光源闪烁对眩光评价的影响

康品春，阮育娇

0 引言

随着成像检测技术的发展，成像亮度计越来越多地应用于现场照明环境眩光的评价。目前国内对于眩光评价的研究已经取得了很大的进展。由于现场照明环境具有较高的亮度差异，比如路灯亮度可达50kcd/m^2,而路面亮度大于在0.5-5cd/m^2的范围内。而受限于CCD数字精度的影响，目前单幅画面（16位）的数字信号强度只有65536，而单反亮度计（14位）的数字信号强度只有16384。因此目前的眩光评价多采用高动态的测量方法[1]。通过采用不同的曝光时间拍摄多幅亮度画面分别实现对光源和背景曝光，采用高动态算法完成整个照明场景的测量。对于F4光圈的单反眩光亮度计而言，1/640s的曝光时间可以测量10000cd/m^2的光源亮度。因此在实际测量中多采用1/640s-1/4000s范围内的曝光时间对光源进行测量。

国内电光源的闪烁周期一般为100Hz左右[2]。由于供电电压的波动，光源的光输出会呈现周期性的波动。因此当单反眩光亮度计的曝光时间小于1/100的情况下。光源的闪烁将会对眩光评价的结果产生极大的影响，而光源闪烁对眩光评价的影响目前国内还没有相关的研究。本文将道路眩光评价为例研究光源闪烁对眩光评价的影响。

表1 常用电光源的频闪深度列表

1 眩光的评价

眩光的评价可分为室内眩光和室外眩光，室内眩光的评价主要依据国标GB50033[3]和GB0034[4]，室外道路照明检测多依据GB5700-2008[5]和CJJ45-2015[6]。室外眩光以阈值增量TI眩光评价指标，EN13201定义的阈值增量的计算公式如下[7]：

因此阈值增量的评价需要识别每个光源并给出每个光源的垂直面照度和空间角度，并且如果某个光源光幕亮度大于前面光源光幕亮度之和的2%时则计入总光源光幕亮度。

而路面亮度信息需要给出整个路面的平均亮度、纵向均匀性和整体均匀性。由于二维成像亮度计拍摄的矩形路面经过镜头成像会显示为梯形，因此对路面亮度分析时，需要将梯形路面做空间变换为矩形。

图2

2 眩光测量方案和流程

本文采用的眩光亮度计为国内科涅迩光电的Kernel-70D眩光亮度计。

仪器参数：光圈F4、ISO100、镜头焦距为17mm、调焦模式为手动调、图像格式CR2原始图像；

眩光检测模式：高动态模式和闪烁光源检测模式；

检测路段：江苏盐城世纪大道路段；

路灯类型：高压钠灯；

测量高度：1.5m；

实验方案设计：为了考察光源闪烁对眩光评价的结果的影响，我们对光源图像采用的曝光时间分别为1/4000s，1/200s，1/50s和1//10s。每个曝光时间分别拍摄5次。针对路面的曝光时间为3.2s，中间曝光时间为1/5s。

图3

3 结果与分析

因为路面亮度的图像采用的曝光时间为3.2s，远远超出光源的闪烁周期，因此闪烁对路面亮度的影响微乎其微。

图4

3.1 高动态模式眩光分析结果

图5

表2 路面亮度的分析结果

五次测量的阈值增量的结果分别为2.5884、4.6623、4.7259、4.02和4，标准偏差为0.7692。重复性为19.42%。

表3 分析第一个光源的平均亮度和阈值增量的变化

可以看到第一个光源的平均亮度存在着很大的变化，这是由于眩光测试时，1/4000s的曝光时间远小于钠灯的闪烁周期。因此其测量结果存在很大的随机性，当测量时处于钠灯闪烁周期的波谷时，光源的亮度较低，而当眩光亮度计测量时处于钠灯闪烁周期的波峰时，光源亮度较高。

从表3可以看到第一个光源在阈值增量的结果中所占比例最大，下面我们分析第一个光源在不同曝光时间下的面积、亮度和阈值增量的变化。

3.2 闪烁光源分析模式眩光分析结果

由于路灯亮度远远高于10000cd/m^2,因此在采用较短曝光时间的时候会产生光源过曝的现象，影响亮度测量结果。因此在考察短曝光时间下光源闪烁的影响时，需要采用闪烁光源测试模式，在短曝光的情况下降低进入镜头的光通量。

下图为光源曝光时间采用1/200s、1/50s和1/10s时五次测量的阈值增量的变化图。可以看到曝光时间在1/200s的情况下，阈值增量结果波动较大，而曝光时间在1/50s和1/10s则有明显的改善。

图6

分析不同曝光时间下测量结果的标准偏差和重复性如下图所示，当光源的曝光时间小于灯具的闪烁周期时，测量结果的标准偏差较大，重复性较差，而当曝光时间为1/50s（光源闪烁周期的2倍）和1/10s（光源闪烁周期的10倍）时，测量结果的标准偏差较小，测量结果的重复性分别达到0.8961%和0.6259%，而Kernel-70D眩光亮度计本身的亮度测量结果重复性为0.5%，因此当曝光时间超过光源闪烁周期的10倍时，光源闪烁本身对测量结果的重复性的影响不再占主导地位。

4 结论

通过采用眩光亮度计分析道路钠灯闪烁对眩光测量结果的影响，发现目前针对光源亮度部分采用较低曝光时间的测量方法，虽然可以避免光源过曝对亮度测量结果带来的误差。但是由于光源闪烁的影响，眩光亮度计在测量光源时的曝光时间远远低于钠灯的闪烁周期，因此导致测量结果的重复性较差，无法满足现场照明环境眩光评价的要求。本文我们分别分析了眩光亮度计在1/4000s、1/200s、1/50s和1/10s曝光时间下眩光结果。1/4000s的图像采用了高动态的分析方法，虽然光源亮度没有产生过曝的情况，但是由于钠灯闪烁的影响，导致了测量结果的重复性较差。因此在1/200s、1/50s和1/10s曝光时间测试中采用了软件中的闪烁光源测量模式避免了光源过曝的影响，通过数据分析发现随着曝光时间的降低，眩光测量结果的标准偏差和重复性越好。当眩光亮度计的曝光时间超过光源的闪烁周期时，眩光测量结果的标准偏差和重复性有明显的降低。当眩光亮度计的曝光时间达到光源闪烁周期的10倍左右时，光源闪烁对眩光测量结果的重复性几乎没有明显的影响。

图7

本文仅仅分析了道路钠灯闪烁对眩光测量结果的影响，而LED路灯和室内LED照明灯具的闪烁效应更加复杂[8,9]，因此还需要进一步对不同灯具的闪烁对不同眩光测量场景分析结果的影响。对进一步完善眩光分析理论和推动眩光测量技术的发展具有重大意义。

[1]Tobias Porsch, Measurement of the Unified Glare Rating (UGR) based on using ILMD,CIE International Conference,2015.

[2]林梅芬.电光源的频闪问题[Z].福建省第十二届水利水电青年学术交流会.2008.

[3]GB50033-2013,建筑采光照明设计标准.

[4]GB50034-2013,建筑照明设计标准.

[5]GB5700-2008,照明测量方法.

[6]CJJ45-2015,城市道路照明设计标准.

[7]EN13201-2015,Road Lighting.

[8]潘旭辉,牟同升.光源闪烁效应及闪烁的测量方法[Z].中国照明学会学术年会.2005.

[9]余希湖,蒋涌潮.光源闪烁对视觉影响的研究[J].照明工程学报.1996.2(22-26).