張曉峰 楊曉晴

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

1 引言

按照國(guó)際照明學(xué)會(huì)(CIE)的規(guī)定，亮度水平在幾個(gè)cd/m2以上的視覺(jué)叫做明視覺(jué)(Photopic vision)，是人眼錐狀細(xì)胞在工作;亮度水平在10 cd/m－2以下的視覺(jué)叫做暗視覺(jué)(Scotopic vision)，是人眼的桿狀細(xì)胞在工作，介于明視覺(jué)和暗視覺(jué)之間的叫中間視覺(jué)或中介視覺(jué)(Mesopic vision)，通常認(rèn)為中間視覺(jué)的亮度水平范圍為0.001～3 cd/m2(CIE 1978)，是錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞交替作用的過(guò)程.人眼的錐狀體和桿狀體兩種不同的感光細(xì)胞，分別在明視覺(jué)和暗視覺(jué)起作用，兩種細(xì)胞的不同光譜響應(yīng)特性也決定了人眼在兩種視覺(jué)條件下有不同的光譜光視效率曲線，這些曲線都是由對(duì)人眼亮度匹配的實(shí)驗(yàn)所得出的，是屬于心理物理學(xué)的光視效率.在中間視覺(jué)條件下，錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞共同參與作用，且隨著背景亮度的變化，兩種細(xì)胞參與作用的比例也要發(fā)生變化，而中間視覺(jué)的光視效率也隨之不斷變化，表現(xiàn)為光譜光視效率為一系列不同的曲線，正是這個(gè)原因才導(dǎo)致了中間視覺(jué)光度研究的復(fù)雜性.在夜晚戶外照度水平多處于中間視覺(jué)，是同時(shí)運(yùn)用桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞視覺(jué)的彩色曲線，人眼兩種光感細(xì)胞對(duì)光譜響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度是不斷變化的，從而導(dǎo)致了光譜光視效能的不斷變化.道路照明是典型的中間視覺(jué)條件下的照明應(yīng)用，故本文以道路照明為例對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討.

2 中間視覺(jué)條件下光源性能分析

眾所周知，人眼的視覺(jué)是對(duì)照明效果最直觀的評(píng)價(jià).視覺(jué)依賴于照明，照明將提供給人們一個(gè)視覺(jué)條件，了解視覺(jué)系統(tǒng)的物理、生理、知覺(jué)條件，對(duì)于預(yù)言人類行為與照明條件的相關(guān)性是很重要的.對(duì)于一定的照明亮度范圍，評(píng)價(jià)它是否符合安全的要求、是否符合作業(yè)的要求、是否顯現(xiàn)物體的輪廓和顏色等問(wèn)題，被歸納為視覺(jué)科學(xué)的四個(gè)最基本的問(wèn)題:人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)明、暗的感覺(jué)特性;對(duì)顏色的感覺(jué)特性;對(duì)空間的感覺(jué)特性和對(duì)光刺激的時(shí)間響應(yīng)特性，近年來(lái)，受到各國(guó)科學(xué)家的重視并開(kāi)展研究.

2.1 室外照明光源現(xiàn)狀

中間視覺(jué)條件下的照明主要是室外照明，分為景觀照明、道路照明、廣場(chǎng)照明等.室外照明曲型光源有高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、高光效的熒光燈;近年內(nèi)應(yīng)用的新型光源有無(wú)極熒光燈、LED燈.室外照明用光源多數(shù)情況下要求壽命長(zhǎng)、光通量大、效率高.主要原因是室外開(kāi)燈時(shí)間長(zhǎng)，更換、檢查、清潔等維護(hù)工作不便的地方很多，希望用較少的燈照明，以便降低設(shè)備費(fèi)用的情況較多，加之由于使用范圍大且時(shí)間長(zhǎng)，要求對(duì)用電容量加以控制.同時(shí)室外照明的節(jié)能更是一個(gè)重要的問(wèn)題，主要是從如何合理地選擇光源、燈具;從整個(gè)系統(tǒng)如何提高光利用效率、有效使用方法等方面去考慮.

