基于視網(wǎng)膜照度的路面照明效率分析

趙海天，姚 其，鄺志斌，關(guān)雪峰，施世濤，胡艷鵬，田 野

深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，深圳 518060

基于視網(wǎng)膜照度的路面照明效率分析

趙海天，姚 其，鄺志斌，關(guān)雪峰，施世濤，胡艷鵬，田 野

深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，深圳 518060

將道路照明方式按高燈位順向、低燈位順向、高燈位逆向和低燈位逆向分類，基于視網(wǎng)膜照度，分別在二維平面、道路空間以及規(guī)則反射、漫反射條件下進(jìn)行照明效率分析.結(jié)果表明，目前占主流地位的傳統(tǒng)照明形式并非最佳照明方式，存在巨大的提升照明效率的空間.對(duì)于快速道路的路面照明，低燈位逆向照明方式的照明效率高于其他照明方式.這一結(jié)論為節(jié)能和開(kāi)發(fā)超越現(xiàn)行照明形式的新型照明方式提供了理論基礎(chǔ).

建筑光學(xué);道路照明節(jié)能;照明方式;亮度;逆向照明;照明效率;節(jié)約能源

路面是駕駛員觀察前方障礙物的主要背景，機(jī)動(dòng)車駕駛員眼睛直接感受到的是路面亮度而不是照度，路面亮度水平直接影響到其視覺(jué)舒適程度和觀察前方物體的效果，提供必要的路面亮度［1］和亮度均勻度是快速道路照明的基本要求［2］.道路照明具有不同的照明方式［3］，每種照明方式 (包括照射方向、燈具位置和配光曲線)會(huì)產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的路面亮度［4］，提高照明效率是道路照明節(jié)能的主要途徑.在光源總輸出能量及目標(biāo)物不變的條件下，改變照明方式，可改善路面亮度，得到不同的照明效率［5］.本研究基于視網(wǎng)膜照度，分別在二維平面和三維道路空間比較不同照明方式對(duì)路面照明效率的影響.

1 規(guī)則反射條件下二維照明效率比較

現(xiàn)行道路照明采用蝙蝠型配光［6］，如圖1.光強(qiáng)矢量可分解為向左、向右兩部分光強(qiáng)，分別對(duì)應(yīng)與機(jī)動(dòng)車行駛方向相同及相反的照射方向.

圖1 典型路燈配光曲線及其分解Fig.1 Typical road lamp photometric curve and its decomposition

光源照射方向與機(jī)動(dòng)車行駛方向相同稱為“順向照明”，見(jiàn)圖2(a)，相反稱為“逆向照明”，見(jiàn)圖2(b).蝙蝠型配光由高燈位順向照明與逆向照明2種方式組合.

圖2 不同照射方向示意Fig.2 Sketch map of different illumination directions

1.1 順向照射方式下的視網(wǎng)膜照度

當(dāng)駕駛員觀察路面時(shí)，路面亮度L與駕駛員視網(wǎng)膜照度E之間的關(guān)系為

其中，c為常數(shù);p為瞳孔變化函數(shù);m(x)是中間視覺(jué)亮度下修正函數(shù).利用式(1)，通過(guò)分析駕駛員視網(wǎng)膜照度可推斷路面亮度情況.

圖3中，設(shè)Ei為光源的入射照度矢量，Er為反射照度矢量，Er·e為駕駛員視網(wǎng)膜照度，投光入射角為α，視軸方向與反射照度矢量之間的夾角為β，與工作面之間的夾角為φ，則β=90°-(φ-α).

根據(jù)配光曲線與投光角，可求出該點(diǎn)光源與計(jì)算點(diǎn)上形成的照度Ei.對(duì)規(guī)則反射有Er=Ei.順向投光照明下機(jī)動(dòng)車駕駛員視線方向接收到的視網(wǎng)膜照度為

圖3 順向照射方向照度分析Fig.3 Illumination analysis of forward-direction lighting

1.2 逆向照射方式下的視網(wǎng)膜照度

圖4逆向投光照明中，β=90°-(φ+α).逆向投光照明下機(jī)動(dòng)車駕駛員視線方向接收到的視網(wǎng)膜照度為

圖4 逆向照射方向照度分析Fig.4 Illumination analysis of inverse-direction lighting

1.3 不同投光照明方式下照明效率的比較

本研究以機(jī)動(dòng)車駕駛員視線方向接收到的視網(wǎng)膜照度為指標(biāo)，比較不同照明方式下的照明效率.視網(wǎng)膜照度與視網(wǎng)膜亮度呈正比，根據(jù)IESNA RP-8-2000，取觀察角為 φ =1°.

