道路照明光源光譜分析與現(xiàn)場檢測

劉利明

(寧波市鎮(zhèn)海區(qū)市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)中心，浙江 寧波 315200)

0 引言

道路照明的作用是使各種車輛的駕駛者與行人在夜間行駛或者出行時能辨認(rèn)出道路上的各種情況且不感到過分疲勞，以保證安全，以及對光污染的合理控制。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，車輛的使用越來越多，對道路照明檢測提出了更高的要求，人們希望照明環(huán)境有良好的顯色指數(shù)和色溫。以LED 照明為代表的新型照明系統(tǒng)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明已成為一個必然的趨勢，照明效果的高效性、節(jié)能性已得到市場充分認(rèn)可，GB/T 5700—2008 國家標(biāo)準(zhǔn)也對LED 以及其他種類路燈光源的光譜檢測提出具體的檢測要求。在努力改善道路照明效果，新型電光源不斷推廣應(yīng)用的新形勢下，道路照明光譜檢測的重要性也在不斷提高。

1 路燈光譜的視覺影響

在電光源照明的各式光源的光譜中，藍(lán)光的頻率最高，對視覺的影響也最為顯著。就此而言，LED 照明更能提高視覺敏銳度。主要是由于高頻率的光照射到眼睛時，會使人的瞳孔縮小，有利于人們對道路各種情況以及突發(fā)狀況的觀察和應(yīng)變。美國能源部DOE 將其稱為“光譜提升照明”，將光源的明暗視覺光度值之比稱作S/P 值，藍(lán)光所占比例越高，S/P 值越大，人的視覺敏銳度越高。

實(shí)踐證明，一味強(qiáng)調(diào)藍(lán)光或者是只有單純的藍(lán)光照射其實(shí)對人的視覺影響是弊大于利的，紅光在光譜中頻率最低，因此紅光對人的視覺影響較弱，有利于人們對光的舒適度感受。根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)研究，紅光對弱近視患者有顯著的治療作用，可以緩解眼部疲勞，改善視力，降低眼壓。對于長期奔波在道路中的司機(jī)來說，紅光可緩解他們的行車疲勞，有助于減少交通事故的發(fā)生，減少光污染。對于道路照明，標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45—2006 規(guī)定機(jī)動車道路面亮度在0.5 cd/m2～2 cd/m2，屬于中間視覺。在這個亮度范圍內(nèi)，照明光源的光譜對視覺行為具有更為明顯的影響。實(shí)際表現(xiàn)為:一側(cè)LED 照明的路面看起來很亮，一側(cè)金鹵燈照明路面看起來比較暗，但實(shí)際測量后，前者的路面照度水平明顯不及后者，這個結(jié)果也體現(xiàn)了實(shí)際視覺以及光源的S/P 值評價極其重要性，吸引了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2 各種光源的光譜

光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜?？梢姽獾牟ㄩL為380～780 nm，在這個波長范圍內(nèi)的電磁輻射被稱為可見光。要想得到高質(zhì)量的道路照明效果，應(yīng)該做好路燈光譜的現(xiàn)場測量工作。

光源對物體真實(shí)色彩的呈現(xiàn)程度稱為顯色性，也就是還原色彩的逼真能力，顯色性高的光源對顏色的表現(xiàn)較好，在此光源下我們所看到的顏色也就更接近自然顏色，顯色性低的光源對顏色的表現(xiàn)較差，我們所看到的顏色偏差也較大。在道路照明中，燈光的顯色性較為重要，關(guān)乎行車時的視覺感受以及人所看到的真實(shí)顏色與實(shí)際顏色的差異，影響著人面臨突發(fā)狀況的反應(yīng)能力。無論是人類制造的各種光源，還是物質(zhì)發(fā)出的光，顯色性都沒有日光也就是太陽光的顯色性好，太陽光的光譜(見圖1)在各個顏色段都有分布，且各顏色段的顏色相對光譜高。白熾燈光譜是連續(xù)光譜(見圖2)，正常的可見光波長為380～780 nm，而白熾燈光譜較接近太陽光，所以白熾燈的顯色性好，也更適于室內(nèi)照明。在日常的道路照明中，鈉燈的使用最為廣泛，我們可以從鈉燈的光譜圖像(圖3)中可以看出，鈉燈在黃光部位的能量比較集中，因而黃光在鈉燈照明中占據(jù)了主要的成分，黃光透霧能力強(qiáng)，適用于霧霾天氣，其次黃色燈光誘蟲性較小，能有效抵擋飛蟲的干擾，但其顯色性差。圖4 為金鹵燈的光譜。該光譜由多段窄帶光譜所組成，在可見光波段范圍內(nèi)，其光譜能量分布相對均勻，各波段范圍均有覆蓋，其顯色性較好，因而金鹵燈大多用于城市亮化工程照明、商業(yè)照明、體育場館照明以及生產(chǎn)車間等大場地照明。

