道路照明光源光谱分析与现场检测

刘利明

(宁波市镇海区市政设施养护中心，浙江 宁波 315200)

0 引言

道路照明的作用是使各种车辆的驾驶者与行人在夜间行驶或者出行时能辨认出道路上的各种情况且不感到过分疲劳，以保证安全，以及对光污染的合理控制。经济社会的发展，车辆的使用越来越多，对道路照明检测提出了更高的要求，人们希望照明环境有良好的显色指数和色温。以LED 照明为代表的新型照明系统逐步代替传统照明已成为一个必然的趋势，照明效果的高效性、节能性已得到市场充分认可，GB/T 5700—2008 国家标准也对LED 以及其他种类路灯光源的光谱检测提出具体的检测要求。在努力改善道路照明效果，新型电光源不断推广应用的新形势下，道路照明光谱检测的重要性也在不断提高。

1 路灯光谱的视觉影响

在电光源照明的各式光源的光谱中，蓝光的频率最高，对视觉的影响也最为显著。就此而言，LED 照明更能提高视觉敏锐度。主要是由于高频率的光照射到眼睛时，会使人的瞳孔缩小，有利于人们对道路各种情况以及突发状况的观察和应变。美国能源部DOE 将其称为“光谱提升照明”，将光源的明暗视觉光度值之比称作S/P 值，蓝光所占比例越高，S/P 值越大，人的视觉敏锐度越高。

实践证明，一味强调蓝光或者是只有单纯的蓝光照射其实对人的视觉影响是弊大于利的，红光在光谱中频率最低，因此红光对人的视觉影响较弱，有利于人们对光的舒适度感受。根据临床医学研究，红光对弱近视患者有显著的治疗作用，可以缓解眼部疲劳，改善视力，降低眼压。对于长期奔波在道路中的司机来说，红光可缓解他们的行车疲劳，有助于减少交通事故的发生，减少光污染。对于道路照明，标准CJJ 45—2006 规定机动车道路面亮度在0.5 cd/m2～2 cd/m2，属于中间视觉。在这个亮度范围内，照明光源的光谱对视觉行为具有更为明显的影响。实际表现为:一侧LED 照明的路面看起来很亮，一侧金卤灯照明路面看起来比较暗，但实际测量后，前者的路面照度水平明显不及后者，这个结果也体现了实际视觉以及光源的S/P 值评价极其重要性，吸引了国内外的广泛关注。

2 各种光源的光谱

光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。可见光的波长为380～780 nm，在这个波长范围内的电磁辐射被称为可见光。要想得到高质量的道路照明效果，应该做好路灯光谱的现场测量工作。

光源对物体真实色彩的呈现程度称为显色性，也就是还原色彩的逼真能力，显色性高的光源对颜色的表现较好，在此光源下我们所看到的颜色也就更接近自然颜色，显色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。在道路照明中，灯光的显色性较为重要，关乎行车时的视觉感受以及人所看到的真实颜色与实际颜色的差异，影响着人面临突发状况的反应能力。无论是人类制造的各种光源，还是物质发出的光，显色性都没有日光也就是太阳光的显色性好，太阳光的光谱(见图1)在各个颜色段都有分布，且各颜色段的颜色相对光谱高。白炽灯光谱是连续光谱(见图2)，正常的可见光波长为380～780 nm，而白炽灯光谱较接近太阳光，所以白炽灯的显色性好，也更适于室内照明。在日常的道路照明中，钠灯的使用最为广泛，我们可以从钠灯的光谱图像(图3)中可以看出，钠灯在黄光部位的能量比较集中，因而黄光在钠灯照明中占据了主要的成分，黄光透雾能力强，适用于雾霾天气，其次黄色灯光诱虫性较小，能有效抵挡飞虫的干扰，但其显色性差。图4 为金卤灯的光谱。该光谱由多段窄带光谱所组成，在可见光波段范围内，其光谱能量分布相对均匀，各波段范围均有覆盖，其显色性较好，因而金卤灯大多用于城市亮化工程照明、商业照明、体育场馆照明以及生产车间等大场地照明。

由三基色荧光粉发光的无极荧光灯的光谱见图5。其光谱能量分布相对均匀，从无极灯的光谱中看出，其具有比较好的显色性，光源颜色的显色比较接近于自然的原色，但在600 nm 以上的红光部分欠缺，这也是无极灯的不足之处，由于无极灯即开即亮的特点，无极灯主要应用于隧道、步行街、高杆路灯等。图6 为LED 的光谱图像，从中可以看出，LED 的蓝光成分偏高，这有利于提高LED 的发光效率。LED 色彩饱和度和显色效果相对不足，随着高光效、大功率LED 灯生产技术的不断改进与创新，其发光效率、显色性等主要技术参数都在不断改善，在道路照明领域也逐步被推广使用。

图1 日光的光谱

图2 白炽灯的光谱

图3 钠灯的光谱

图4 金卤灯的光谱

图5 无极灯的光谱

图6 LED 的光谱

3 传统的光谱检测方法

现有的光谱检测大多依赖于光谱仪，光谱仪的基本功能是将复色光在空间上按照不同的波长分离延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。图7 为光栅光谱仪的简单结构。

图7 光谱仪的简单结构

光源发出的光通过狭缝后，近似于点光源发射的光线，由准直面镜将光线变成平行光，再由平面光栅将各波长的光线分开，光线经过光栅色散后由聚焦面镜将同一波长的光聚集在一起，由线型CCD 等检测器件收集信号，交由后期电路分析计算就能得到光源的光谱信息。光谱仪主要检测指标为色温、显色指数、光谱曲线。通过检测这些主要指标，更加准确科学地反映各式电光源的光谱。光谱仪的操作大多停留在实验室，使用范围局限，很难达到在户外各种因素的干扰下进行准确的光谱检测。

4 车载式道路照明光谱检测系统

为改善传统光谱仪不便于道路照明现场效果检测，盐城师范学院实验中心与盐城市丰登电子仪器有限公司研制出一种车载式光谱检测系统，与传统的光谱仪测量相比，实现了高效率、高精度测量，减少了测量人员在检测时的安全问题，更加方便得到实时数据。该系统主要测量参数为道路的色温和显色指数，为此在手持式光谱分析仪的基础上进行改进，一方面将传统的静态测量改为动态测量，另一方面增强了抗干扰能力，从室内测量到室外测量。基于CCD 传感器，系统引入λ 余弦修正器，凹面衍射光栅等技术，进一步提高了系统的测量效率和精度。

该软件可实现定点测量以及连续测量。光谱软件中各种路灯光源的色温、显色指数、光谱波长、色品坐标等近10 项路灯光源色度学指标。

该系统可精确测量LED 灯、金卤灯、高压钠灯等各种路灯光源的色温、显色指数、色品坐标等主要技术参数，为路灯光源光谱的现场动态测量和及时数据分析提供了科学可靠的技术支持。

5 小 结

随着车辆使用数量的增多，夜间的行驶照明日趋重要，提高夜间光照效率，使传统光源的光谱更贴近于自然光的照射，对路灯的光谱检测尤为重要。文章涉及的路灯光谱动态检测方法，为道路照明的效果检测提供了一套新型、方便、可靠的检测手段。

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