順向照明下，高燈位與低燈位的視網(wǎng)膜照度關(guān)系可由式(2)得到.當(dāng)α→0時(shí)，Er·e→0;當(dāng)α→90°時(shí)，Er·e＜ 0.

逆向照明下，高燈位與低燈位的視網(wǎng)膜照度關(guān)系可由式(3)得到.當(dāng)α→0時(shí)，→0;當(dāng)α→90°時(shí)，→ Er.

比較表明，以視網(wǎng)膜照度為標(biāo)準(zhǔn)，在4種照明方式中，低燈位逆向照明的照明效率最高.

2 規(guī)則反射條件下三維照明效率比較

實(shí)際道路照明中，路燈位于道路兩側(cè)，入射光軸與觀察者視軸不在同一立面，是三維照射空間，如圖5.其中，光強(qiáng)為I(δ，τ)的光源以入射角α向路面照射，形成照度Ei.設(shè)入射光軸立面與視軸立面的夾角為θ，視軸平面與路面的夾角為φ，根據(jù)余弦定律，Er可以分解為豎向、橫向及視網(wǎng)膜方向3個(gè)分量.

2.1 逆向照射方式下的視網(wǎng)膜照度

逆向照明方式如圖5.其豎向反射分量為

橫向反射分量表達(dá)式為

視網(wǎng)膜分量表達(dá)式為

其中，Er·e是有效輻射量;Er·v和Er·t是無(wú)效分量.在道路照明模型中，φ=1°，可比較上述3個(gè)分量的大小.

1)當(dāng)θ＜45°，α→0°時(shí)

式(7)說(shuō)明，高燈位逆向照明下，無(wú)效照明分量Er·v在數(shù)值上最大，且大于有效照明分量 Er·e.

2)當(dāng)θ＜45°，α→90°時(shí)

式(8)說(shuō)明，低燈位逆向照明下，有效照明分量Er·e在所有分量中最大.

3)當(dāng)θ＞45°，α→90°時(shí)

式(9)說(shuō)明，高燈位橫向照明下，有效照明分量Er·e最小，無(wú)效照明分量遠(yuǎn)大于有效照明分量.

4)當(dāng)θ＞45°，α→90°時(shí)

式(10)說(shuō)明，低燈位橫向照明下，無(wú)效照明分量Er·t最大，且大于有效照明分量 Er·e.

5)當(dāng)θ→0°且α→0°時(shí)

式 (11)說(shuō)明，若在道路照明中，采用低位安裝的光源逆向照射路面，且反射方向盡量與駕駛員眼視軸方向一致，則路面反射在駕駛員視網(wǎng)膜形成的照度Er·e可取得最大值，無(wú)效照明分量趨于最小.

2.2 順向照射方式下的視網(wǎng)膜照度

順向照明方式分析如下.

豎向反射分量表達(dá)式為

橫向反射分量表達(dá)式為

視網(wǎng)膜分量表達(dá)式為

圖5 空間照度分析Fig.5 Space-illumination analysis

其中，Er·e是有效輻射量，使Er·e有意義的必要條件是sin(φ-α)與cos(180°-θ)均為正值.

當(dāng)sin(φ-α)＞0時(shí)，欲使cos(180°-θ)＞0，則θ角必須在90°與270°之間，這與原假設(shè)不符.說(shuō)明在規(guī)則反射條件下，以順向照射方式向路面投光，無(wú)法為駕駛員視網(wǎng)膜提供有意義的照度.

3 非規(guī)則反射條件下不同照明方式對(duì)照明效率的影響

路燈在非光滑界面 (路面)的實(shí)際反射為非規(guī)則反射.如圖6，設(shè)反射率為ρ，反射輻射量與材料的擴(kuò)散反射率和入射光輻射有關(guān).非規(guī)則反射可簡(jiǎn)單分解成漫反射與鏡面反射的疊加.

漫反射可以表達(dá)為

鏡面反射可以表達(dá)為

非規(guī)則反射是規(guī)則反射和漫反射的疊加，反射輻射量Er·e包括漫反射輻射量和鏡面反射輻射量，可表示為

圖6 漫反射與規(guī)則反射疊加示意Fig.6 Superposition of diffuse reflection and specular reflection

快速道路路面反射特性為非規(guī)則反射，人眼接收到的反射有效輻射量可以用圖6所示.在非規(guī)則反射下，不同照明方式的照明效率的相對(duì)關(guān)系與規(guī)則反射相同.

