光源对道路照明的影响

近年来，随着道路照明光源品种的增多特别是ＬＥＤ路灯的快速发展，不同光源用于道路照明所引起的视觉差异引起了人们广泛的关注，现行道路照明标准中主要针对传统高压钠灯而制定的标准值是否适用于具有不同光谱能量分布的ＬＥＤ、金卤灯和无极荧光灯等路灯引起了极大的争议。解决这一问题的关键应深入剖析道路照明的主要目的，以及光源光谱能量分布是否影响了道路使用者达到这些目的。
２　道路照明的目的
《机动车与人行道路照明指南》ＣＩＥ１１５－２０１０（ＣＩＥ，２０１０）对道路照明三个主要的目的进行了总结。
（１）保障道路使用者安全通行，包括机动车、行人、自行车、畜力拉动的交通工具等；
（２）允许行人看清危险障碍，认清路的导向，辨别其它行人，及感觉安全、安心；
（３）创造良好的愉悦的日间和夜间的环境外貌

对于第３条ＣＩＥ文件指出，为无论是司机还是行人及周围居民提供一个舒适的环境都是十分必要的。而前２条根据不同的道路使用者（如机动车司机和行人）特点不同，具体指标要求可能有所不同。但从根本功能来说，发现路面障碍、认清路的导向对于司机和行人同样重要。此外，对于行人来说，辨别其他行人和感觉安心这是非常重要的两个功能要求。下文将就道路照明光谱如何影响路面障碍的识别、认清路的导向、辨别行人、感觉安心和舒适的环境外貌等方面进行分析。
３　光源光谱对视觉功能的影响
光源光谱的改变，在照明参数上改变了光源的Ｓ/Ｐ值（相关联的还有中间视觉亮度值和相关色温值）和显色指数，从而影响了人眼实际感受的视亮度、对障碍物的辨别、对路上行人的辨别及安全和舒适的感觉等关键的功能。
（１）光源光谱影响了视亮度及安全的感受
Ｓｔｅｖｅ　Ｆｏｔｉｏｓ在总结了Ｌｏｅｗｅｎ（１９９３）和Ｂｏｙｃｅ（２０００）等人的大量研究的基础上，证实视亮度的感受能大大提升人们对于安全的感受（Ｆｏｔｉｏｓ，２０１１）。

而越来越多的研究表明，在中间视觉状态下，光源的光谱能影响人们对于视亮度的感受。表１为Ｆｏｔｉｏｓ等人在２００７~２０１１年间的大量实验，结果表明，在典型的中间视觉的照明水平下，金卤灯平均只需７０％的高压钠灯的照度，便能达到和高压钠灯相同的视亮度感受。视亮度的感受与Ｓ/Ｐ值具有较强的负相关度，即Ｓ/Ｐ值越大，则所需要的实际的照度值越小便能达到相同的视亮度感受。光源的显色指数与色温也具有相同的效应。ＣＩＥ２０１０年发布的中间视觉光度学系统很好地描述了光谱对于等效视亮度的影响，通过达到相同视亮度时的照度比可以预测两种光源的视亮度比值,通过对实际的一些应用场所中的研究表明，光源光谱的改变使一些行人区域的照度即使降低了，也能带来高的视亮度及安全感受（Ｆｏｔｉｏｓ，２０１１）。
（２）障碍物探测受光谱和照度的影响
在过去几十年间的一些研究表明，对于道路障碍物的检测是安全行走的重要保障。人眼对于障碍物的探测能力很大程度上取决于当时条件下的人眼的对比敏感度。由于大部分的探测目标是位于视网膜中央凹２以外的周边范围内，照明光源的光谱对此时的对比敏感度具有重要的影响。研究表明，随着Ｓ/Ｐ值的增加，人眼对视网膜周边区域的目标探测能力大大加强（Ｂｕｌｌｏｕｇｈ＆Ｒｅａ，２００００；Ｌｉｎｇａｒｄ＆Ｒｅａ，２００２）．
为了验证光谱和照度是否影响障碍物的探测能力，Ｓｔｅｖｅ　Ｆｏｔｉｏｓ进一步作了深入的研究，结果发现光谱和照度确实对于人眼探测障碍物能力影响巨大，且在较小照度时，光谱的影响更为显著，Ｓ/Ｐ值越大的光源越有利于人眼探测障碍物（Ｆｏｔｉｏｓ＆Ｃｈｅａｌ，２０１１）。图３为对障碍物的探测能力受光源光谱的影响，其中ＳＤＯ和ＣＰＯ为金卤灯，Ｓ/Ｐ值分别为１．８和１．２，　ＨＰＳ为高压钠灯，Ｓ/Ｐ值为０．６；ｙｎｇ是年轻的观测者，ｏｌｄ是老年人观测者。
（３）光源光谱对人脸识别能力的影响
对于行人区域的照明来说，识别人脸是人们对街道照明功能的一个重要要求。Ｓｔｅｖｅ认为，在街道照明中，人们对于脸部识别分为两个层次，一是辨别来人的意图（不一定需要看清所有的五官细节）；二是能辨别来人的五官信息。关于人眼识别会否受光谱的影响，目前的研究结果表明未能达成一致的结果。需要研究机构进行进一步的深入研究，统一和验证方法论，获得科学有效的结论，以指导道路照明的设置。但据Ｋｎｉｇｈｔ，ｖａｎ　Ｋｅｍｅｎａｄｅ（２００６），Ｒａｙｎｈａｍ，Ｓａｋｓｖｉｋｒｏｅｎｎｉｎｇ（２００３）及Ｙａｏ，Ｓｕｎ＆Ｌｉｎ（２００９）的研究均证实，Ｓ/Ｐ较大的光源延长了人脸辨别所需的观测距离和提高了辨别的正确率。
（４）照明的愉悦性受光谱的影响
在需要考虑视亮度、探测障碍物及面部识别等功能性要求之外，照明环境的愉悦程度也非常重要。例如，人在照明环境下的皮肤显示和颜色还原程度能否满足人的最需心理需求。研究结果表明，较高的显色指数的光源环境下，人们对皮肤的显色和颜色还原的满意度较高，但光源的Ｓ/Ｐ值对结果没有明显的影响。Ｆｏｔｉｏｓ和Ｃｈｅａｌ的研究进一步表明，人们对小于显示指数为３０的光源的愉悦性表示出不可接受。对大于７１的显示指数表示接受。但没有数据验证，３１－７１之间的那个数据时从不可接受到可以接受的临界点（Ｆｏｔｉｏｓ＆Ｃｈｅａｌ，２０１１）。图４为人们对照明的照明愉悦程度岁显色指数比值的不同变化。
（５）光源光谱影响老年人对视觉目标的探测
随着年纪的增加，人的视觉能力不断下降，这导致了老年人对视觉目标的探测能力和视锐度将大大下降（Ｌｅ　Ｇｒａｎｄ，１９５７），或达到相同的视觉判别结果时老年人要求具有更高的目标对比度（ＣＩＥ，２０１０）。随着老年人比例的增加，老年驾驶员的人数也越来越多。复旦大学于２０１１年的研究成果也表明，较高的色温有利于提高老年人对具有颜色的目标进行辨别的能力（Ｃｈｅｎｇ，Ｌｉｎ，ｅｔ　ａｌ，２０１１）。ＣＩＥ１１５明确提出，对于老年人密集的区域，应该提高照明的水平，或提供更好的显色指数的光源，以提高其视见能力，保障交通的行驶。