結合路面實況、優化配光設計減少光污染

吳春海 鄭曉東 陳 新

(1.深圳市燈光環境管理中心，廣東深圳 518036;2.浙江大學光電信息工程學系，浙江杭州 310027)

1 前言

在生態學上，夜間使用光照明是最顯著的人類習性之一。人類使用夜間照明的原因很多，包括工作、出行、廣告、引導方向以及減少對黑暗的恐懼等。近年來我國快速發展的城市夜景照明在提高城市商業及景觀環境的同時也帶來一些問題，由于個別項目缺乏合理規劃和設計，審查環節把關不嚴，使光污染問題變得越來越突出［1，2］。根據王東等的調研，深圳市商業區照度的最大值為591lx，達到國際照明委員會CIE150標準E4區域25lx限值的20倍;休閑廣場最大照度達47lx，超過CIE150標準E3區域10lx限值的5倍。有57%的小區外側住宅窗表面照度超過 CIE150標準 E3區域10lx的限值［3］。可以說某些局部地區的光污染已經達到一種非常嚴重的地步。

過度的夜景照明將使生活在城市的孩子們無法體會星空的遼闊，宇宙的深遠，使廣大天文愛好者失去研究機會。所以，光污染的概念首先是由天文工作者認識到。最近人們更加重視的是“生態光污染”，光污染會影響鳥類的遷徙，海龜孵化，野生動物交配以及飼養習性，威脅生物多樣性。室外照明光的來源有:廣告、景觀照明、運動設施照明、道路照明及家庭照明。研究表明，道路照明是光污染最主要的來源［4］。常常有超過一半的光能浪費在光污染上。調查發現，關閉路燈能夠使天空亮度降低近一半。因此，優化道路照明設計是減少光污染的重要方面。半導體照明光源的迅速普及，使道路照明配光設計增加了新的自由度和優化參數。由于光電二極管 (LED)本身的發光體面積較小，與二次配光透鏡結合可以實現非常靈活的配光設計，可以使光斑形狀完美地匹配道路形狀，并實現路面照度的均勻分布。由此可大大減少光污染的發生。

2 道路和景觀照明與光污染

現在通用的路燈一般以高壓鈉燈或高壓汞燈為光源，大部分都在不需要照明的方向存在大量光泄露，引起眩光、上射光等，造成能源浪費。但具體光污染中有多少是由道路照明引起的尚未看到國內有具體的研究數據。在這里我們引用德國科學家Helga等對柏林地區光污染情況的調研來說明道路照明所帶來的光污染的問題［4］。

調查光污染數據一般有地面調查、航拍、衛星數據三種手段。地面調查一般需要耗費大量人力，而且僅限于獲得非常局部地區的數據，而衛星數據能夠覆蓋全球，但衛星數據的分辨率相對較低。為了獲得比較全面反映整個城市的光污染概況，同時兼顧相對較高的空間分辨率，Helga等采用的是航拍的方法。航拍圖像的分辨率為1m，利用圖像處理技術獲得城市光污染的主要來源。其測試結果表明，柏林地區道路照明對光污染的貢獻率為31.6%。加拿大的Hiscocks的研究結果是道路照明對光污染貢獻為 50%［5］。

圖1是現成實拍的傳統路燈照明效果圖。傳統路燈設計存在眩光嚴重、路面亮度不均勻、路面外光泄露嚴重等幾方面的問題。

圖1 傳統路燈照明效果示意圖Fig.1 Road illuminated by traditional luminaire

早在1999年，CIE就發行了CIE132－1999《道路照明設計方法》［6］，2000年又出版了 CIE140－2000《道路照明計算》［7］。這些出版物首先明確了照明的質量判斷標準，即目前國際通用的道路照明主要評價指標是:路面平均亮度Lav、亮度總均勻度Uo和縱向均勻度UL、眩光 (用閾值增量TI(%)表示)、環境比評價SR和光學引導性。照度僅用于評價道路兩側的步行區。

要減少道路照明光污染應首先考慮道路照明的目的。道路照明的目的是增加道路交通的安全性、流量和舒適性，通過照亮路面及其周圍環境使路面上的目標為駕駛員所見。司機所感受的路面亮度取決于兩個因素，照射道路的光源和路面材料對光的反射特性。我們觀察到路面有一定亮度是因為路燈所發出的光經過路面材料反射后進入了人眼。目前，國內多數研究工作均集中在光源，即路燈的配光分布等對道路照明質量的影響，而完全忽略了路面本身的反射特性。