2.2 中間視覺(jué)條件下光譜光視效率

大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明，中間視覺(jué)狀態(tài)下人眼中心(中央)視覺(jué)的光譜光視效率在一定程度上可以沿用明視覺(jué)下的V(λ)曲線，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中央主要分布的是錐狀細(xì)胞，明視覺(jué)狀態(tài)下主要是錐狀細(xì)胞發(fā)揮作用，V(λ)曲線正反映了它的特性.但在周邊視覺(jué)上，視覺(jué)對(duì)光譜的響應(yīng)特性會(huì)發(fā)生不可忽視的改變.在中間視覺(jué)狀態(tài)下，周邊視覺(jué)能力主要受桿狀細(xì)胞的影響，此時(shí)人眼對(duì)短波長(zhǎng)光更加敏感.在中間視覺(jué)狀態(tài)下，人眼的邊緣視覺(jué)起了更大的作用.它對(duì)于短波長(zhǎng)的光比長(zhǎng)波長(zhǎng)的光更為敏感.

以LED燈為例，進(jìn)行測(cè)試，在相同環(huán)境亮度條件下，不同色溫白光LED的中間視覺(jué)光譜效率函數(shù)非常接近，而色溫相對(duì)較高的LED燈具有比色溫較低的LED更高的等效亮度，這主要是由于高色溫白光LED短波輻射在整個(gè)光譜分布中所占的比重較大，而光譜視覺(jué)函數(shù)在中間視覺(jué)范圍內(nèi)呈現(xiàn)向短波方向移動(dòng)的特點(diǎn)，因此，高色溫的LED燈的中間視覺(jué)光通量也較大，等效亮度也更高.

2.3 背景亮度及視標(biāo)對(duì)比度對(duì)人的反應(yīng)時(shí)間的影響

在道路照明條件下，為了保障交通安全，提高交通運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)道路照明科學(xué)節(jié)能，我們用反應(yīng)時(shí)間來(lái)表示駕駛員夜間行車時(shí)中間視覺(jué)和光生物效應(yīng)的總視覺(jué)效果.所謂反應(yīng)時(shí)間指的是從刺激開(kāi)始到觀察者開(kāi)始作出反應(yīng)的時(shí)間.在夜間駕駛過(guò)程中，反應(yīng)時(shí)間與交通安全密切有關(guān).從大量的實(shí)測(cè)與事故統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，反應(yīng)時(shí)間一旦變長(zhǎng)，往往就會(huì)喪失采取應(yīng)急措施的良機(jī)，釀成交通事故.日本關(guān)于交通肇事次數(shù)與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系的調(diào)查結(jié)果表明，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，交通肇事次數(shù)越多.據(jù)研究表明，道路照明的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短不但與照明水平、對(duì)比度大小、視標(biāo)偏心角大小等有關(guān)，而且還與光源的色溫高低有關(guān).在進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)，可在保證反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短不變時(shí)，選擇在規(guī)定的照明水平條件下反應(yīng)時(shí)間較短的光源，這樣有利于降低道路照明功率密度值，達(dá)到照明科學(xué)節(jié)能的目的.依據(jù)相關(guān)資料做如下分析:

大量的實(shí)驗(yàn)及研究，證明在中間視覺(jué)范圍內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間隨背景亮度、視標(biāo)對(duì)比度和視標(biāo)偏心角的不同而發(fā)生變化，視標(biāo)與背景的對(duì)比較弱時(shí)，反應(yīng)時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng).低對(duì)比度和低亮度環(huán)境下，高色溫的光源比低色溫光源視覺(jué)功效較低.增大對(duì)比度后高色溫光源視覺(jué)功效提高.因此，當(dāng)總體亮度較低、目標(biāo)與道路路面背景的亮度對(duì)比度較小時(shí)，以高色溫、高顯色性為特色的LED照明不具有優(yōu)勢(shì).且金鹵燈照明下的反應(yīng)時(shí)間均明顯低于高壓鈉燈，即金鹵燈產(chