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(shè)計了白綠色道路節(jié)能光源.結(jié)合等效亮度與實際亮度比值系數(shù)Leq/L，對設(shè)計光源與當(dāng)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(jié)論.

關(guān)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(lǐng)域也在保證照明安全的基礎(chǔ)上，不斷強調(diào)照明光源的節(jié)能性問題[1].當(dāng)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(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)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(fù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)，光線進入人眼轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)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(zhuǎn)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(yīng)用時，必然會對等效亮度的運算產(chǎn)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(xué)轉(zhuǎn)換，以達到對中間視覺道路光源等效亮度的準確評價.又結(jié)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(nèi)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(nèi)主波長和亮度比值系數(shù)Leq/L的關(guān)系曲線如圖3：

通過上述分析可知，當(dāng)光源以549nm為主波長進行設(shè)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(dāng)光源以538nm為主波長進行設(shè)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(fù)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(shè)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(nèi)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(nèi)，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(jié)

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(jié)合敏感亮度和網(wǎng)膜照度等相關(guān)參數(shù)，將人眼測試實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行科學(xué)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(zhuǎn)化，推導(dǎo)出了中間視覺環(huán)境下的等效亮度模型.再結(jié)合之前研究結(jié)論，利用該模型對510-550nm波長段內(nèi)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(guān)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(jié)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(jié)論的正確性，并證實了在白綠波長范圍內(nèi)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(lǐng)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(yīng)用價值.

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