中間視覺條件下道路照明光源應(yīng)用節(jié)能研究

張曉峰 楊曉晴

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

1 引言

按照國際照明學(xué)會(CIE)的規(guī)定，亮度水平在幾個cd/m2以上的視覺叫做明視覺(Photopic vision)，是人眼錐狀細(xì)胞在工作;亮度水平在10 cd/m－2以下的視覺叫做暗視覺(Scotopic vision)，是人眼的桿狀細(xì)胞在工作，介于明視覺和暗視覺之間的叫中間視覺或中介視覺(Mesopic vision)，通常認(rèn)為中間視覺的亮度水平范圍為0.001～3 cd/m2(CIE 1978)，是錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞交替作用的過程.人眼的錐狀體和桿狀體兩種不同的感光細(xì)胞，分別在明視覺和暗視覺起作用，兩種細(xì)胞的不同光譜響應(yīng)特性也決定了人眼在兩種視覺條件下有不同的光譜光視效率曲線，這些曲線都是由對人眼亮度匹配的實(shí)驗(yàn)所得出的，是屬于心理物理學(xué)的光視效率.在中間視覺條件下，錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞共同參與作用，且隨著背景亮度的變化，兩種細(xì)胞參與作用的比例也要發(fā)生變化，而中間視覺的光視效率也隨之不斷變化，表現(xiàn)為光譜光視效率為一系列不同的曲線，正是這個原因才導(dǎo)致了中間視覺光度研究的復(fù)雜性.在夜晚戶外照度水平多處于中間視覺，是同時運(yùn)用桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞視覺的彩色曲線，人眼兩種光感細(xì)胞對光譜響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度是不斷變化的，從而導(dǎo)致了光譜光視效能的不斷變化.道路照明是典型的中間視覺條件下的照明應(yīng)用，故本文以道路照明為例對這個問題進(jìn)行探討.

2 中間視覺條件下光源性能分析

眾所周知，人眼的視覺是對照明效果最直觀的評價.視覺依賴于照明，照明將提供給人們一個視覺條件，了解視覺系統(tǒng)的物理、生理、知覺條件，對于預(yù)言人類行為與照明條件的相關(guān)性是很重要的.對于一定的照明亮度范圍，評價它是否符合安全的要求、是否符合作業(yè)的要求、是否顯現(xiàn)物體的輪廓和顏色等問題，被歸納為視覺科學(xué)的四個最基本的問題:人類視覺系統(tǒng)對明、暗的感覺特性;對顏色的感覺特性;對空間的感覺特性和對光刺激的時間響應(yīng)特性，近年來，受到各國科學(xué)家的重視并開展研究.

2.1 室外照明光源現(xiàn)狀

中間視覺條件下的照明主要是室外照明，分為景觀照明、道路照明、廣場照明等.室外照明曲型光源有高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、高光效的熒光燈;近年內(nèi)應(yīng)用的新型光源有無極熒光燈、LED燈.室外照明用光源多數(shù)情況下要求壽命長、光通量大、效率高.主要原因是室外開燈時間長，更換、檢查、清潔等維護(hù)工作不便的地方很多，希望用較少的燈照明，以便降低設(shè)備費(fèi)用的情況較多，加之由于使用范圍大且時間長，要求對用電容量加以控制.同時室外照明的節(jié)能更是一個重要的問題，主要是從如何合理地選擇光源、燈具;從整個系統(tǒng)如何提高光利用效率、有效使用方法等方面去考慮.

2.2 中間視覺條件下光譜光視效率

大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明，中間視覺狀態(tài)下人眼中心(中央)視覺的光譜光視效率在一定程度上可以沿用明視覺下的V(λ)曲線，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中央主要分布的是錐狀細(xì)胞，明視覺狀態(tài)下主要是錐狀細(xì)胞發(fā)揮作用，V(λ)曲線正反映了它的特性.但在周邊視覺上，視覺對光譜的響應(yīng)特性會發(fā)生不可忽視的改變.在中間視覺狀態(tài)下，周邊視覺能力主要受桿狀細(xì)胞的影響，此時人眼對短波長光更加敏感.在中間視覺狀態(tài)下，人眼的邊緣視覺起了更大的作用.它對于短波長的光比長波長的光更為敏感.

