基于人眼視覺特性的LED城市道路照明設(shè)計(jì)探討

朱超萍

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

基于人眼視覺特性的LED城市道路照明設(shè)計(jì)探討

朱超萍

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，福建 泉州 362000)

從人眼的視覺特性出發(fā)，對(duì)LED光源的亮度、亮度均勻性、色溫和眩光等主要參數(shù)進(jìn)行分析和討論，探討LED城市道路照明設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)舒適、安全、綠色環(huán)保的城市道路照明。

道路照明；視覺特性；視覺舒適度；配光設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來(lái)，LED光源被廣泛應(yīng)用于道路照明、廣告照明以及城市夜景觀等領(lǐng)域。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，LED照明市場(chǎng)在未來(lái)10年將成為最被看好及最大的市場(chǎng)，LED光源將取代白熾燈、緊湊型節(jié)能燈和熒光燈，被稱為第四代綠色照明光源。隨著節(jié)能減排政策的深入實(shí)施，LED路燈越來(lái)越多地應(yīng)用在城市道路照明中，而且人們更注重照明環(huán)境對(duì)生理和心理反應(yīng)的影響，不再一味地追求明亮。筆者從人眼視覺特性出發(fā)，從LED光源的亮度、亮度均勻性、色溫和眩光等方面探討LED城市道路照明設(shè)計(jì)的方法。

1 人眼的視覺特性

人眼的視覺特性因個(gè)體構(gòu)造各異，對(duì)明暗環(huán)境、光色的反應(yīng)表現(xiàn)各不相同。

1.1 明視覺、中間視覺和暗視覺

人眼的視覺根據(jù)亮度變化分為明視覺、暗視覺和中間視覺。根據(jù)國(guó)際照明學(xué)會(huì)(CIE)1983年的定義，明視覺指亮度超過(guò)3 cd/m2的環(huán)境，能對(duì)物體的細(xì)微結(jié)構(gòu)和輪廓進(jìn)行精確辨別，空間分辨率較高，暗視覺指環(huán)境亮度低于0.001 cd/m2的視覺，不能分辨顏色，視物只有粗略的輪廓，精確性差。當(dāng)環(huán)境亮度在0.03～3 cd/m2之間時(shí)，視覺特性介于明視覺和暗視覺之間，稱為中間視覺。

1.2 視覺轉(zhuǎn)換

當(dāng)環(huán)境亮度變化時(shí)，人眼由暗處到亮處時(shí)的視覺適應(yīng)會(huì)出現(xiàn)短暫的幾秒鐘閃光盲，經(jīng)過(guò)約1 min的調(diào)整時(shí)間。同樣地，當(dāng)人眼由亮處到暗處時(shí)，也需要經(jīng)過(guò)感光的適應(yīng)和調(diào)整過(guò)程，達(dá)到完全暗適應(yīng)需要30 min左右，因此，智能化、人性化的LED照明燈應(yīng)考慮明、暗視覺轉(zhuǎn)換效應(yīng)。

1.3 光與色覺

人眼對(duì)顏色的感覺往往受到周圍顏色的影響，也受到光源色彩影響。同一物體在不同的光源下將呈現(xiàn)不同的色彩：白熾燈光下的物體帶黃，熒光燈下的物體偏青，白晝陽(yáng)光下的景物帶淺黃色，月光下的景物偏青綠色等。光源色的光亮強(qiáng)度也會(huì)對(duì)照射物體產(chǎn)生影響，強(qiáng)光下的物體色會(huì)變淡，弱光下的物本色會(huì)變得模糊晦暗，只有在中等光線強(qiáng)度下的物體色最清晰可見。

2 基于視覺特性的LED城市道路照明設(shè)計(jì)

道路照明質(zhì)量往往從視覺特性方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，不同級(jí)別城市道路的照明質(zhì)量取決于亮度分布、亮度均勻度、光色和顯色性、眩光限制等參數(shù)水平(表1)。研究這些參數(shù)的視覺特性，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量照明、節(jié)能環(huán)保和人性化的效果。

表1 CJJ 45—2006道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

注：表中數(shù)據(jù)為維持值，新裝燈具道路路面初始亮度值相應(yīng)提高30%～50%。

2.1 LED路燈亮度設(shè)計(jì)

2.1.1 LED路燈的亮度和照度

從視覺功能考慮，駕駛員對(duì)于路面情況的判斷主要取決于路面的平均亮度和平均照度。國(guó)際照明委員會(huì)CIE把亮度作為可見度的重要指標(biāo)之一，路面的平均亮度水平影響著駕駛員對(duì)障礙物視覺的可靠性，根據(jù)能見度(可見度)公式：

