多种道路照明光源基于中间视觉理论的测试研究

蔡培凯 厦门市产品质量监督检验院 福建厦门 361000

1. 国家国际科技合作专项项目“LED 照明现场检测方法研究及评价”（项目编号：2015DFG62190）；

2. 工业和信息化部电子信息产业发展基金资助项目“室内半导体照明器件、电光源产品与检测技术研发及应用”( 工信部财[2013]472 号) ；

3. 质检公益性行业科研专项项目“人工照明光源与自然阳光光生物安全性的研究”（项目编号：201410140）；

4. 福建省质量技术监督局科技项目“光闪烁测量仪器的研制”（合同书编号：FJQI2014002）。

【文章摘要】

本文对人眼对于不同亮度下的反应也就是明视觉、暗视觉、中间视觉进行简单介绍。说明这三者的人眼的不同反应以及计算CIE 技术委员会对于中间视觉下的光度学。本文介绍中间视觉对道路照明使用不同光源的效果的评价。通过对不同光源的光度学计算，并对不同光源下的道路照明场景进行实地量测，探究中间视觉下的光度值与测量值间的差异，为今后的道路照明设计在节能减排提供数据支持。

【关键词】

中间视觉；道路照明；节能减排

1 研究背景

20 世纪50 年代，美国人发明了高压钠灯。由于其光效高、成本低，很快大面积应用于城市道路照明。目前，世界上85% 以上的道路照明光源都采用高压钠灯。近年来，一些新的金卤灯光源被开发出来， 色温相对偏高，为暖白色，显色性也更加好。由此引发了黄光和白光的研究，对于道路照明用灯也引起了很大的争议。随着LED 科技的发展，高色温的白光光源再次受到人们的重视，城市道路照明白光话的研究也进一步提上了议程。

白光LED 在道路照明中亮度水平条件下（0.5 ～ 2.0cd/m2）与钠灯照明比较，主观视觉亮度提高，有明显的节能效果。某一光源的暗视觉光通量和明视觉光通量之比S/P 值：S/P=φ‵ν/φν 即“瞳孔流明” 计算比值，瞳孔流明概念仅适用于暗视觉条件。S/P 值是一种极端情况，即为暗视觉和明视觉计算比值，在道路照明设计中要根据道路照明等级才能正确了解各种光源的效率。

由于道路照明的亮度水平在0.5 ～ 2.0cd/m2 左右，处于人眼中间视觉范围，白光照明比传统钠灯照明更节能，金属卤化物灯和LED 光源是白光光源，具有节能潜力。与黄光相比，暖白光的核心优势还在于它的照明效率更高，耗电量更少。同样的路灯，要比黄光至少少用10％的电能， 减少40% 的二氧化碳排放量。所以，它符合环保照明和绿色照明的要求，在能源危机和温室效应日趋严重的现在，有着推广普及的巨大潜力。而金属卤化物灯和LED 光源对颜色的显色特性优于高压钠灯，易识别目标，能显著降低交通事故。

2 CIE 中间视觉光度学模型

中间视觉的光度学一直受国际照明界所关注，各国的很多照明研究机构和专家开展了大量的研究工作，以获得中间视觉状态下的正确的光度学评价。经过多年的研究成果，CIE 把许多专家在中间视觉状态下的研究结果归纳推荐四种模型，即CIE191 ：2010 推荐了基于视觉功能的中间视觉光度学系统。

由于CIE 光度学遵从相加性原理，因此中间视觉光度学模型也应满足相加性原理。即：

Vmes （λ）=xV（λ）+（1-x）V ′（λ） （1）

其中x 为亮度适应系数。

因为V(λ) 和V ′（λ）均满足相加性，因此式（1）定义的中间视觉光谱光视效率函数Vmes( λ) 自然也满足相加性。

最近提出的两个基于视觉功能的中间视觉模型，即USP 模型和MOVE 模型， 均采用式（1）所示的形式将明视觉和暗视觉联系起来，并满足相加性原理。除USP 模型和MOVE 模型之外，CIE 还提出了中间模型。中间模型也采用式（1）所示的形式，且与MOVE 模型一样，亮度适应系数和中间视觉亮度之间的关系为“对数- 线性”关系，但调整了中间视觉区域的上、下极限。

USP 模型在低亮度水平下测量精度最高，MES2 模型在高亮度水平下测量精度最高，MES2 模型在中间视觉区域的所有亮度水平下的综合测量精度最高，这也是CIE 选择MES2 模型作为推荐模型的原因之一。中间视觉对于光源光谱在道路照明中的分析具有特定的条件：在较低的适应亮度水平下（低于0.1 cd/m2）是视线外视觉区域，利用4 种模型比较高压钠灯（S/P=0.77）、金卤灯（S/P=1.43）、LED 灯（S/ P=1.71）和氙气灯（S/P=1.78），可以发现在适应亮度为0.3 cd/m2，白光光源（S/P ＞ 1） 的照明水平的有效性比高压钠灯高。但在更高的亮度水平下，即使仍然处于中间视觉状态，在光效有效性方面，白光的优势就很小了。

3 结论

在道路照明中，应用中间视觉光度学时，需要背景亮度和从光源光谱数据得出的S/P 值作为输入量，光源的S/P 值越高， 在中间视觉设计中的光效就越高。根据不同光源在中间视觉下的计算，可以发现高S/P 值白光源在道路照明的使用更为合适，对于能源的节约更为合理。

CIE 对于中间视觉光度学系统的推荐，对于在夜间道路充分考虑道路照明亮度水平对司机对视觉目标的影响，可以有效降低交通事故发生率。不同照明水平下夜间驾驶的安全是与驾驶员的视觉功能息息相关。中间视觉照明场景的评价和作为照明设计具有十分重要的现实意义，是降低由于对照明水平的错误测量和评价所带来的交通事故率和其它夜间作业的错误率的一个有效方法。光度学系统值得我国科研工作者进一步进行研究。检测机构也需要考虑在使用中间视觉下的光度学进行评价道路照明的光度量，这样才能更加合理公正的说明光源的优缺点。

通过全文对于道路照明的阐述和研究表明：选择道路照明光源时应该根据道路的特点、光源和灯具特点全面地进行分析，而不是片面地直接得出某种光色光源更为节能的结论。由于道路照明的成本以及能耗是十分巨大的，如何保证道路照明质量以及安全的情况下更加节能，对此光源的选择具有重要指导意义。近年来，各种光源的迅速发展，在光效、灯具设计、系统设计方面都有极大地提升，未来必将会带来新的冲击。

【参考文献】

[1] 叶关荣．人眼中间视觉研究的进展和城市道路的白光照明趋向及其测量[J]．中国照明，2009，5(7) ： 56-58．

[2] 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]．复旦大学，2004．

[3]CIE Publication No．191 ∶ Recommended system for mesopic photometry based on visual performance ：2010．

[4] 庄鹏．CIE 中间视觉光度学模型的分析和应用[J]．照明工程学报， 2012，23（3）：35-41．137

探索研究

Exploration and research