既然亮度而非照度是道路照明設計的正確評價指標，在道路照明設計過程中需要將路燈配光分布與路面材料的反射系數相結合才能實現準確的路面照明設計［6，7］。如果設計中使用的路面亮度系數比實際低，將增加道路照明的能耗和建設成本，反之則所設計的路燈配置將達不到標準要求的亮度，增加交通事故發生的概率。只有了解路面反射特性才能夠優化路燈的配光設計和燈桿配置，提供安全、舒適、節能的照明環境。了解道路照明設計的基本要求之后，我們就可以充分優化路燈的配光設計，在充分滿足道路照明的前提下，最大限度地節能并減少光污染。

3 道路照明設計

十幾年前CIE在編寫出版物CIE132、CIE140時，一般路燈還很難實現隨心所欲的配光設計。道路照明設計師對路燈的配光設計沒有多少選擇余地。所以，CIE132、CIE140所給出的都是在已知路燈的配光及路面反射特性的前提下如何優化燈具分布以實現最優的亮度分布及光源利用效率。

CIE132和CIE140分別用I表和r表來表示。I表用于表示路燈的配光特性，r表用來表示路面的反射特性。為了道路照明設計的方便，CIE對I表和r表的數據點分布都給出了具體的規定，I表的格式如表1所示。

表1 用于道路照明設計的路燈配光I表數據格式［6］Table 1 I－table for road lighting luminaire

r表所表示的是不同角度時路面簡化亮度系數［6］。路面亮度系數q(β，γ)為對于某個入射方向 (β，γ)的光線路面亮度與光所產生的水平照度之比L/E。路面亮度和光線在考察面上的入射角度余弦的三次方成正比。為了計算方便，一般將光源與考察點連線與路面法線的夾角，即光線入射角余弦的三次方與亮度系數q的乘積定義為簡化亮度系數:

r表的數據格式見參考文獻［6－8］。

路面反射特性的定義與司機對道路的使用狀態直接相關。司機所關注的范圍主要是其前方60－100m的范圍，綜合各種不同車輛的高度，司機視點高度約離路面1.5m。

路面的反射特性取決于所鋪設的材料、路面的干、濕和材料磨損程度，包括使用年限和在車道中的具體位置。比如，道路中間線附近所受磨損的程度會遠低于車道邊緣對應車輪部分的磨損情況。

已知I表和r表，即確定所用路燈和路面反射特性之后即可計算路面亮度分布。計算公式是:

式中:β，C和γ為光線的角度;

h:路燈安裝高度;

q(β，γ):路面亮度系數。

圖2 各向同性光源在路面產生的等亮度分布曲線Fig.2 Relative isoluminance diagram

盡管CIE給出了非常完備的道路照明設計方法，但遺憾的是這些設計方法在我國很少獲得實際應用。在多數情況下，人們仍習慣用路面照度作為評價道路照明質量的評價指標［8］。很少有人關心路面的實際反射特性。和人們想象的很不相同，由于駕駛員的視線是沿路長方向延伸的。路面的反射系數在司機朝向路燈的方向和離開路燈的方向是不一樣的，如圖2所示。圖2是當光源配光為各向同性，即每個方向的發光強度均相等時路面的亮度分布。黑點處 (0，0)為路燈安裝位置，X處為亮度最大點。圖中的坐標均以路燈安裝高度h為單位。由圖2可見，對各向同性光源，路面最大的亮度點并不在路燈正下方，而是在距離路燈1h處，偏向駕駛員駛來的方向，即圖的右側。這很容易理解，因為道路表面對燈光總存在部分鏡面反射，對于自右向左行駛的駕駛員來說，路燈右側路面的鏡面反射會增加路面亮度，而路燈左側的鏡面反射會降低路面亮度。在圖左側，偏離路燈安裝位置3h處，路面亮度已經降低到最大亮度的2%以下，如果僅考慮單燈照明其結果是非常不均勻的。這很像高壓鈉燈路燈的路面亮度分布情況。圖3是傳統高壓鈉燈的配光分布測量結果。在燈罩所限制的發光角度內，在C0/180平面各方向的發光強度大致相同;通過調整燈的仰角，在C90/270平面內配光曲線峰值向道路一方偏轉，有利于改善道路照明均勻性，減少眩光。由圖2可知，這樣的配光設計所產生的路面亮度是非常不均勻的。

