中间视觉条件下道路照明光源应用节能研究

张晓峰 杨晓晴

(河北建筑工程学院，河北张家口075000)

1 引言

按照国际照明学会(CIE)的规定，亮度水平在几个cd/m2以上的视觉叫做明视觉(Photopic vision)，是人眼锥状细胞在工作;亮度水平在10 cd/m－2以下的视觉叫做暗视觉(Scotopic vision)，是人眼的杆状细胞在工作，介于明视觉和暗视觉之间的叫中间视觉或中介视觉(Mesopic vision)，通常认为中间视觉的亮度水平范围为0.001～3 cd/m2(CIE 1978)，是锥状细胞和杆状细胞交替作用的过程.人眼的锥状体和杆状体两种不同的感光细胞，分别在明视觉和暗视觉起作用，两种细胞的不同光谱响应特性也决定了人眼在两种视觉条件下有不同的光谱光视效率曲线，这些曲线都是由对人眼亮度匹配的实验所得出的，是属于心理物理学的光视效率.在中间视觉条件下，锥状细胞和杆状细胞共同参与作用，且随着背景亮度的变化，两种细胞参与作用的比例也要发生变化，而中间视觉的光视效率也随之不断变化，表现为光谱光视效率为一系列不同的曲线，正是这个原因才导致了中间视觉光度研究的复杂性.在夜晚户外照度水平多处于中间视觉，是同时运用杆状细胞和锥状细胞视觉的彩色曲线，人眼两种光感细胞对光谱响应的贡献程度是不断变化的，从而导致了光谱光视效能的不断变化.道路照明是典型的中间视觉条件下的照明应用，故本文以道路照明为例对这个问题进行探讨.

2 中间视觉条件下光源性能分析

众所周知，人眼的视觉是对照明效果最直观的评价.视觉依赖于照明，照明将提供给人们一个视觉条件，了解视觉系统的物理、生理、知觉条件，对于预言人类行为与照明条件的相关性是很重要的.对于一定的照明亮度范围，评价它是否符合安全的要求、是否符合作业的要求、是否显现物体的轮廓和颜色等问题，被归纳为视觉科学的四个最基本的问题:人类视觉系统对明、暗的感觉特性;对颜色的感觉特性;对空间的感觉特性和对光刺激的时间响应特性，近年来，受到各国科学家的重视并开展研究.

2.1 室外照明光源现状

中间视觉条件下的照明主要是室外照明，分为景观照明、道路照明、广场照明等.室外照明曲型光源有高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、高光效的荧光灯;近年内应用的新型光源有无极荧光灯、LED灯.室外照明用光源多数情况下要求寿命长、光通量大、效率高.主要原因是室外开灯时间长，更换、检查、清洁等维护工作不便的地方很多，希望用较少的灯照明，以便降低设备费用的情况较多，加之由于使用范围大且时间长，要求对用电容量加以控制.同时室外照明的节能更是一个重要的问题，主要是从如何合理地选择光源、灯具;从整个系统如何提高光利用效率、有效使用方法等方面去考虑.

2.2 中间视觉条件下光谱光视效率

大量的理论和实验研究都表明，中间视觉状态下人眼中心(中央)视觉的光谱光视效率在一定程度上可以沿用明视觉下的V(λ)曲线，因为视网膜中央主要分布的是锥状细胞，明视觉状态下主要是锥状细胞发挥作用，V(λ)曲线正反映了它的特性.但在周边视觉上，视觉对光谱的响应特性会发生不可忽视的改变.在中间视觉状态下，周边视觉能力主要受杆状细胞的影响，此时人眼对短波长光更加敏感.在中间视觉状态下，人眼的边缘视觉起了更大的作用.它对于短波长的光比长波长的光更为敏感.

以LED灯为例，进行测试，在相同环境亮度条件下，不同色温白光LED的中间视觉光谱效率函数非常接近，而色温相对较高的LED灯具有比色温较低的LED更高的等效亮度，这主要是由于高色温白光LED短波辐射在整个光谱分布中所占的比重较大，而光谱视觉函数在中间视觉范围内呈现向短波方向移动的特点，因此，高色温的LED灯的中间视觉光通量也较大，等效亮度也更高.

2.3 背景亮度及视标对比度对人的反应时间的影响

在道路照明条件下，为了保障交通安全，提高交通运输效率，实现道路照明科学节能，我们用反应时间来表示驾驶员夜间行车时中间视觉和光生物效应的总视觉效果.所谓反应时间指的是从刺激开始到观察者开始作出反应的时间.在夜间驾驶过程中，反应时间与交通安全密切有关.从大量的实测与事故统计分析结果来看，反应时间一旦变长，往往就会丧失采取应急措施的良机，酿成交通事故.日本关于交通肇事次数与反应时间关系的调查结果表明，驾驶员的反应时间越长，交通肇事次数越多.据研究表明，道路照明的反应时间长短不但与照明水平、对比度大小、视标偏心角大小等有关，而且还与光源的色温高低有关.在进行道路照明设计时，可在保证反应时间长短不变时，选择在规定的照明水平条件下反应时间较短的光源，这样有利于降低道路照明功率密度值，达到照明科学节能的目的.依据相关资料做如下分析:

大量的实验及研究，证明在中间视觉范围内，反应时间随背景亮度、视标对比度和视标偏心角的不同而发生变化，视标与背景的对比较弱时，反应时间就会延长.低对比度和低亮度环境下，高色温的光源比低色温光源视觉功效较低.增大对比度后高色温光源视觉功效提高.因此，当总体亮度较低、目标与道路路面背景的亮度对比度较小时，以高色温、高显色性为特色的LED照明不具有优势.且金卤灯照明下的反应时间均明显低于高压钠灯，即金卤灯产生的视觉功效高于高压钠灯.当视标对比度降低时，高压钠灯和金卤灯的反应时间都会增加.同时，高压钠灯与金卤灯反应时间的比值亦有扩大的趋势，这不仅证明了人眼识别目标与感知阈值有关，也说明了金卤灯产生的视觉功效高于高压钠灯.同样，随着视标偏心角的增大，高压钠灯与金卤灯的反应时间亦会增加，但与高压钠灯相比，金卤灯在视标偏心角为10°时产生的视觉功效比它在视标偏心角为0°时的视觉功效高，即在周边视觉时，金卤灯比高压钠灯的照明效果更好.

2.4 从相对光谱能量分布分析道路照明条件下光源的视觉功效

2.4.1 无极灯与高压钠灯的比较

图1显示了高压钠灯(400 W)的相对光谱能量分布曲线及三条明、暗视觉下的光谱光视效率函数曲线.从图1可清晰看出，明视觉下高压钠灯有高的光效是由于它的辐射能量光谱主要集中在560nm到620nm之间，正好在明视觉函数的峰值附近.但在暗视觉及中间视觉下，由于高压钠灯在蓝光和绿光部分(505 nm附近及505 nm至555nm之间)几乎没有辐射能量输出，所以有效光效就会明显减少.图2显示了无极荧光灯(200 W)的相对光谱能量分布曲线及三条明、暗视觉下的光谱光视效率函数曲线.从图2的相对光谱能量分布可以看出，无极荧光灯在436nm、545nm、610nm均出现了极大值，属典型的三基色荧光光谱，在蓝光、绿光部分有较大的能量输出，可见，无极荧光灯在明视觉条件下的光效不如在暗视觉下的光效.因为在进入暗视觉时，无极荧光灯的能量输出的某些峰值落在了暗视觉下的光谱光视效率函数曲线的高灵敏度区域，在中间视觉下，光谱光视效率函数曲线介于明视觉光谱光视效率函数(曲线)与暗视觉光谱光视效率函数(曲线)之间的一系列曲线，无固定值，但也会有能量输出的某些峰值落在这些曲线的高灵敏度区域，故无极荧光灯的有效光效随着亮度水平的下降即在中间视觉环境下会有显著提高.

由于光谱功率分布不同，有些光源的发光效率会随人眼适应水平的变化而变化，这一特点要求人们对不同亮度水平下的照明应该区别对待，塑造相适应的道路照明形象，并实现节能的目的.所以相同照明强度下，无极荧光灯的视觉光效更高些，人眼感觉会更亮，这样道路照明的背景亮度采用无极灯要比采用高压钠灯亮度高，从而使人的反应时间缩短.

2.4.2 LED灯和金属卤素灯及高压钠灯的光效比较

依据相关数据资料显示:光源的发光效率随环境照明强度而变化;在相同环境照明条件下，与明视觉状态下测量的发光效率相比，LED路灯和金属卤素路灯在中间视觉状态下的发光效率均有显著的增加，然而高压钠灯的发光效率却大大降低，并且LED光源增加的幅度最大，是比较理想的路灯光源;在中间视觉状态下，当环境照明亮度从0.03cd/m2变化到0.1cd/m2再变化到0.3cd/m2时，标准LED路灯的发光效率首先从131.21m/W降到122.71m/W，然后又上升到140.51m/W.这是由于人眼视觉响应是随环境照明变化的.因此，通过光谱优化可以得到发光效果令人满意的LED光源.其实任何光源在明视觉、中间视觉及暗视觉条件下发出的可见光光谱是一样的，但由于光通量的定义是人眼主观感觉的可见光部分，所以造成两种条件下光通量有很大差别.

3 结论

综上所述，在中间视觉条件下，道路照明的合理设计不仅与光源的光效、亮度、光衰、显色性、寿命等性能有关;还与背景亮度、视标对比度和视标偏心角等诸多因素有关.而很多因素在中间视觉条件下均发生了变化，故在进行设计时需要对诸多因素进行修正后才能与实际的路面机动车驾驶员的视看条件相一致.因此，尽快标定出中间视觉条件下的光谱光视效率函数以及光谱光视效能，是进行道路照明合理设计的核心内容.由于光通量的定义是人眼主观感觉的可见光部分，而眼睛的敏感度又不是恒定不变的.所以中间视觉条件下照明的节能设计不能单纯从光源的发光效率考虑，还必须考虑到人眼的视觉功效及人的反应时间.这对照明节能设计有直接的指导意义.

［1］林燕丹.中间视觉状态下人眼视觉功能的光谱响应特性研究［D］.上海:复旦大学博士学位论文，2004，10

［2］金鹏，喻春雨.LED灯在道路照明中的光效优势［J］.光学精密工程，2011，1

［3］祁增慧，桂垣，杨晓晴.无级荧光灯应用节能分析［J］.照明工程学报，2011，3

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