路燈照明的原理
路燈光除了照射路面和人行道之外，其余均為無(wú)用光并對(duì)環(huán)境造成污染，因此燈具的設(shè)計(jì)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(jiàn)，路燈光除了照射路面和人行道之外，其余均為無(wú)用光并對(duì)環(huán)境造成污染，因此燈具的設(shè)計(jì)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(gè)平面，但是微觀的看路面有許許多多‘小洼兜’。沒(méi)有這些‘小洼兜’，汽車行駛在路面上摩擦力變小，會(huì)打滑;有了這些‘小洼兜’，便形成了路面照明的許多特點(diǎn)。
（2）
(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(gè)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(lái)越多，微觀形狀的影響越來(lái)越小，即漫反射的成分變小，而規(guī)則反射所占比重越來(lái)越大;形成了以反射光居多的部分漫反射光。也就是說(shuō)：在大角度入射光照射下，當(dāng)路面得到相同的照度時(shí)，它具有更大的亮度值。
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(gè)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(lái)越多，微觀形狀的影響越來(lái)越小，即漫反射的成分變小，而規(guī)則反射所占比重越來(lái)越大;形成了以反射光居多的部分漫反射光。也就是說(shuō)：在大角度入射光照射下，當(dāng)路面得到相同的照度時(shí)，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(duì)路面的漫反射狀況也有影響;因?yàn)榕f路面的顏色變淺，減少路面的吸收，增大反射比重;同時(shí)
舊路面洼兜部分變小，積塵的路面使洼兜變淺，兩者都會(huì)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(chǎng)景
這是我們最關(guān)心的，因?yàn)樗P(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(guó)和國(guó)際上將觀察視線定為水平向下1°; 根據(jù)大小車司機(jī)的座位高度的綜合考慮，司機(jī)眼睛的高度定為1.5米(美國(guó)為1.45米)。 在此規(guī)定下，駕駛員視點(diǎn)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(xiàn);
圖4 多燈照明的綜合效果
(3)人眼所看到的東西是動(dòng)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(dòng)，讓視網(wǎng)膜黃斑掃過(guò)路面的各個(gè)角落。大腦把所獲得的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)累加，就得到了我們所感覺(jué)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(jué)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(jiàn)，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(jìn)入人眼，人眼感覺(jué)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(qiáng)被人眼所感知的亮度而非照射到路面的光通量(或光強(qiáng))所呈現(xiàn)的照度。
(1)路面照度為路面各點(diǎn)被照射后所產(chǎn)生的照度，它與路面的性質(zhì)無(wú)關(guān)，也不是進(jìn)入眼瞳的那部分光線所引起的視覺(jué)感應(yīng);
照度表示式為：
E=(dI ?cosγ) /r 2=(dI/r。) ?cos 3γ
dI—照射到該點(diǎn)的光強(qiáng)，
r。—路燈發(fā)光口面中心至路面的垂直距離
γ—路面被照點(diǎn)，其入射光線對(duì)路面垂線的夾角; 路面平均照度則為路面各點(diǎn)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(diǎn)的散射光，有一小部分進(jìn)入觀測(cè)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(qiáng)。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(cè)者觀測(cè)到的路面各點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)入眼瞳的光線占漫射光的比重小，形成燈下點(diǎn)的照度雖然很高，但是駕駛員感覺(jué)它的亮度并不是很高; 而前方稍遠(yuǎn)處，入射角度大，它的漫射光的主體部分的角度也大，此時(shí)進(jìn)入眼瞳的光線占漫射光的比重較大。因此，看起來(lái)較亮。(見(jiàn)圖6)
圖6 路燈照明實(shí)景圖
照度均勻的路面，其亮度不一定均勻;燈下點(diǎn)的照度最大，但是，看起來(lái)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(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)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(duì)眼睛來(lái)說(shuō)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(shuō)來(lái)，逆向光照明(相對(duì)于駕駛方向而言)對(duì)路面光貢獻(xiàn)大，而順向光照明對(duì)路面光的貢獻(xiàn)小很多，因?yàn)檎己艽蟊戎氐囊?guī)則反射部分并沒(méi)有進(jìn)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(duì)路面光有貢獻(xiàn)，只是有的貢獻(xiàn)太小，可忽略不計(jì)。
七 目標(biāo)的辨認(rèn)
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(shí)還不能說(shuō)兩者就沒(méi)有差異，因?yàn)椋碚髂繕?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(gè)——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(zhǎng)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(shí)。但是，在黃光照射的路面上如果二者亮度相同便無(wú)法被分辨，這是高壓鈉燈的致命弱點(diǎn)。