圖3 傳統高壓鈉燈路燈的典型配光分布Fig.3 Typical radiation pattern of high－pressure Sodium lamp road lighting luminaire

為了改進路燈的光能利用率，針對LED器件發光面小，易于實現更合理配光分布的特點。人們開發了各種各樣所謂蝙蝠型配光分布，如圖4所示。這樣的分布改善了道路照明的照度均勻性，但仍未考慮路面本身的反射特性。所以一般情況下，蝙蝠兩個翼是對稱的。這顯然和圖2所給出的路面非對稱反射特性不相匹配。

圖4 LED路燈的典型配光分布Fig.4 Typical radiation pattern of LED road lighting luminaire

為了獲得真正亮度均勻的配光分布，必須綜合考慮路燈配光和所對應路面的反射特性兩個因素，在路燈配光設計階段就將道路照明設計的因素考慮在內。在圖5中，根據對深圳市濱海休閑帶路面材料亮度系數的實際測量結果［9］，我們給出了一個理想的路燈配光設計方案。圖5的橫軸為路長方向，縱軸為路寬方向。刻度單位為路燈安裝高度h。圖中的等高線為路面各點所對應的路燈發光強度數值。由于僅為說明在綜合考慮路面亮度系數的情況下，路燈應有的優化配光設計，圖5的設計結果中未考慮多燈疊加的照明效果。

圖5 結合路面反射系數后路燈的最佳配光分布Fig.5 Optimized luminous intensity distribution of a road lighting luminaire based on luminance coefficient of specific road surface

由圖5的等高線分布可見，路燈的配光不僅僅在C0/180面內是非對稱的，在其它方向也是非對稱的，發光強度的最大值出現在圖5的右上角位置。右上角所對應的發光強度幾乎為左上角的1倍。在考慮多燈合成的情況下，由于相鄰兩燈相互疊加，對這種非對稱的要求會有所減輕。

最近，臺灣和墨西哥的研究工作者就設計了一種利用微透鏡陣列的路燈，能夠在提供良好照明的前提下，將光源的光能利用效率從原來的58%大幅度提高到81%，大大減少了光污染［10］，引起世界多個媒體的廣泛報道。

4 結論

傳統上，路燈設計和道路照明設計是分立的、不相關的兩部分工作。路燈設計由路燈廠家完成，不考慮實際的路面反射特性;而道路照明由路政設計部門完成，其工作是在已知路燈配光分布和路面反射特性的前提下通過如何通過布燈優化路面亮度均勻性和光源的光能利用率。本課題組根據對深圳濱海地帶路面材料亮度系數的測量結果，提出將路燈設計和道路照明設計合二為一，即在路燈設計階段就將路面材料的反射特性考慮到路燈的配光設計中。這樣能夠大幅度提高實際的路面亮度均勻性，同時可以大幅度增加路燈的光能利用率，減少光污染。

致謝

本項目獲得國家科技支撐計劃課題“LED燈具在線檢測、光譜分布與現場測試方法及設備研究”的資助，謹在此表示衷心感謝。

［1］朱平，肖輝，馬振，等.城市商務區夜景照明亮度問題的思考［J］.照明工程學報，2012，23(10):23～28.

［2］劉鳴，張寶剛，潘曉寒，等.城市照明規劃中光污染評價指標與方法研究［J］.照明工程學報，2012，23(8):22～27，55.

［3］王東，等.深圳市夜間光污染狀況調查及對策研究［J］.中國環境管理，2013，2:36－40.

［4］K.Helga，K Christopher，R.Thomas，et al..Aerial survey and spatial analysis of sources of light pollution in Berlin，Germany，Remote Sens.Environ.，2012，126(11):39－50.

［5］P.D.Hiscocks，S.Guomundsson.The contribution of street lighting to light pollution［J］.Journal of the Royal Astronomical Society of Canada，2010，104(5):190－196.

［6］I.M.Bonomo.DESIGN METHODS FOR LIGHTING OF ROADS，CIE 132－1999.

［7］W.Adrian，et al..Road Lighting Calculations.CIE 140－2000，p.1.

［8］李鐵楠，等.城市道路照明設計標準，CJJ 45－2006.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［9］吳春海，吳貴才，陳新，等.深圳市典型路面材料亮度系數的初步測量［J］.照明工程學報，2012，23(12):47～50.

［10］X.H.Lee，I.Moreno，C.C.Sun.High－performance LED street lighting using microlens arrays［J］.Optics Express，2013，21(9):10612－10621.