LED道路照明“燈下黑”問題的分析

潘怡蕾，劉超博，王洪波，衛慶軍

(1.蘇州市吳江區城市管理局，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”在道路照明中經常會遇到，即遠看燈下是暗的，嚴重時就會產生斑馬效應，導致駕駛員的眼睛視覺靈敏度下降，不易覺察出前方的目標和障礙物，甚至引發交通事故。而道路照明的目的是讓機動車駕駛員和行人看清路面、避免交通事故的發生[1-5]。根據CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》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大于0.4，亮度縱向均勻度應大于0.7[6-7]。LED道路照明中產生“燈下黑”問題本質上是由于縱向亮度均勻度不夠，根據LED路燈實際使用情況來看，縱向亮度均勻度要接近0.8時“燈下黑”現象才能被消除。

1 產生“燈下黑”現象的因素

1.1 照度分布與亮度分布

如圖1所示，此款路燈為實際道路場景拍攝，從遠距離觀察，燈下點亮度低，靠近觀察者位置的路燈之間亮度更高，即所謂燈下黑現象。

圖1 實際道路照明效果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行道路場景仿真，照度分布如圖2所示，其照度最大值出現在燈下點位置，并且左右光斑分布對稱，按常規理解來看，照度更高的地方，亮度值也會更高，這與我們實際看到燈下黑現象并不相符。

我們再模擬此款路燈的亮度分布，如圖3所示，最亮點不在燈下，且分布不對稱，最亮點靠近駕駛員一側，總結具有以下特征：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最亮點不在燈下(燈下約50%)。

為何縱向對稱的配光在亮度模擬時出現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行模擬仿真。如圖4所示，4款配光區分明顯，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款都為縱向對稱配光)亮度具有“偏移性”，并非對稱分布于路燈縱向兩側。

完成單燈亮度分布對比，再進行多燈仿真，見圖5，可發現每盞路燈照亮區域更偏向于路燈的縱向一側，并非兩邊，這與我們實際拍攝的效果也最為接近，說明我們人眼看到的并非是照度分布，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，照度數值與光線入射方向、照射面材質、觀察者位置都沒有關系，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。

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，它可以真實的反映駕駛員實際看到的情況，亮度數值與多種因素有關：亮度與入射光的方向有關；亮度與入射光的強度有關；亮度與照射面的材料有關；亮度與觀察者的角度有關。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，但右邊的照度會比左邊照度產生更多的亮度[3]。(照度計測量結果相同，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生亮度[4]。所以,，我們認為：照度參數是人眼無法感知的物理量；亮度參數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得到相同的亮度分布；對于路燈，我們應該參考亮度分布，“燈下黑”就是由于亮度分布不均導致的。

1.3 影響亮度分布的各因素

總結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：布燈參數與燈具配光，見圖7；由于亮度計算與燈具配光、路面反射特性、布燈參數都有關系，精確數據不宜測量得到，因此不便于理論計算，故我們將會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”問題的參數分析

2.1 觀察角度

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

2.2 路面材料

道路表面可以視為一個與路面材料有關的漫射系統，燈具發出的光經由路面漫反射后，被人眼感知而形成路面亮度。國際照明委員會(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，不同等級間與路面濕度、積水大小都有關聯[5]。

如圖9所示，相同條件下，僅改變路面材料就會得到不同的亮度表現。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——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，燈下點亮度就越高，說明減小距高比，可以提升相鄰路燈對燈下點的亮度補償，改善燈下黑現象。在實際的道路應用中，為節能成本，很多施工方加大距高比，減少燈具數量，這樣就會造成燈下黑現象。為保證道路照明的亮度和亮度均勻度，燈距s與燈高h的比值不應超過：主干路3.5∶1、次干路4∶1、支路5∶1[7]。

2.4 布燈參數——逆光仰角

如圖11所示，相同條件，調整燈具在縱向的逆光角度可以改善燈下亮度，即設置逆光仰角。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，此部分光線可以產生更高的亮度和均勻性。國外曾經嘗試研發使用HID光源的“逆光”照明來做路燈和隧道燈，取得了不錯的效果。LED方向性強，易于控制，對于實現“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，應設計不同的燈具配光。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的亮度補償，相當于縮小了距高比[8](圖12)。增加大角度出光量的優點：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，節能高效；增加大角度出光量的缺點：增大眩光TI，I80超標。所以在路燈設計中要根據應用要求合理平衡亮度均勻性與眩光之間的關系。

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道路照明亮度對比Fig.12 Road lighting luminance comparison under various longitudinal angel light distribution

3 結論

燈下黑現象與“主觀”燈具、“客觀”環境直接相關，甚至單一因素即可導致此現象。從以上的亮度分析結果可以看出，造成燈下黑的主要原因有兩個方面，一是客觀因素：觀察角度大、路面材料(長期磨損導致的定向反射光過多)；二是主觀因素：不合理的燈具配光、布燈參數導致了相鄰路燈間無法亮度互補，導致燈下黑。我們可以通過三個方面來改善“燈下黑” 現象，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.道路照明現場檢測方法研究[J].照明工程學報,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的研制[J].照明工程學報,2016,27(2):49-53.

[3] 王巍，葛愛明，邱鵬，等.基于路面亮度系數表的路燈配光優化及透鏡設計[J].照明工程學報,2013,24(2):75-80.

[4] 王堯,劉華,荊雷,等.發光二極管道路照明的配光優化設計[J].光學精密工程,2012,20(7):1463-1468.

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

[6] 李鐵楠.關于修編CJJ45《城市道路照明設計標準》的說明[J].照明工程學報,2016,27(4):8-11.

[7] 城市道路照明設計標準：CJJ 45—2015.北京：中國建筑工業出版社，2016.