VL=|Lb-L0|/ΔLmin

式中：VL為能見度；Lb為背景亮度，cd/m2；L0為障礙物的亮度，cd/m2；ΔLmin為亮度差辨別閾值，cd/m2。

從上式可以得出，照明亮度越高，人眼產(chǎn)生的對(duì)比靈敏度越高，越容易覺察到障礙物。因此，提高路面平均亮度有利于提高駕駛員覺察障礙物的可靠性，也能改善駕駛員的視覺舒適程度。這就要求不同道路等級(jí)的路面，LED照明平均亮度水平應(yīng)有所差別，一般快速路和主干道對(duì)LED照明亮度要求較高，次干道和輔助道路或小區(qū)路對(duì)LED照明亮度要求較低，具體可參照表1。

照度是描述被攝體表面被照明的程度，與亮度并非同一概念，二者相互關(guān)聯(lián)，同一亮度光源照射不同材料的路面照度不同，如瀝青路面的亮度是照度的15～22倍，水泥路面的亮度為照度的10～13倍。

不同照度宜選不同顏色的LED光源，低照度環(huán)境時(shí)采用暖色光源，人的膚色顯得“溫和自然”，高照度環(huán)境時(shí)采用冷色LED光源，使人的膚色“蒼白可怕”，且較冷的顏色使道路照明缺乏生氣，整體照明效果顯得慘白與冷清。高照度環(huán)境下用近似日光的冷色LED光源，使人的皮膚顏色顯得更自然、真實(shí)，低照度下不可能顯出顏色的本性。在城市道路照明中，居住區(qū)或小區(qū)的生活性道路夜間行人多，適合采用暖色光源，商業(yè)區(qū)道路適合采用彩色級(jí)LED或多種LED光源色彩混合照明，城市交通性道路適合提高照度，采用近似日光的冷色LED光源，其他景觀照明，如廣場(chǎng)、濱水帶則以藝術(shù)和照明功能為導(dǎo)向選擇LED光源。

2.1.2 LED路燈亮度均勻性設(shè)計(jì)

路面總體均勻度、縱向均勻度等參數(shù)是評(píng)價(jià)LED燈具道路照明質(zhì)量的重要指標(biāo)，很大程度上取決于道路燈具配光性能。

合適的路面亮度和亮度均勻度對(duì)視覺功能和視覺舒適性非常重要。隨著道路照明設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，道路配光的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從“過(guò)去的照度均勻”發(fā)展為以“亮度均勻?yàn)橹?、照度均勻?yàn)檩o”。路面亮度并不要求嚴(yán)格均勻，但亮度的變化必須緩慢，否則，會(huì)出現(xiàn)一塊區(qū)域亮而一塊區(qū)域暗的“斑馬線”現(xiàn)象。從視覺生理角度，要求道路照明的最低亮度均勻度為0.4，縱向均勻度不低于0.7(表1)。

由于LED光源的發(fā)散角小，光線大部分直射向燈正下方的路面，無(wú)法將光照射到更遠(yuǎn)的地方，因此，要對(duì)LED燈具進(jìn)行二次配光，LED路燈燈具配光時(shí)，通常根據(jù)道路照明亮度的要求，綜合考慮燈具的安裝高度、燈桿間距及路面寬度等參數(shù)，確定LED光源的數(shù)目、位置，在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤敕垂獗蚍垂庹郑玫胶侠淼牧炼确植己土炼染鶆蛐?。目前，LED燈具的二次配光通常使用自由曲面透鏡的方式，得到在x軸上產(chǎn)生±60°的均勻配光，在y軸上產(chǎn)生±30°的均勻配光，形成了具有矩形光照效果的LED“蝙蝠型”配光(圖1)。LED路燈輸出的光線照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形為佳，達(dá)到高效、舒適和節(jié)能的照明效果(圖2)。

圖1 “蝙蝠型”LED配光曲線

圖2 LED路燈配光示意圖

2.1.3 LED路燈亮度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)

人眼對(duì)光線的感受是非線性的。研究表明，將亮度降低10%以上，人眼覺察不到亮度的變化，這樣就可以節(jié)約近10%的電能。同一盞LED路燈，亮度降低10%，使用壽命可延長(zhǎng)2倍，亮度降低50%，使用壽命可延長(zhǎng)20倍。可見，LED路燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)不僅可以節(jié)約能源，節(jié)省費(fèi)用，還可以提供舒適、人性化的照明。因此，LED路燈智能控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，采用光環(huán)境傳感器、無(wú)線通信、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，根據(jù)不同道路的照明需求，進(jìn)行靈活控制，做到“半夜燈”“全夜燈”“單燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)”等方式的交叉、互補(bǔ)、綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)LED路燈的智能化控制。

