道路照明光源光譜分析與現場檢測

劉利明

(寧波市鎮海區市政設施養護中心，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。經濟社會的發展，車輛的使用越來越多，對道路照明檢測提出了更高的要求，人們希望照明環境有良好的顯色指數和色溫。以LED 照明為代表的新型照明系統逐步代替傳統照明已成為一個必然的趨勢，照明效果的高效性、節能性已得到市場充分認可，GB/T 5700—2008 國家標準也對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狀況的觀察和應變。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，藍光所占比例越高，S/P 值越大，人的視覺敏銳度越高。

實踐證明，一味強調藍光或者是只有單純的藍光照射其實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。根據臨床醫學研究，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生，減少光污染。對于道路照明，標準CJJ 45—2006 規定機動車道路面亮度在0.5 cd/m2～2 cd/m2，屬于中間視覺。在這個亮度范圍內，照明光源的光譜對視覺行為具有更為明顯的影響。實際表現為:一側LED 照明的路面看起來很亮，一側金鹵燈照明路面看起來比較暗，但實際測量后，前者的路面照度水平明顯不及后者，這個結果也體現了實際視覺以及光源的S/P 值評價極其重要性，吸引了國內外的廣泛關注。

2 各種光源的光譜

光譜是復色光經過色散系統(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，全稱為光學頻譜。可見光的波長為380～780 nm，在這個波長范圍內的電磁輻射被稱為可見光。要想得到高質量的道路照明效果，應該做好路燈光譜的現場測量工作。

光源對物體真實色彩的呈現程度稱為顯色性，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，關乎行車時的視覺感受以及人所看到的真實顏色與實際顏色的差異，影響著人面臨突發狀況的反應能力。無論是人類制造的各種光源，還是物質發出的光，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了主要的成分，黃光透霧能力強，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，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、商業照明、體育場館照明以及生產車間等大場地照明。

由三基色熒光粉發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，無極燈主要應用于隧道、步行街、高桿路燈等。圖6 為LED 的光譜圖像，從中可以看出，LED 的藍光成分偏高，這有利于提高LED 的發光效率。LED 色彩飽和度和顯色效果相對不足，隨著高光效、大功率LED 燈生產技術的不斷改進與創新，其發光效率、顯色性等主要技術參數都在不斷改善，在道路照明領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 傳統的光譜檢測方法

現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度等原始信息以供后續處理分析使用。圖7 為光柵光譜儀的簡單結構。

圖7 光譜儀的簡單結構

光源發出的光通過狹縫后，近似于點光源發射的光線，由準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為色溫、顯色指數、光譜曲線。通過檢測這些主要指標，更加準確科學地反映各式電光源的光譜。光譜儀的操作大多停留在實驗室，使用范圍局限，很難達到在戶外各種因素的干擾下進行準確的光譜檢測。

4 車載式道路照明光譜檢測系統

為改善傳統光譜儀不便于道路照明現場效果檢測，鹽城師范學院實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，與傳統的光譜儀測量相比，實現了高效率、高精度測量，減少了測量人員在檢測時的安全問題，更加方便得到實時數據。該系統主要測量參數為道路的色溫和顯色指數，為此在手持式光譜分析儀的基礎上進行改進，一方面將傳統的靜態測量改為動態測量，另一方面增強了抗干擾能力，從室內測量到室外測量。基于CCD 傳感器，系統引入λ 余弦修正器，凹面衍射光柵等技術，進一步提高了系統的測量效率和精度。

該軟件可實現定點測量以及連續測量。光譜軟件中各種路燈光源的色溫、顯色指數、光譜波長、色品坐標等近10 項路燈光源色度學指標。

該系統可精確測量LED 燈、金鹵燈、高壓鈉燈等各種路燈光源的色溫、顯色指數、色品坐標等主要技術參數，為路燈光源光譜的現場動態測量和及時數據分析提供了科學可靠的技術支持。

5 小 結

隨著車輛使用數量的增多，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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