4 高燈位逆向照明方式的照明效率

隧道照明采用圖7所示逆向照明.高燈位逆向照明存在以下問(wèn)題.

1)無(wú)效照明區(qū)域 高燈位逆向照明在道路上方形成高于10 m的光幕區(qū)，只有下部空間為有效照明區(qū)域，如圖8.

2)無(wú)效照明分量 即使在有效照明區(qū)域內(nèi)，由式 (6)可知，只要在高燈位條件下，無(wú)效照明分量均大于有效照明分量，表明該照明方式的照明效率非常低.

3)眩光 車輛在行駛過(guò)程中，固定路燈的燈位相對(duì)于車速會(huì)發(fā)生變化.當(dāng)車行駛靠近燈時(shí)，逐漸變成高燈位.在截光型燈具約束下，光源輻射并不主要投射到機(jī)動(dòng)車駕駛員眼中，從而避免了主要的直接眩光.但該型燈具存在一個(gè)高亮度發(fā)光面，使駕駛員可直視該發(fā)光面，感覺(jué)到來(lái)自前上方的路燈發(fā)光面的眩光［7］.

圖7 高燈位逆向照明示意Fig.7 Sketch map of high position inverse lighting

圖8 有效照明區(qū)域示意圖Fig.8 Sketch map of efficient lighting zone

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究認(rèn)為，順向照明方式下，駕駛員僅能獲得路面漫反射輻射量而無(wú)法獲得規(guī)則反射輻射量，其照明效率遠(yuǎn)低于逆向照明方式.規(guī)則反射下，逆向照明方式的橫向照射分量、豎向照射分量是無(wú)效照明分量，逆向照射分量為有效照射分量，逆向照射分量中高燈位照射的照明效率遠(yuǎn)低于低燈位照射的照明效率.在所有照明方式中，低燈位逆向照明的照明效率最高，這將成為開(kāi)發(fā)新的道路照明方式和LED路燈的理論基礎(chǔ).

/References:

［1］Zhang Yimo.Applied Optics(3rd edition) ［M］.Beijing:Electronics Industry Press，2010.(in Chinese)

張以謨.應(yīng)用光學(xué) (第3版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

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郗書堂，胡培生，李景色，等.路燈［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

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CJJ45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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GB5700—2008室內(nèi)照明測(cè)量方法 ［S］.

［5］CIE 140—2000 Road lighting calculations［S］.

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ANSI/IESNA RP-8-2000路燈的操作規(guī)程 ［S］.

［7］Zhao Haitian，Yuan Lei，Xiang Dong.Generalized light pollution［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2004，21(3):231-237.

2012-10-23;

2013-02-20

Road lighting efficiency analysis based on retinal illuminance

Zhao Haitian?，Yao Qi，Kuang Zhibin，Guan Xuefeng，Shi Shitao，Hu Yanpeng，and Tian Ye

College of Architecture and Urban Planning，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.China

The lighting types are classified into low position inverse lighting type，low position forward lighting type，high position inverse lighting type and high position forward lighting type.The lighting efficiency analysis and experimental verification of all the four lighting types based on retinal illuminance were done in the 2-dimensional plane and 3-dimensional space with different road surface reflection.According to the theoretical analysis and experiment results，the widely used lighting type at present is not the best one，and there is still great room for improvement.Results show that energy efficiency of low position inverse lighting type is higher than any other kinds of lighting types，and this dicovery provides the theoretical basis for developing more efficient new lighting types.

architecture lighting;road lighting;lighting type;luminance;inverse lighting;lighting efficiency;energy saving

TU113.6+46

A

10.3724/SP.J.1249.2013.02186

Foundation:National Natural Science Foundation of China(51278309)

?

Professor Zhao Haitian.E-mail:arphlb2006@szu.edu.cn

:Zhao Haitian，Yao Qi，Kuang Zhibin，et al.Road lighting efficiency analysis based on retinal illuminance ［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):186-189.(in Chinese)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51278309);深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)資助項(xiàng)目 (CXC201006040018A)

趙海天 (1957-)，男 (漢族)，遼寧省海城市人，深圳大學(xué)教授.E-mail:arphlb2006@126.com

引 文:趙海天，姚 其，鄺志斌，等.基于視網(wǎng)膜照度的路面照明效率分析 ［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2013，30(2):186-189.

【中文責(zé)編:坪 梓;英文責(zé)編:之 聿】