2.2 LED光源色溫選擇

作為新型光源，LED路燈色溫與現(xiàn)有主流照明燈具，特別是高壓鈉燈反復(fù)比較，出現(xiàn)分歧點(diǎn)。LED路燈支持者認(rèn)為，高色溫白光用于道路照明中間視覺效應(yīng)明顯，可視性好，感覺比低色溫的黃光更明亮。高壓鈉燈支持者則認(rèn)為，黃光透霧性好，感覺溫暖，比白光更受市民歡迎。

早期應(yīng)用于道路照明的LED路燈，部分生產(chǎn)廠家片面追求高光效、視覺亮度，通常選擇色溫大于6 000 K的冷白光。6 000 K以上視覺感知最敏銳，白光LED具有高顯色性，應(yīng)用于道路照明的優(yōu)勢(shì)明顯。但是，大于6 000 K的高色溫光源中藍(lán)光成分較高，更容易引起眩光的不舒適性，產(chǎn)生人眼的眩光敏感度更高，易造成視覺疲勞。因此，不主張?jiān)诘缆氛彰髦胁捎萌绱烁呱珳氐臒艄膺M(jìn)行照明。如廣西出臺(tái)的相關(guān)規(guī)范中指出，在快速路、主干路、次干路、山區(qū)多霧的地區(qū)應(yīng)選用色溫比較低的燈具，市政道路也不推薦使用冷色光源。有關(guān)專家解釋，由于人體對(duì)冷色光源的視覺舒適度較差，色溫較高的光源偏白，容易使駕駛者在視覺上產(chǎn)生霧蒙蒙的感覺。

目前，在滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)前提下，道路照明中常用色溫在3 500～6 500 K區(qū)間的光源，色溫值越高，越接近于自然光。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)際測(cè)試研究，其中3 500～4 500 K區(qū)間的LED光源較為理想，這一色溫范圍的燈光，光色較中性，對(duì)行人的感官干擾較小，最不傷眼睛，無(wú)論是行人還是駕駛員在這種燈光下行動(dòng)，注意力會(huì)更加集中，加上LED高顯色性的特點(diǎn)，大大增加了行駛安全性。

2.3 LED路燈眩光抑制

眩光會(huì)在一定程度上削弱視覺功能，影響交通安全。LED光源的發(fā)光面積小，表面亮度過(guò)高，以及亮度分布不均勻的特點(diǎn)，加重了眩光干擾，引起了視覺不舒適和降低物體可見度的視覺效應(yīng)。研究表明，LED光源眩光產(chǎn)生的物理影響因素的權(quán)重從大到小依次為：眼位照度、背景亮度、觀察角。

眩光的程度與發(fā)光體相對(duì)眼睛的位置、角度密切相關(guān)，角度越小眩光現(xiàn)象越強(qiáng)，照度損失也越大。如圖3所示，眩光主要產(chǎn)生在視線水平方向與光源夾角在45°以下的區(qū)域，因此，在滿足城市道路功能性照明亮度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能將光源布置在視線外微弱刺激區(qū)，如懸掛高度應(yīng)在視線45°以上，增加燈具的高度(在15 m范圍內(nèi))有利于提高照明均勻度，抑制眩光。

此外，光源尺寸大小、光源的數(shù)量以及背景環(huán)境亮度等物理參數(shù)對(duì)眩光的強(qiáng)弱也會(huì)有較大的影響，不同立體角引發(fā)的眩光差異在光源亮度較低的情況下比較小，而光源亮度較高的情況下比較大。同時(shí)，為減小眩光，主干路應(yīng)采用截光型、半截光型燈具，次干路應(yīng)采用半截光型燈具，支路宜采用半截光型燈具。

圖3 眩光大小與視線的關(guān)系

3 結(jié) 論

隨著LED發(fā)光效率、光衰等技術(shù)瓶頸的突破，LED光源在城市照明中的優(yōu)勢(shì)日趨明顯，為保證夜間道路交通安全，城市路道照明設(shè)計(jì)需以人為本，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、要求和改進(jìn)措施要從人眼視覺的生理和心理特性出發(fā)，研究LED光源的配光設(shè)計(jì)、眩光抑制、亮度等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)舒適、科學(xué)的城市道路照明。

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Study on LED Illumination Technology of Urban Road Based on Human Visual Sense

ZHU Chaoping

(School of Resources and Environmental Science，Quanzhou Normal University, Quanzhou 361024，P.R.China)

Based on the human’s visual characteristics, the main parameters of LED light source is discussed, which is about the brightness, brightness uniformity, color temperature and glare from LED source. The design methods of LED urban road illumination is investigated, and a comfortable and safe and green LED illumination will be realized.

road illumination; visual characteristics; visual comfort; light distribution design

2017- 04-13 基金項(xiàng)目：福建省教育廳項(xiàng)目(JAT160413)

朱超萍(1979-)，女，泉州師范學(xué)院講師，主要從事生態(tài)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究。