LED、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈道路照明效果的研究

姜言泉，高　尚，邵新鵬，楊志強，王　瑩

(1.山東高速青島發展有限公司，山東 青島　266061；2.山東交通學院，山東 濟南　250357；

3.青島鼎騰設計工程技術有限公司，山東 青島　266103；4.山東大學，山東 濟南　250100)

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LED、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈道路照明效果的研究

姜言泉1，高尚2，邵新鵬1，楊志強3，王瑩4

(1.山東高速青島發展有限公司，山東 青島266061；2.山東交通學院，山東 濟南250357；

3.青島鼎騰設計工程技術有限公司，山東 青島266103；4.山東大學，山東 濟南250100)

摘要：對高壓鈉燈、金屬鹵化物燈以及LED三種道路照明常用光源進行分析計算，利用基于視覺功效的MOVE模型得出了三種光源不同的照度修正系數。結果顯示中間視覺情況下人眼感覺到的照度值比明視覺照度計測得的值高10%～20%。此結果對中間視覺照度計的設計、照明工程的節能、燈具布局的合理化等都具有重要的指導意義。

關鍵詞：中間視覺；MOVE模型；照度；道路照明；LED

引言

目前在道路照明中應用較多的是高壓鈉燈、金屬鹵化物燈。但是高壓鈉燈的壽命很短，且顯色性差、耗電量大；而金屬鹵化物燈具有高光效、長壽命、顯色性好、結構緊湊、性能穩定等特點，但市場上的金屬鹵化物燈燈內的填充物中含有汞，一旦燈破損，會對環境造成污染。LED作為一種新型照明光源，具有很多的優勢。道路照明中使用LED將減少電費支出、降低維護成本、提高道路出行安全。目前，大功率白光LED的光效已經超過120lm/W，完全可以為夜間道路照明提供保障。

視覺分為明視覺、暗視覺和中間視覺。中間視覺的亮度范圍為0.001～3cd/m2。夜間道路的亮度一般是1.5cd/m2左右，處于中間視覺范疇。因此，在討論夜間道路照明問題，明視覺和暗視覺體系已不能使用，必須用中間視覺理論來解決。但是，由于中間視覺的亮度范圍內人眼對物體響應的復雜性等因素，中間視覺光譜光效函數還不能確定。

本文利用MOVE模型，確定不同光源的中間視覺條件下光譜光視效能最大值和不同亮度下的照度修正系數，并進行分析比較，得出人眼感受到的照度值和普通照度計測得的照度值的區別，為設計適合中間視覺亮度條件下的照度計提供了依據。

1MOVE模型

確定中間視覺光度學模型的主要方法有異色視亮度匹配法、閃爍光度學測量法、視覺功效法、暗視覺光通量和明視覺光通量比值法等。實際中應用較多的是視覺功效法，基于視覺功效法的模型有很多，比如美國LRC照明研究中心模型、歐盟MOVE模型[1]等。

歐盟國家的不同研究機構對中間視覺下的視覺功效展開了很多研究，他們利用反應時間在內的多種視覺功效建立了兩個中間視覺模型，測量范圍是0.01～10 cd/m2，其中一個是線性模型，如下

(1)

其中M(x)是歸一化函數，V(λ)和V′(λ)分別是明視覺和暗視覺光譜光效函數，x是亮度適應系數，且0≤x≤1。x=1時，Vmes(λ)為明視覺光譜光效函數，最大光視效能為683lm/W；x=0時，Vmes(λ)為暗視覺光譜光效函數，最大光視效能1700lm/W；0

2中間視覺等效照度系數的推導計算

本文選用NAV250W的高壓鈉燈(HPS)和CDO-TT 250W/828的金屬鹵化物燈(MH)，以及20 W的LED燈。這三種光源在暗視覺、明視覺狀態下的光通量以及比值見表1[2]。

表1　三種路燈暗視覺/明視覺狀態下的光通量及比值

根據式(1)可看到x的重要性，2005年Helsinki University of Technology給出了一個計算x值的較為準確的模型[3]，如下

(2)

式中a=0.6816，b=0.02546，c=0.1300，d=0.005522，e=-0.002111，f=-0.01191，Lb為適應亮度。根據表1給出的結果，可以由此公式求得三種光源在中間視覺不同亮度下的x值，見表2。

表2　不同光源不同適應亮度下x值

光譜光視效能是度量輻射引起的視感覺情況的量，陳仲林等利用線性內插法求得光譜光視效能最大值計算式[4]，在實際表征光源對于道路照明的影響時是可行的，其公式如下

(3)

其中ETd是網膜照度，且Lb=ETd/10，Kmm(ETd)為該照度下光譜光視效能的最大值(見表3)。因此我們可以得出適應亮度和最大光譜光視效能的關系如下

(4)

中間視覺光譜光視效能最大值和光源種類無太大關系，可以忽略，而中間視覺照度為[5]

(5)

(6)

其中B是不同光源在不同適應亮度下的照度修正系數，S/P為暗視覺和明視覺狀態下照度的比值，M(x)為使Vmes(λ)取最大值時的歸一化函數。

表4列出了不同適應亮度不同光源時的照度的修正系數，從表中可以看出，人眼感覺到的中間視覺的照度值大于用明視覺照度計測得的照度值，且在適應亮度為1.0～1.5cd·m-2范圍內差別較大，相應的修正系數較大。而夜間道路照明亮度一般為1.5cd·m-2左右，因此對照度進行修正是十分必要的。

表4　不同適應亮度不同光源照度修正系數

3結論

本文對道路照明常用的三種光源在不同適應亮度下進行照度修正，發現在不同亮度情況下人眼實際感受到的照度值要明顯大于實際照度計測量得到的照度值，其中LED燈的修正系數最大，為1.2 lx左右；高壓鈉燈的修正系數最小，為1.17 lx左右。這為隧道照明或夜間的道路照明所用的照度計的設計提供了理論指導，減少了照明設計中因為過度照明而產生的能源浪費，對于燈具的合理布置、節能減排具有重要的意義。

參考文獻

[1] 莊鵬.CIE中間視覺光度學模型的分析和應用[J].照明工程學報，2012，23(3)：35-41.

[2] 金鵬,喻春雨,周奇峰，等.LED在道路照明中的光效優勢[J].光學精密工程，2011,19(1)：51-54.

[3] Helsinki University of Technology. Performance based model for mesopic photometry[R]. MOVE Report,2005.

[4] 陳仲林,楊春宇,何正軍.光譜光視效能最大值研究[J].照明工程學報, 2003, 14(3):1-3.

[5] 李璇,金尚忠,王樂，等.中間視覺條件下不同色溫光源對道路照明的影響[J].光電子·激光,2011,22(7):997-999.

Study of the Road Lighting Effect of LED, HPS and MH

Jiang Yanquan1, Gao Shang2, Shao Xinpeng1, Yang Zhiqiang3, Wang Ying4

(1.ShandongHi-speedQingdaoDevelopmentCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China；3.QingdaoDingtengDesignCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；

4.ShandongUniversity,Jinan250100,China)

Abstract：This paper analyzes three common light sources which are LED, HPS and MH. Illumination correction factor are obtained by MOVE model which is based on visual performance. The results show that illumination felt by human eyes are 10%～20% higher than the value received by an illumination. This result has great guiding significance to energy conservation of illumination work.

Key words:mesopic vision; MOVE model; illuminance; road lighting; LED

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.022