以LED燈為例，進(jìn)行測試，在相同環(huán)境亮度條件下，不同色溫白光LED的中間視覺光譜效率函數(shù)非常接近，而色溫相對較高的LED燈具有比色溫較低的LED更高的等效亮度，這主要是由于高色溫白光LED短波輻射在整個光譜分布中所占的比重較大，而光譜視覺函數(shù)在中間視覺范圍內(nèi)呈現(xiàn)向短波方向移動的特點(diǎn)，因此，高色溫的LED燈的中間視覺光通量也較大，等效亮度也更高.

2.3 背景亮度及視標(biāo)對比度對人的反應(yīng)時間的影響

在道路照明條件下，為了保障交通安全，提高交通運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)道路照明科學(xué)節(jié)能，我們用反應(yīng)時間來表示駕駛員夜間行車時中間視覺和光生物效應(yīng)的總視覺效果.所謂反應(yīng)時間指的是從刺激開始到觀察者開始作出反應(yīng)的時間.在夜間駕駛過程中，反應(yīng)時間與交通安全密切有關(guān).從大量的實(shí)測與事故統(tǒng)計分析結(jié)果來看，反應(yīng)時間一旦變長，往往就會喪失采取應(yīng)急措施的良機(jī)，釀成交通事故.日本關(guān)于交通肇事次數(shù)與反應(yīng)時間關(guān)系的調(diào)查結(jié)果表明，駕駛員的反應(yīng)時間越長，交通肇事次數(shù)越多.據(jù)研究表明，道路照明的反應(yīng)時間長短不但與照明水平、對比度大小、視標(biāo)偏心角大小等有關(guān)，而且還與光源的色溫高低有關(guān).在進(jìn)行道路照明設(shè)計時，可在保證反應(yīng)時間長短不變時，選擇在規(guī)定的照明水平條件下反應(yīng)時間較短的光源，這樣有利于降低道路照明功率密度值，達(dá)到照明科學(xué)節(jié)能的目的.依據(jù)相關(guān)資料做如下分析:

大量的實(shí)驗(yàn)及研究，證明在中間視覺范圍內(nèi)，反應(yīng)時間隨背景亮度、視標(biāo)對比度和視標(biāo)偏心角的不同而發(fā)生變化，視標(biāo)與背景的對比較弱時，反應(yīng)時間就會延長.低對比度和低亮度環(huán)境下，高色溫的光源比低色溫光源視覺功效較低.增大對比度后高色溫光源視覺功效提高.因此，當(dāng)總體亮度較低、目標(biāo)與道路路面背景的亮度對比度較小時，以高色溫、高顯色性為特色的LED照明不具有優(yōu)勢.且金鹵燈照明下的反應(yīng)時間均明顯低于高壓鈉燈，即金鹵燈產(chǎn)生的視覺功效高于高壓鈉燈.當(dāng)視標(biāo)對比度降低時，高壓鈉燈和金鹵燈的反應(yīng)時間都會增加.同時，高壓鈉燈與金鹵燈反應(yīng)時間的比值亦有擴(kuò)大的趨勢，這不僅證明了人眼識別目標(biāo)與感知閾值有關(guān)，也說明了金鹵燈產(chǎn)生的視覺功效高于高壓鈉燈.同樣，隨著視標(biāo)偏心角的增大，高壓鈉燈與金鹵燈的反應(yīng)時間亦會增加，但與高壓鈉燈相比，金鹵燈在視標(biāo)偏心角為10°時產(chǎn)生的視覺功效比它在視標(biāo)偏心角為0°時的視覺功效高，即在周邊視覺時，金鹵燈比高壓鈉燈的照明效果更好.

