環(huán)境造成污染，因此燈具的設(shè)計應(yīng)力求將燈光投射到路面和人行道上。

　　一　路燈的光分布

　　從下圖可見，路燈光除了照射路面和人行道之外，其余均為無用光并對環(huán)境造成污染，因此燈具的設(shè)計應(yīng)力求將燈光投射到路面和人行道上。

　　圖1 路燈光分布

　　二　路面分析

　　宏觀地看路面是一個平面，但是微觀的看路面有許許多多‘小洼兜’。沒有這些‘小洼兜’，汽車行駛在路面上摩擦力變小，會打滑;有了這些‘小洼兜’，便形成了路面照明的許多特點。

　　圖2 路面照明光反射圖

　　(1)光線射到路面后，部分被吸收，部分被反射，反射的狀況與路面的形狀有關(guān);由于路面宏觀地看基本上是個平面，因此，相當(dāng)一部分光線大致遵從反射定律。其反射角大致與入射角相近;

　　(2)由于地面的微觀形狀是不規(guī)則的、凹凸不平的，因此光線射到此處后形成漫反射;

　　(3)隨著光線入射角度的增大，洼兜處被遮擋的部分越來越多，微觀形狀的影響越來越小，即漫反射的成分變小，而規(guī)則反射所占比重越來越大;形成了以反射光居多的部分漫反射光。也就是說：在大角度入射光照射下，當(dāng)路面得到相同的照度時，它具有更大的亮度值。

　　圖3 照明光大角度入射

　　(4)路面的新舊和干凈與否對路面的漫反射狀況也有影響;因為舊路面的顏色變淺，減少路面的吸收，增大反射比重;同時

　　舊路面洼兜部分變小，積塵的路面使洼兜變淺，兩者都會增大規(guī)則反射的比重。

　　(5)有雨水的路面洼兜被水面填平，鏡面反射的比重大大增多，形成了刺眼的路面反射光。

　　三　駕駛員的觀察場景

　　這是我們最關(guān)心的，因為它關(guān)系到行車安全和速度。

　　(1)駕駛員觀察視線的確定：

　　根據(jù)安全剎車距離和駕駛員觀察舒適性的綜合考慮，我國和國際上將觀察視線定為水平向下1°; 根據(jù)大小車司機的座位高度的綜合考慮，司機眼睛的高度定為1.5米(美國為1.45米)。 在此規(guī)定下，駕駛員視點位于前方86米處;

　　(2)駕駛員看到的是路面上各路燈照射到路面后的綜合效果，而不是單一路燈的貢獻;

　　圖4 多燈照明的綜合效果

　　(3)人眼所看到的東西是動態(tài)的，人眼是眼睛和大腦的組合，眼睛持續(xù)不斷把圖象信息傳遞給大腦，并且眼睛在不停的轉(zhuǎn)動，讓視網(wǎng)膜黃斑掃過路面的各個角落。大腦把所獲得的信息進行動態(tài)累加，就得到了我們所感覺到的圖象了。因此，雖然黃斑面積比較小，但是我們依然可以感覺到比一次成象要清晰很多，并且視野大很多的圖象。

　　四　駕駛員感知的是目標(biāo)和路面的亮度而非路面照度

　　圖5 路面照度與路面亮度

　　由圖5可見，照度指的是路面受照后單位面積所獲取的光通量，它并未進入人眼，人眼感覺到的是照明光經(jīng)路面和目標(biāo)漫反射后，射入眼瞳的那部分光強被人眼所感知的亮度而非照射到路面的光通量(或光強)所呈現(xiàn)的照度。

　　(1)路面照度為路面各點被照射后所產(chǎn)生的照度，它與路面的性質(zhì)無關(guān)，也不是進入眼瞳的那部分光線所引起的視覺感應(yīng);

