中間視覺環(huán)境道路照明光源等效亮度研究

嚴曉龍 邊玉亮 馮瑩瑩

摘要：在中間視覺環(huán)境下以試驗色光源的品色坐標、敏感主波長和網(wǎng)膜照度為參數(shù)，對道路照明光源的等效亮度進行了研究，并建立了中間視覺環(huán)境下的等效亮度模型.此外，基于等效亮度設計了白綠色道路節(jié)能光源.結合等效亮度與實際亮度比值系數(shù)Leq/L，對設計光源與當下多種常用傳統(tǒng)光源的節(jié)能性進行對比分析，得出了549nm主波長白綠光源照明效果最好、安全性最佳，以及538nm主波長白綠光源能耗最低、節(jié)能性最好的結論.

關鍵詞：中間視覺;等效亮度;節(jié)能性

中圖分類號：U491.5+3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0075-05

1 引言

隨著時代的不斷發(fā)展，大眾的節(jié)能意識在不斷提升，而現(xiàn)如今照明領域也在保證照明安全的基礎上，不斷強調照明光源的節(jié)能性問題[1].當下道路照明光源節(jié)能性的評價指標很多，光源發(fā)光效率、光譜光視效能和照明功率密度LPD等均可以在一定程度上反映光源節(jié)電性能[2].而且從上個世紀80年代開始，以美國和歐盟國家為首的發(fā)達國家的照明領域專家學者基于國際照明委員會CIE提出的照明標準和實驗條件，采用了諸如視覺功效法、回歸分析法等不同的研究方法和算法，對上述光源節(jié)電性能指標的進行了詳盡的測量統(tǒng)計和深入的推理研究.但上述幾項評價指標存在著計算方法較為復雜的缺點，而國際照明委員會CIE后期建議的等效亮度經(jīng)驗公式具有計算方便、表達直觀等優(yōu)點，因此近年來被強烈推薦使用.

眾所周知，亮度是衡量光源照射物體最直觀的計量單位，且可以通過亮度計等物理實驗儀器來獲得光源的發(fā)光亮度值.但人眼是一個在錐狀與桿狀兩種細胞影響下實現(xiàn)視覺功能的復雜結構，光線進入人眼轉化成的感知亮度才是實際亮度，所以從等效亮度出發(fā)，對實際道路光源的節(jié)電和安全進行評價才更加合理[3].此外，人眼對不同觀察亮度下的顏色響應敏感程度也各不相同，而光源的顏色受波長和色坐標的影響[4].因此本文從等效亮度出發(fā)，結合光源主波長和品色坐標，對照明光源的實際發(fā)光效率和節(jié)電性能進行研究.

國際照明委員會CIE推薦了一個將實際亮度轉化為等效亮度的公式[5]，但該經(jīng)驗公式僅適用于明視覺（>=3.0cd/m2）、2度視場的照明環(huán)境.而實際的道路照明是處于中間視覺亮度范圍條件下的（0.1-3.0cd/m2），除此之外，在我國的交通道路照明環(huán)境中，機動車駕駛員的視場普遍是要大于2度的，因此該經(jīng)驗公式在中間視覺條件下進行應用時，必然會對等效亮度的運算產生較大偏差.綜上所述，本研究對CIE推薦的明視覺等效亮度經(jīng)驗公式進行改進，將公式中在明視覺條件下的物理亮度值作了匹配中間視覺環(huán)境條件的科學轉換，以達到對中間視覺道路光源等效亮度的準確評價.又結合之前的研究得到白綠色光源（510-550nm）的道路照明效果優(yōu)越的論據(jù)，因此在510-550nm該波長段內選取多個不同主波長值的白綠色光源對其等效亮度做對比分析，從而找出在不損失照明安全性的同時，節(jié)電性最好的白綠色道路光源.

對表5數(shù)據(jù)作擬合得出510-550nm內主波長和亮度比值系數(shù)Leq/L的關系曲線如圖3：

通過上述分析可知，當光源以549nm為主波長進行設計時，其等效亮度值最大，因此549nm光源的照明效果最好，安全性最佳，Leq/L值處于較高水平，節(jié)能性也較好.當光源以538nm為主波長進行設計時，其等效亮度值較大，照明效果和安全性較好，Leq/L值最高，在保證同等視看亮度的條件下所需能耗最低，故從節(jié)能角度出發(fā)并綜合各種因素，同比其他白綠照明燈具，538nm光源的節(jié)能性價比最高.

4 白綠色光源與常用照明光源節(jié)能性對比

目前我國道路照明光源種類較多，其中既有傳統(tǒng)的高壓鈉燈、金屬鹵化燈等，又有近年來非常流行的新型照明光源，比如熒光無極燈、LED等[11].道路照明屬于室外照明，該類光源由于在實際使用時存在工作時間長、更換復雜、檢修不便等客觀原因，在選材時尤其注重照明光源的運行壽命與照明效率等問題[12].如何在保障照明安全的同時有效地降低燈具能耗是照明設計中尤為重視的課題，因此道路照明節(jié)能問題已經(jīng)成為今后國內外道路照明研究的重點方向之一.

本節(jié)選取我國較為通用的金鹵燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈等照明燈具與本文538nm主波長白綠色光源在中間視覺范疇進行節(jié)能性對比實驗，實驗燈具的色坐標及等效亮度如表6所示：

由表6可知，538nm白綠光源的亮度比值系數(shù)明顯優(yōu)于其它傳統(tǒng)燈具.以表5和表6數(shù)據(jù)作為參量，擬合不同實驗照明光源中間視覺Leq/L值對比柱狀圖如圖4所示.

由表6數(shù)據(jù)可知，金鹵燈、高壓鈉燈和鎢絲鎮(zhèn)流燈的等效亮度較低，且與實際亮度的比值系數(shù)Leq/L均小于1，節(jié)電性能較差;低壓鈉燈、藍白色LED燈的等效亮度略大于實際亮度（Leq/L>1），節(jié)電性能一般;538nm主波長白綠光等效亮度明顯大于實際亮度，節(jié)電性能優(yōu)秀.且通過后續(xù)實驗數(shù)據(jù)可知，即使在整個白綠光波長范圍內，白綠道路照明光源的等效亮度與實際亮度比值系數(shù)Leq/L也普遍高于傳統(tǒng)照明燈具.

5 小結

本文主要在中間視覺環(huán)境和10度視場條件下，從道路照明光源的主波長和色品坐標出發(fā)，結合敏感亮度和網(wǎng)膜照度等相關參數(shù)，將人眼測試實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行科學的篩選擬合后，再將CIE推薦的明視覺道路照明環(huán)境、2度視場等效亮度經(jīng)驗公式進行合理轉化，推導出了中間視覺環(huán)境下的等效亮度模型.再結合之前研究結論，利用該模型對510-550nm波長段內白綠色光源進行等效亮度值Leq以及亮度比值系數(shù)Leq/L的計算，在不犧牲照明光源安全的前提下對燈具的節(jié)電性給出了合理評價.通過計算和相關實驗分析，得出了549nm主波長光源照明效果最好、安全性最佳，以及538nm主波長光源能耗最低、節(jié)能性最好的結論.最后通過和目前其他主流道路照明光源的對比實驗，驗證了該結論的正確性，并證實了在白綠波長范圍內整體光源的等效亮度與實際亮度比值系數(shù)Leq/L均優(yōu)于傳統(tǒng)照明燈具.上述研究為今后中間視覺節(jié)能領域研究提供了可靠的理論模型和準確的數(shù)據(jù)參考，并對道路照明節(jié)能具有較為實際的應用價值.

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