2.4 從相對光譜能量分布分析道路照明條件下光源的視覺功效

2.4.1 無極燈與高壓鈉燈的比較

圖1顯示了高壓鈉燈(400 W)的相對光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線.從圖1可清晰看出，明視覺下高壓鈉燈有高的光效是由于它的輻射能量光譜主要集中在560nm到620nm之間，正好在明視覺函數(shù)的峰值附近.但在暗視覺及中間視覺下，由于高壓鈉燈在藍(lán)光和綠光部分(505 nm附近及505 nm至555nm之間)幾乎沒有輻射能量輸出，所以有效光效就會明顯減少.圖2顯示了無極熒光燈(200 W)的相對光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線.從圖2的相對光譜能量分布可以看出，無極熒光燈在436nm、545nm、610nm均出現(xiàn)了極大值，屬典型的三基色熒光光譜，在藍(lán)光、綠光部分有較大的能量輸出，可見，無極熒光燈在明視覺條件下的光效不如在暗視覺下的光效.因?yàn)樵谶M(jìn)入暗視覺時，無極熒光燈的能量輸出的某些峰值落在了暗視覺下的光譜光視效率函數(shù)曲線的高靈敏度區(qū)域，在中間視覺下，光譜光視效率函數(shù)曲線介于明視覺光譜光視效率函數(shù)(曲線)與暗視覺光譜光視效率函數(shù)(曲線)之間的一系列曲線，無固定值，但也會有能量輸出的某些峰值落在這些曲線的高靈敏度區(qū)域，故無極熒光燈的有效光效隨著亮度水平的下降即在中間視覺環(huán)境下會有顯著提高.

由于光譜功率分布不同，有些光源的發(fā)光效率會隨人眼適應(yīng)水平的變化而變化，這一特點(diǎn)要求人們對不同亮度水平下的照明應(yīng)該區(qū)別對待，塑造相適應(yīng)的道路照明形象，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.所以相同照明強(qiáng)度下，無極熒光燈的視覺光效更高些，人眼感覺會更亮，這樣道路照明的背景亮度采用無極燈要比采用高壓鈉燈亮度高，從而使人的反應(yīng)時間縮短.

2.4.2 LED燈和金屬鹵素?zé)艏案邏衡c燈的光效比較

依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示:光源的發(fā)光效率隨環(huán)境照明強(qiáng)度而變化;在相同環(huán)境照明條件下，與明視覺狀態(tài)下測量的發(fā)光效率相比，LED路燈和金屬鹵素路燈在中間視覺狀態(tài)下的發(fā)光效率均有顯著的增加，然而高壓鈉燈的發(fā)光效率卻大大降低，并且LED光源增加的幅度最大，是比較理想的路燈光源;在中間視覺狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境照明亮度從0.03cd/m2變化到0.1cd/m2再變化到0.3cd/m2時，標(biāo)準(zhǔn)LED路燈的發(fā)光效率首先從131.21m/W降到122.71m/W，然后又上升到140.51m/W.這是由于人眼視覺響應(yīng)是隨環(huán)境照明變化的.因此，通過光譜優(yōu)化可以得到發(fā)光效果令人滿意的LED光源.其實(shí)任何光源在明視覺、中間視覺及暗視覺條件下發(fā)出的可見光光譜是一樣的，但由于光通量的定義是人眼主觀感覺的可見光部分，所以造成兩種條件下光通量有很大差別.

3 結(jié)論

綜上所述，在中間視覺條件下，道路照明的合理設(shè)計不僅與光源的光效、亮度、光衰、顯色性、壽命等性能有關(guān);還與背景亮度、視標(biāo)對比度和視標(biāo)偏心角等諸多因素有關(guān).而很多因素在中間視覺條件下均發(fā)生了變化，故在進(jìn)行設(shè)計時需要對諸多因素進(jìn)行修正后才能與實(shí)際的路面機(jī)動車駕駛員的視看條件相一致.因此，盡快標(biāo)定出中間視覺條件下的光譜光視效率函數(shù)以及光譜光視效能，是進(jìn)行道路照明合理設(shè)計的核心內(nèi)容.由于光通量的定義是人眼主觀感覺的可見光部分，而眼睛的敏感度又不是恒定不變的.所以中間視覺條件下照明的節(jié)能設(shè)計不能單純從光源的發(fā)光效率考慮，還必須考慮到人眼的視覺功效及人的反應(yīng)時間.這對照明節(jié)能設(shè)計有直接的指導(dǎo)意義.

［1］林燕丹.中間視覺狀態(tài)下人眼視覺功能的光譜響應(yīng)特性研究［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)博士學(xué)位論文，2004，10

［2］金鵬，喻春雨.LED燈在道路照明中的光效優(yōu)勢［J］.光學(xué)精密工程，2011，1

［3］祁增慧，桂垣，楊曉晴.無級熒光燈應(yīng)用節(jié)能分析［J］.照明工程學(xué)報，2011，3

［4］黃彥.談中間視覺標(biāo)準(zhǔn)光源［C］.天津:中國第三屆光文化照明論壇論文集，2010李志剛，周興社.傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.計算機(jī)應(yīng)用研究，2004