LED道路照明“灯下黑”问题的分析

潘怡蕾，刘超博，王洪波，卫庆军

(1.苏州市吴江区城市管理局，江苏苏州 215200；2.欧普道路照明有限公司，江苏苏州 215212)

引言

“灯下黑”在道路照明中经常会遇到，即远看灯下是暗的，严重时就会产生斑马效应，导致驾驶员的眼睛视觉灵敏度下降，不易觉察出前方的目标和障碍物，甚至引发交通事故。而道路照明的目的是让机动车驾驶员和行人看清路面、避免交通事故的发生[1-5]。根据CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》中的要求：对于快速路、主干路，在照度均匀度不低于0.4的前提下，路面的亮度总均匀性应大于0.4，亮度纵向均匀度应大于0.7[6-7]。LED道路照明中产生“灯下黑”问题本质上是由于纵向亮度均匀度不够，根据LED路灯实际使用情况来看，纵向亮度均匀度要接近0.8时“灯下黑”现象才能被消除。

1 产生“灯下黑”现象的因素

1.1 照度分布与亮度分布

如图1所示，此款路灯为实际道路场景拍摄，从远距离观察，灯下点亮度低，靠近观察者位置的路灯之间亮度更高，即所谓灯下黑现象。

图1 实际道路照明效果Fig.1 The actual road lighting effect

图2 单灯照度分布图Fig.2 The illuminance distribution of single lamp

我们选取此款路灯配光进行道路场景仿真，照度分布如图2所示，其照度最大值出现在灯下点位置，并且左右光斑分布对称，按常规理解来看，照度更高的地方，亮度值也会更高，这与我们实际看到灯下黑现象并不相符。

我们再模拟此款路灯的亮度分布，如图3所示，最亮点不在灯下，且分布不对称，最亮点靠近驾驶员一侧，总结具有以下特征：①亮度分布不对称；②亮度分布——灯前5倍灯高的间距，灯后2倍灯高的间距；③最亮点不在灯下(灯下约50%)。

为何纵向对称的配光在亮度模拟时出现了纵向不对称的亮度分布？是否是配光的原因？我们多选几组再次进行模拟仿真。如图4所示，4款配光区分明显，但亮度分布都具有共同特征，即灯下都不是最亮的，最大亮度出现在靠近人眼观察一方，且与灯下位置有一定距离。这说明光通量分配的对称，不代表人眼看到的就对称。(4款都为纵向对称配光)亮度具有“偏移性”，并非对称分布于路灯纵向两侧。

完成单灯亮度分布对比，再进行多灯仿真，见图5，可发现每盏路灯照亮区域更偏向于路灯的纵向一侧，并非两边，这与我们实际拍摄的效果也最为接近，说明我们人眼看到的并非是照度分布，而是亮度分布。那为什么光通量分布的均匀，而人眼看到却不均匀？这需要分析照度与亮度的差异。

1MH—1倍灯高的间距图3 单灯亮度分布图Fig.3 The luminance distribution of single lamp

1MH—1倍灯高的间距图4 不同配光亮度分布对比Fig.4 Comparison of various luminance distribution

图5 多灯亮度分布图Fig.5 The luminance distribution of some lamps

1.2 照度与亮度的差异

照度属于人眼无法感知的物理量，表示路面上光通量的分布，定义为单位面积上接受了多少光通量。由此可以看出，照度数值与光线入射方向、照射面材质、观察者位置都没有关系，只与灯具选择(光通量、配光曲线)、灯具布置、照射面积等情况相关。

如图6所示，无论斜射、垂直照射、乱射，只要单位面积上光通量分布的均匀，那么照度分布就是均匀的[2]。

亮度是人眼可感受到的物理量，它可以真实的反映驾驶员实际看到的情况，亮度数值与多种因素有关：亮度与入射光的方向有关；亮度与入射光的强度有关；亮度与照射面的材料有关；亮度与观察者的角度有关。所以，相同配光，条件不同，我们看到的效果就不一样。

如图6所示，左右两图照度分布相同，但右边的照度会比左边照度产生更多的亮度[3]。(照度计测量结果相同，眼睛看到的亮度不同)

图6 入射角不同的等照度分布Fig.6 Equal illuminance distribution under various incident angle

可见照度分布相同，亮度分布未必相同，大角度照度更容易产生亮度[4]。所以,，我们认为：照度参数是人眼无法感知的物理量；亮度参数是人眼能够感知的物理量；只要单位面积上光通量分布的均匀，无论斜射、垂直照射、乱射，照度分布都是均匀的；相同的照度分布未必会得到相同的亮度分布；对于路灯，我们应该参考亮度分布，“灯下黑”就是由于亮度分布不均导致的。

1.3 影响亮度分布的各因素

总结亮度分布受客观和主观因素影响，其中客观因素：观察角度与路面材料特性，主观因素：布灯参数与灯具配光，见图7；由于亮度计算与灯具配光、路面反射特性、布灯参数都有关系，精确数据不宜测量得到，因此不便于理论计算，故我们将会采用直接亮度模拟的方式来还原各因素影响，找出灯下黑的原因。

