路灯的照明机理

摘要：路灯光除了照射路面和人行道之外，其余均为无用光并对环境造成污染，因此灯具的设计应力求将灯光投射到路面和人行道上。

   路灯光除了照射路面和人行道之外，其余均为无用光并对环境造成污染，因此灯具的设计应力求将灯光投射到路面和人行道上。

　　一　路灯的光分布

　　从下图可见，路灯光除了照射路面和人行道之外，其余均为无用光并对环境造成污染，因此灯具的设计应力求将灯光投射到路面和人行道上。

　　图1 路灯光分布

　　二　路面分析

　　宏观地看路面是一个平面，但是微观的看路面有许许多多‘小洼兜’。没有这些‘小洼兜’，汽车行驶在路面上摩擦力变小，会打滑;有了这些‘小洼兜’，便形成了路面照明的许多特点。

　　图2 路面照明光反射图

　　(1)光线射到路面后，部分被吸收，部分被反射，反射的状况与路面的形状有关;由于路面宏观地看基本上是个平面，因此，相当一部分光线大致遵从反射定律。其反射角大致与入射角相近;

　　(2)由于地面的微观形状是不规则的、凹凸不平的，因此光线射到此处后形成漫反射;

　　(3)随着光线入射角度的增大，洼兜处被遮挡的部分越来越多，微观形状的影响越来越小，即漫反射的成分变小，而规则反射所占比重越来越大;形成了以反射光居多的部分漫反射光。也就是说：在大角度入射光照射下，当路面得到相同的照度时，它具有更大的亮度值。

　　图3 照明光大角度入射

　　(4)路面的新旧和干净与否对路面的漫反射状况也有影响;因为旧路面的颜色变浅，减少路面的吸收，增大反射比重;同时

　　旧路面洼兜部分变小，积尘的路面使洼兜变浅，两者都会增大规则反射的比重。

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

　　三　驾驶员的观察场景

　　这是我们最关心的，因为它关系到行车安全和速度。

　　(1)驾驶员观察视线的确定：

　　根据安全刹车距离和驾驶员观察舒适性的综合考虑，我国和国际上将观察视线定为水平向下1°; 根据大小车司机的座位高度的综合考虑，司机眼睛的高度定为1.5米(美国为1.45米)。 在此规定下，驾驶员视点位于前方86米处;

　　(2)驾驶员看到的是路面上各路灯照射到路面后的综合效果，而不是单一路灯的贡献;

　　图4 多灯照明的综合效果

　　(3)人眼所看到的东西是动态的，人眼是眼睛和大脑的组合，眼睛持续不断把图象信息传递给大脑，并且眼睛在不停的转动，让视网膜黄斑扫过路面的各个角落。大脑把所获得的信息进行动态累加，就得到了我们所感觉到的图象了。因此，虽然黄斑面积比较小，但是我们依然可以感觉到比一次成象要清晰很多，并且视野大很多的图象。

　　四　驾驶员感知的是目标和路面的亮度而非路面照度

　　图5 路面照度与路面亮度

　　由图5可见，照度指的是路面受照后单位面积所获取的光通量，它并未进入人眼，人眼感觉到的是照明光经路面和目标漫反射后，射入眼瞳的那部分光强被人眼所感知的亮度而非照射到路面的光通量(或光强)所呈现的照度。

　　(1)路面照度为路面各点被照射后所产生的照度，它与路面的性质无关，也不是进入眼瞳的那部分光线所引起的视觉感应;

　　照度表示式为：

　　E=(dI •cosγ) /r ²=(dI/r。) •cos ³γ

　　dI—照射到该点的光强，

　　r。—路灯发光口面中心至路面的垂直距离

　　γ—路面被照点，其入射光线对路面垂线的夹角; 路面平均照度则为路面各点照度的平均值：

　　Eav=ΣE/n

　　(2)路面亮度的形成则与路面性质有关，入射光照到路面后、部分被吸收、部分发生散射;被照路面各点的散射光，有一小部分进入观测者的眼瞳，在视网膜产生亮度，亮度公式(3)如下：

　　L—路面亮度。单位cd/m² (坎德拉/米平方)或nit(尼特)

　　dI—眼睛观察方向的光强。单位cd(坎德拉)

　　ds·cosα—光源在该观察方向的垂面上的投影面积。

　　路面平均亮度则为观测者观测到的路面各点亮度的平均值： Lav= ∑L/n

　　五　照射光方向对亮度的影响

　　从上述分析可以看出：灯下点的入射光角度小，其漫反射光的主体部分的出射角度也小，而驾驶员视线是水平向下1°(相当于接收大角度出射光)因此，进入眼瞳的光线占漫射光的比重小，形成灯下点的照度虽然很高，但是驾驶员感觉它的亮度并不是很高; 而前方稍远处，入射角度大，它的漫射光的主体部分的角度也大，此时进入眼瞳的光线占漫射光的比重较大。因此，看起来较亮。(见图6)

　　图6 路灯照明实景图

　　照度均匀的路面，其亮度不一定均匀;灯下点的照度最大，但是，看起来却较暗。

　　六　路灯照明光之光路分析

　　图7 路灯照明光之光路分析

　　照明光射到路面后部分被吸收、部分漫反射(如图7所示)，一簇光线射向天空和环境成了污染光;射入人眼眼瞳的那部分光线形成了路面光，对于驾驶员来说这才是有用光;许许多多路面光组成路面背景光;

　　还有部分光线直接射入眼瞳，较亮;它在视网膜产生一层光幕，图6中所示之眩光为直接眩光，对眼睛来说这是杂散光，它降低了信噪比，产生失能眩光;它由该眩光在眼瞳产生的照度、以及路面平均亮度和观察者的年龄所决定。

　　一般说来，逆向光照明(相对于驾驶方向而言)对路面光贡献大，而顺向光照明对路面光的贡献小很多，因为占很大比重的规则反射部分并没有进入驾驶员的眼瞳。

　　所有照射光经路面散射后都有部分漫反射光对路面光有贡献，只是有的贡献太小，可忽略不计。

　　七　目标的辨认

　　图8 目标的辨认

　　(1)用对比度C表示：

　　当目标光和路面光的差异越大，目标看得越清楚;当目标光和路面光的亮度一样时还不能说两者就没有差异，因为，表征目标的亮度特征除了亮度外、还有它的颜色特征，据孟塞尔表色系，颜色的表观特征有三个——明度、色调和彩度(色彩饱和度);三者分别与CIE1931标准色度学系统的亮度、主波长和颜色纯度相当。即使目标和背景的明度相同，若色调或彩度不同，则目标照样可以被分辨。就如一只黄色小狗在白光照射的路面上，即使其亮度和路面亮度相同，也照样可以被分辨一样，这是常识。但是，在黄光照射的路面上如果二者亮度相同便无法被分辨，这是高压钠灯的致命弱点。

　　(2)用调制度CT表示：

　　此式表示了光信号的信噪比;也是对比(模量)传递函数中的对比(调制)度，它比公式(1)更贴切、更科学地表示了目标信号的可识别性。