中间视觉环境道路照明光源等效亮度研究

严晓龙 边玉亮 冯莹莹

摘要：在中间视觉环境下以试验色光源的品色坐标、敏感主波长和网膜照度为参数，对道路照明光源的等效亮度进行了研究，并建立了中间视觉环境下的等效亮度模型.此外，基于等效亮度设计了白绿色道路节能光源.结合等效亮度与实际亮度比值系数Leq/L，对设计光源与当下多种常用传统光源的节能性进行对比分析，得出了549nm主波長白绿光源照明效果最好、安全性最佳，以及538nm主波长白绿光源能耗最低、节能性最好的结论.

关键词：中间视觉;等效亮度;节能性

中图分类号：U491.5+3  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0075-05

1 引言

随着时代的不断发展，大众的节能意识在不断提升，而现如今照明领域也在保证照明安全的基础上，不断强调照明光源的节能性问题[1].当下道路照明光源节能性的评价指标很多，光源发光效率、光谱光视效能和照明功率密度LPD等均可以在一定程度上反映光源节电性能[2].而且从上个世纪80年代开始，以美国和欧盟国家为首的发达国家的照明领域专家学者基于国际照明委员会CIE提出的照明标准和实验条件，采用了诸如视觉功效法、回归分析法等不同的研究方法和算法，对上述光源节电性能指标的进行了详尽的测量统计和深入的推理研究.但上述几项评价指标存在着计算方法较为复杂的缺点，而国际照明委员会CIE后期建议的等效亮度经验公式具有计算方便、表达直观等优点，因此近年来被强烈推荐使用.

众所周知，亮度是衡量光源照射物体最直观的计量单位，且可以通过亮度计等物理实验仪器来获得光源的发光亮度值.但人眼是一个在锥状与杆状两种细胞影响下实现视觉功能的复杂结构，光线进入人眼转化成的感知亮度才是实际亮度，所以从等效亮度出发，对实际道路光源的节电和安全进行评价才更加合理[3].此外，人眼对不同观察亮度下的颜色响应敏感程度也各不相同，而光源的颜色受波长和色坐标的影响[4].因此本文从等效亮度出发，结合光源主波长和品色坐标，对照明光源的实际发光效率和节电性能进行研究.

国际照明委员会CIE推荐了一个将实际亮度转化为等效亮度的公式[5]，但该经验公式仅适用于明视觉（>=3.0cd/m2）、2度视场的照明环境.而实际的道路照明是处于中间视觉亮度范围条件下的（0.1-3.0cd/m2），除此之外，在我国的交通道路照明环境中，机动车驾驶员的视场普遍是要大于2度的，因此该经验公式在中间视觉条件下进行应用时，必然会对等效亮度的运算产生较大偏差.综上所述，本研究对CIE推荐的明视觉等效亮度经验公式进行改进，将公式中在明视觉条件下的物理亮度值作了匹配中间视觉环境条件的科学转换，以达到对中间视觉道路光源等效亮度的准确评价.又结合之前的研究得到白绿色光源（510-550nm）的道路照明效果优越的论据，因此在510-550nm该波长段内选取多个不同主波长值的白绿色光源对其等效亮度做对比分析，从而找出在不损失照明安全性的同时，节电性最好的白绿色道路光源.

对表5数据作拟合得出510-550nm内主波长和亮度比值系数Leq/L的关系曲线如图3：

通过上述分析可知，当光源以549nm为主波长进行设计时，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值处于较高水平，节能性也较好.当光源以538nm为主波长进行设计时，其等效亮度值较大，照明效果和安全性较好，Leq/L值最高，在保证同等视看亮度的条件下所需能耗最低，故从节能角度出发并综合各种因素，同比其他白绿照明灯具，538nm光源的节能性价比最高.

4 白绿色光源与常用照明光源节能性对比

目前我国道路照明光源种类较多，其中既有传统的高压钠灯、金属卤化灯等，又有近年来非常流行的新型照明光源，比如荧光无极灯、LED等[11].道路照明属于室外照明，该类光源由于在实际使用时存在工作时间长、更换复杂、检修不便等客观原因，在选材时尤其注重照明光源的运行寿命与照明效率等问题[12].如何在保障照明安全的同时有效地降低灯具能耗是照明设计中尤为重视的课题，因此道路照明节能问题已经成为今后国内外道路照明研究的重点方向之一.

本节选取我国较为通用的金卤灯、高压钠灯、低压钠灯等照明灯具与本文538nm主波长白绿色光源在中间视觉范畴进行节能性对比实验，实验灯具的色坐标及等效亮度如表6所示：

由表6可知，538nm白绿光源的亮度比值系数明显优于其它传统灯具.以表5和表6数据作为参量，拟合不同实验照明光源中间视觉Leq/L值对比柱状图如图4所示.

由表6数据可知，金卤灯、高压钠灯和钨丝镇流灯的等效亮度较低，且与实际亮度的比值系数Leq/L均小于1，节电性能较差;低压钠灯、蓝白色LED灯的等效亮度略大于实际亮度（Leq/L>1），节电性能一般;538nm主波长白绿光等效亮度明显大于实际亮度，节电性能优秀.且通过后续实验数据可知，即使在整个白绿光波长范围内，白绿道路照明光源的等效亮度与实际亮度比值系数Leq/L也普遍高于传统照明灯具.

5 小结

本文主要在中间视觉环境和10度视场条件下，从道路照明光源的主波长和色品坐标出发，结合敏感亮度和网膜照度等相关参数，将人眼测试实验中获得的数据进行科学的筛选拟合后，再将CIE推荐的明视觉道路照明环境、2度视场等效亮度经验公式进行合理转化，推导出了中间视觉环境下的等效亮度模型.再结合之前研究结论，利用该模型对510-550nm波长段内白绿色光源进行等效亮度值Leq以及亮度比值系数Leq/L的计算，在不牺牲照明光源安全的前提下对灯具的节电性给出了合理评价.通过计算和相关实验分析，得出了549nm主波长光源照明效果最好、安全性最佳，以及538nm主波长光源能耗最低、节能性最好的结论.最后通过和目前其他主流道路照明光源的对比实验，验证了该结论的正确性，并证实了在白绿波长范围内整体光源的等效亮度与实际亮度比值系数Leq/L均优于传统照明灯具.上述研究为今后中间视觉节能领域研究提供了可靠的理论模型和准确的数据参考，并对道路照明节能具有较为实际的应用价值.

参考文献：

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