2 “灯下黑”问题的参数分析

2.1 观察角度

如图8所示，使用同一灯具ies文件，当变换观察者的角度时，灯具的照度分布始终保持不变，而灯下点亮度会产生变化，我们取γ=80.5°、50°、0°分别进行对比，得出：γ=80.5°时，L0=0.5Lmax；γ=50°时，L0=0.8Lmax；γ=0°时，L0=Lmax；其中γ为观察角；L0为灯下点亮度值；Lmax为最大亮度值。可见，观察角γ越大(距离越远)，灯下亮度越低。

2.2 路面材料

道路表面可以视为一个与路面材料有关的漫射系统，灯具发出的光经由路面漫反射后，被人眼感知而形成路面亮度。国际照明委员会(CIE)将路面划分为R1、R2、R3、R4四类，其中R1具有漫反射光特性，如水泥路面；R2具有扩散反射光特性，如粗砾石水泥路面；R3具有少量定向反射光特性，如沥青路面，大多国内主要城市道路隶属这次分类；R4具有较多定向反射光特性，如磨损的沥青路面(因长期轮胎打磨而变得光滑的路面)；针对大量定向反射光特性的潮湿路面CIE还划分了W1-4的不同分类，不同等级间与路面湿度、积水大小都有关联[5]。

如图9所示，相同条件下，仅改变路面材料就会得到不同的亮度表现。路面材料的漫反射越多，灯下亮度越高；定向反射越多，灯下亮度越低。

1MH—1倍灯高的间距图9 不同路面材料道路照明的亮度对比Fig.9 Road lighting luminance comparison with various road surface materials

2.3 布灯参数——距高比(s/h)

如图10所示，相同条件下，分别针对s=4h、s=3.5h、s=3h的路灯间距做亮度仿真，灯间距越小，灯下点亮度就越高，说明减小距高比，可以提升相邻路灯对灯下点的亮度补偿，改善灯下黑现象。在实际的道路应用中，为节能成本，很多施工方加大距高比，减少灯具数量，这样就会造成灯下黑现象。为保证道路照明的亮度和亮度均匀度，灯距s与灯高h的比值不应超过：主干路3.5∶1、次干路4∶1、支路5∶1[7]。

2.4 布灯参数——逆光仰角

如图11所示，相同条件，调整灯具在纵向的逆光角度可以改善灯下亮度，即设置逆光仰角。逆光仰角是从灯具中心逆向驾驶员视线方向出射的那部分光线，此部分光线可以产生更高的亮度和均匀性。国外曾经尝试研发使用HID光源的“逆光”照明来做路灯和隧道灯，取得了不错的效果。LED方向性强，易于控制，对于实现“逆光”照明的配光要求更为有利，因此值得研究和探讨[2]。顺光仰角可减少眩光，但亮度均匀性会变得更差，光利用效率下降。

1MH—1倍灯高的间距图10 不同路灯间距道路照明亮度对比Fig.10 Road lighting Luminance comparioson under various road lamp inter-distance

2.5 灯具配光

不同的道路条件，应设计不同的灯具配光。针对灯下黑，增加大角度出光(半角正切值>距高比)，可以提升相邻路灯对灯下点的亮度补偿，相当于缩小了距高比[8](图12)。增加大角度出光量的优点：有利于解决灯下黑问题；有利于亮度均匀性(UO/UL)的提高；有利于提高光利用效率，节能高效；增加大角度出光量的缺点：增大眩光TI，I80超标。所以在路灯设计中要根据应用要求合理平衡亮度均匀性与眩光之间的关系。

1MH—1倍灯高的间距图11 正常角度与逆光仰角道路照明亮度对比Fig.11 Road lighting luminance comparison with the normal angle and backlight elevation angle

1MH—1倍灯高的间距图12 不同纵向角度配光时道路照明亮度对比Fig.12 Road lighting luminance comparison under various longitudinal angel light distribution

3 结论

灯下黑现象与“主观”灯具、“客观”环境直接相关，甚至单一因素即可导致此现象。从以上的亮度分析结果可以看出，造成灯下黑的主要原因有两个方面，一是客观因素：观察角度大、路面材料(长期磨损导致的定向反射光过多)；二是主观因素：不合理的灯具配光、布灯参数导致了相邻路灯间无法亮度互补，导致灯下黑。我们可以通过三个方面来改善“灯下黑” 现象，即减小距高比；增加逆光仰角；增加大角度出光量。

[1] 叶荣南，叶丹，马承柏.道路照明现场检测方法研究[J].照明工程学报,2017,28(1):107-112

[2] 李本亮，谷历文.LED道路照明路面照度测试系统的研制[J].照明工程学报,2016,27(2):49-53.

[3] 王巍，葛爱明，邱鹏，等.基于路面亮度系数表的路灯配光优化及透镜设计[J].照明工程学报,2013,24(2):75-80.

[4] 王尧,刘华,荆雷,等.发光二极管道路照明的配光优化设计[J].光学精密工程,2012,20(7):1463-1468.

[5] 章海骢.道路照明水平下的人眼中间视觉[J].照明工程学报,2009,20(增刊):1-8.

[6] 李铁楠.关于修编CJJ45《城市道路照明设计标准》的说明[J].照明工程学报,2016,27(4):8-11.

[7] 城市道路照明设计标准：CJJ 45—2015.北京：中国建筑工业出版社，2016.