棉花分级室模拟昼光照明的照度均匀度研究

文/雷雷 冉翔涛 张乐柱 王鲁辉 陈昂 都占元 张玉冰

1 引言

照度均匀度是指在规定表面上的最小照度与平均照度之比。照度分布的均匀程度对人的视觉作业工效、舒适性、用眼疲劳程度都有着非常重要的影响。GB/T 2900.65《电工术语 照明》、GB 50034—2004《建筑照明设计标准》、GB/Z 26212《室内照明不舒适眩光》等多项国家标准和相关研究[1-4]均明确提出：纯度高，符合日光色谱，明度反差大的对比色并不容易使人眼产生疲劳。人眼不适的主要原因是照明的光谱、频闪、眩光、照度均匀度等存在问题而引起的。研究表明[2-4]，相同照度水平下，照度均匀度好有助于减轻视觉疲劳。光线分布越均匀说明照度越好，视觉感受越舒服，照度均匀度越接近1越好，反之越小越增加视觉疲劳。当明暗对比达到3:1时，人眼就会明显感觉到明暗的变化。如果视线范围内照度不均匀，人眼在亮暗环境中就需要频繁地来回调节瞳孔大小以适应不同的明暗环境，因此容易引起视觉的疲劳[4]。由于光照亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，而引起的人眼不舒适感、分辨细节或物体的能力减弱的情况就是由于眩光造成的。本文探讨了在GB/T 13786《棉花分级室的模拟昼光照明》新标准对棉花分级室的照度要求并试验证明了照明单元排列的最优条件。

2 对棉花分级室模拟昼光照明的照度均匀度相关要求

棉花分级室模拟昼光照明是使用人工照明单元模拟北纬地区适度多云情况下的理想日光条件，在棉花分级室内实现尽可能接近在自然光线下棉花所呈现的颜色。国家标准中规定的室内工作区（主要指读写活动）照明均匀度在工作面上最小应达到0.7以上。要求参考每个视觉任务的重要程度，结合相关视觉作业对象的尺寸和等效对比度特性，确定需要的照度标准值。棉花颜色级感官评定是一项非常重要且精细的视觉作业，棉花分级室模拟昼光照明不仅要尽可能符合接近理想日光光谱、色温、显色性等技术指标条件，而且要均匀稳定，减轻眼疲劳，提高视觉作业工效和舒适性。在GB/T 13786《棉花分级室的模拟昼光照明》国家标准修订中，提出了棉花分级室模拟昼光照明的照度均匀度应不低于0.8。

3 试验设计与方法

3.1 基于LED光源的D75模拟昼光照明系统

本项研究的棉花分级室是安装了基于LED光源D75模拟昼光照明系统，采用了直下式光路结构（图1），即LED阵列分布于光源箱体顶部，向下照射。直下式照明结构自上而下分为三层：顶部的LED灯珠阵列发光单元、光混合腔体结构、光扩散结构。灯珠的阵列形式和规模依据灯箱总功率、LED灯珠功率、数量以及结构相关特性确定。光源箱整体为框架结构，内部为光学腔体，实现光的传导和混匀，光源箱底部安装有光学扩散板，实现光的进一步匀化处理。

图1 直下式模拟昼光照明系统的光学结构

3.2 棉花分级台（规定照明表面）

根据实验室棉花分级台的面积（2.44m×1.80m），将棉花分级台分为14个区域。示意图如图2所示。

图2 棉花分级台区域划分示意

3.3 试验条件

（1）试验采用的照明单元规格是（0.6×1.2）m，分2排，每排4个照明单元首尾相连，共计8个照明单元。照明单元底部的漫射玻璃（或有机玻璃）和地面平行，与棉花分级台的垂直距离可适当调整（1.80～2.10）m，每行照明单元中心线之间间距可适当调整（1.80～2.30）m。