　　照度表示式為：

　　E=(dI ?cosγ) /r 2=(dI/r。) ?cos 3γ

　　dI—照射到該點的光強，

　　r?！窡舭l(fā)光口面中心至路面的垂直距離

　　γ—路面被照點，其入射光線對路面垂線的夾角; 路面平均照度則為路面各點照度的平均值：

　　Eav=ΣE/n

　　(2)路面亮度的形成則與路面性質(zhì)有關(guān)，入射光照到路面后、部分被吸收、部分發(fā)生散射;被照路面各點的散射光，有一小部分進入觀測者的眼瞳，在視網(wǎng)膜產(chǎn)生亮度，亮度公式(3)如下：

　　L—路面亮度。單位cd/m2 (坎德拉/米平方)或nit(尼特)

　　dI—眼睛觀察方向的光強。單位cd(坎德拉)

　　ds·cosα—光源在該觀察方向的垂面上的投影面積。

　　路面平均亮度則為觀測者觀測到的路面各點亮度的平均值： Lav= ∑L/n

　　五　照射光方向?qū)α炼鹊挠绊?/P>

　　從上述分析可以看出：燈下點的入射光角度小，其漫反射光的主體部分的出射角度也小，而駕駛員視線是水平向下1°(相當(dāng)于接收大角度出射光)因此，進入眼瞳的光線占漫射光的比重小，形成燈下點的照度雖然很高，但是駕駛員感覺它的亮度并不是很高; 而前方稍遠處，入射角度大，它的漫射光的主體部分的角度也大，此時進入眼瞳的光線占漫射光的比重較大。因此，看起來較亮。(見圖6)

　　圖6 路燈照明實景圖

　　照度均勻的路面，其亮度不一定均勻;燈下點的照度最大，但是，看起來卻較暗。

　　六　路燈照明光之光路分析

　　圖7 路燈照明光之光路分析

　　照明光射到路面后部分被吸收、部分漫反射(如圖7所示)，一簇光線射向天空和環(huán)境成了污染光;射入人眼眼瞳的那部分光線形成了路面光，對于駕駛員來說這才是有用光;許許多多路面光組成路面背景光;

　　還有部分光線直接射入眼瞳，較亮;它在視網(wǎng)膜產(chǎn)生一層光幕，圖6中所示之眩光為直接眩光，對眼睛來說這是雜散光，它降低了信噪比，產(chǎn)生失能眩光;它由該眩光在眼瞳產(chǎn)生的照度、以及路面平均亮度和觀察者的年齡所決定。

　　一般說來，逆向光照明(相對于駕駛方向而言)對路面光貢獻大，而順向光照明對路面光的貢獻小很多，因為占很大比重的規(guī)則反射部分并沒有進入駕駛員的眼瞳。

　　所有照射光經(jīng)路面散射后都有部分漫反射光對路面光有貢獻，只是有的貢獻太小，可忽略不計。

　　七　目標(biāo)的辨認

　　圖8 目標(biāo)的辨認

　　(1)用對比度C表示：

　　當(dāng)目標(biāo)光和路面光的差異越大，目標(biāo)看得越清楚;當(dāng)目標(biāo)光和路面光的亮度一樣時還不能說兩者就沒有差異，因為，表征目標(biāo)的亮度特征除了亮度外、還有它的顏色特征，據(jù)孟塞爾表色系，顏色的表觀特征有三個——明度、色調(diào)和彩度(色彩飽和度);三者分別與CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)的亮度、主波長和顏色純度相當(dāng)。即使目標(biāo)和背景的明度相同，若色調(diào)或彩度不同，則目標(biāo)照樣可以被分辨。就如一只黃色小狗在白光照射的路面上，即使其亮度和路面亮度相同，也照樣可以被分辨一樣，這是常識。但是，在黃光照射的路面上如果二者亮度相同便無法被分辨，這是高壓鈉燈的致命弱點。

　　(2)用調(diào)制度CT表示：

　　此式表示了光信號的信噪比;也是對比(模量)傳遞函數(shù)中的對比(調(diào)制)度，它比公式(1)更貼切、更科學(xué)地表示了目標(biāo)信號的可識別性。