由三基色熒光粉發(fā)光的無極熒光燈的光譜見圖5。其光譜能量分布相對均勻，從無極燈的光譜中看出，其具有比較好的顯色性，光源顏色的顯色比較接近于自然的原色，但在600 nm 以上的紅光部分欠缺，這也是無極燈的不足之處，由于無極燈即開即亮的特點(diǎn)，無極燈主要應(yīng)用于隧道、步行街、高桿路燈等。圖6 為LED 的光譜圖像，從中可以看出，LED 的藍(lán)光成分偏高，這有利于提高LED 的發(fā)光效率。LED 色彩飽和度和顯色效果相對不足，隨著高光效、大功率LED 燈生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其發(fā)光效率、顯色性等主要技術(shù)參數(shù)都在不斷改善，在道路照明領(lǐng)域也逐步被推廣使用。

圖1 日光的光譜

圖2 白熾燈的光譜

圖3 鈉燈的光譜

圖4 金鹵燈的光譜

圖5 無極燈的光譜

圖6 LED 的光譜

3 傳統(tǒng)的光譜檢測方法

現(xiàn)有的光譜檢測大多依賴于光譜儀，光譜儀的基本功能是將復(fù)色光在空間上按照不同的波長分離延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長成分及各波長成分的強(qiáng)度等原始信息以供后續(xù)處理分析使用。圖7 為光柵光譜儀的簡單結(jié)構(gòu)。

圖7 光譜儀的簡單結(jié)構(gòu)

光源發(fā)出的光通過狹縫后，近似于點(diǎn)光源發(fā)射的光線，由準(zhǔn)直面鏡將光線變成平行光，再由平面光柵將各波長的光線分開，光線經(jīng)過光柵色散后由聚焦面鏡將同一波長的光聚集在一起，由線型CCD 等檢測器件收集信號，交由后期電路分析計算就能得到光源的光譜信息。光譜儀主要檢測指標(biāo)為色溫、顯色指數(shù)、光譜曲線。通過檢測這些主要指標(biāo)，更加準(zhǔn)確科學(xué)地反映各式電光源的光譜。光譜儀的操作大多停留在實(shí)驗室，使用范圍局限，很難達(dá)到在戶外各種因素的干擾下進(jìn)行準(zhǔn)確的光譜檢測。

4 車載式道路照明光譜檢測系統(tǒng)

為改善傳統(tǒng)光譜儀不便于道路照明現(xiàn)場效果檢測，鹽城師范學(xué)院實(shí)驗中心與鹽城市豐登電子儀器有限公司研制出一種車載式光譜檢測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的光譜儀測量相比，實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度測量，減少了測量人員在檢測時的安全問題，更加方便得到實(shí)時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要測量參數(shù)為道路的色溫和顯色指數(shù)，為此在手持式光譜分析儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，一方面將傳統(tǒng)的靜態(tài)測量改為動態(tài)測量，另一方面增強(qiáng)了抗干擾能力，從室內(nèi)測量到室外測量?；贑CD 傳感器，系統(tǒng)引入λ 余弦修正器，凹面衍射光柵等技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測量效率和精度。

該軟件可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測量以及連續(xù)測量。光譜軟件中各種路燈光源的色溫、顯色指數(shù)、光譜波長、色品坐標(biāo)等近10 項路燈光源色度學(xué)指標(biāo)。

該系統(tǒng)可精確測量LED 燈、金鹵燈、高壓鈉燈等各種路燈光源的色溫、顯色指數(shù)、色品坐標(biāo)等主要技術(shù)參數(shù)，為路燈光源光譜的現(xiàn)場動態(tài)測量和及時數(shù)據(jù)分析提供了科學(xué)可靠的技術(shù)支持。

5 小 結(jié)

隨著車輛使用數(shù)量的增多，夜間的行駛照明日趨重要，提高夜間光照效率，使傳統(tǒng)光源的光譜更貼近于自然光的照射，對路燈的光譜檢測尤為重要。文章涉及的路燈光譜動態(tài)檢測方法，為道路照明的效果檢測提供了一套新型、方便、可靠的檢測手段。

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