（2）试验采用2台经计量检定合格的照度计（ST-86L、SPIC-300AW）分别进行测试。

（3）每组测试数据由同一检验人员独立测试完成。穿着中性色工作服，测试时远离感光设备1m以上。

（4）确定测试基准：两行照明单元中心线间距1.80m，照明单元与棉花分级台垂直距离2m，将棉花分级台上的光照强度调整到（1100±100 ）lx，确保棉花分级台上所有区域（中心到边缘）光照强度都在此范围内。

3.4 设计与方法

（1）照明单元间距对照度均匀度的影响试验。设定两行照明单元中心线间距的可调范围是：（1.80～2.30）m。设定照明单元底部与棉花分级台之间的高度为2m。在最小间距和最大间距之间，每次增加5cm，测试14个区域的光照强度，并记录数据。

（2）分级台高度对照度均匀度的影响试验。设定照明单元底部与棉花分级台之间的高度可调范围是：（1.80～2.10）m。按照上面试验所得的最佳条件，确定照明单元间距。在最小高度和最大高度之间，每次增加5cm，测试14个区域的光照强度，并记录数据。

（3）照明单元间距、棉花分级台高度同时变化时，对光照强度均匀度的影响试验。按照每次5cm，调整照明单元间距；按照每次5cm，调整棉花分级台高度；综合两项条件，测试14个区域的光照强度，并记录数据。

每个区域选择边缘、中间、靠近分级台中心3个点测试记录数据，每组14个区域共记录42个数据。

4 结果与讨论

4.1 光照强度：（1100±100）lx

荷兰物理学家科鲁伊索夫（Kruithof）提出[5]，人的眼睛对照明喜好与色温和照度有关，可简单概括为“高色温高照度、低色温低照度”，并给出了色温与照度曲线（Kruithof curve），如图3所示。例如：自然条件下日光的色温为6500 K，照度约为104lx至105lx，此条件下的色温和照度是对接近自然的色彩再现，最容易令人眼感觉舒适。

图3 色温与照度曲线

棉花分级室采用的是模拟昼光D75照明系统，根据科鲁伊索夫曲线图可以分析得出，在D75色温条件下，满足人的眼睛对照明喜好的照度应该在1000 lx以上为佳。同时，根据相关研究结果[6]，确定了棉花分级室照度值为（1100±100）lx。

4.2 照明单元间距：1.8m

在固定照明单元与棉花分级台的距离，采用不同照明单元间距的试验结果表明（图4），照明单元间距在1.8m的情况下，棉花分级台（规定表面）照度值曲线为最优曲线。试验数据表明，随着间距增加或缩小，棉花分级台表面光照强度出现或低或高的变化，曲线波动幅度均有一定程度变大。

图4 照明单元间距与照度关系曲线

4.3 照明单元与棉花分级台的距离：2.0m

在固定照明单元间距，采用不同照明单元与棉花分级台距离的试验结果表明（图5），照明单元与棉花分级台的距离在2.0m的情况下，棉花分级台（规定表面）照度值曲线为最优曲线。试验数据表明，随着垂直距离增加或缩小，棉花分级台表面光照强度出现或低或高的变化，但是，曲线波动幅度变化不大。

图5 照明单元/棉花分级台垂直距离与照度关系曲线

5 小结

棉花颜色级感官评定是一项非常重要且精细的视觉作业，棉花分级室的照明应均匀稳定，减轻人眼的视觉疲劳，提高视觉作业工效和舒适性。为保障照度均匀度更加有利于人眼的适应性和照明的均匀性，在GB/T 13786《棉花分级室的模拟昼光照明》国家标准修订中增加了平均照度和照度均匀度的概念和指标要求，提出了棉花分级室模拟昼光照明的照度均匀度应不低于0.8。同时，经试验[5]验证光照强度（1100±100）lx的照度范围是合适的，过度缩小或放大此范围，会造成照度均匀度的降低。本试验结果说明，照明单元间距选择1.8m，照明单元与棉花分级台的距离选择2.0m是最优条件。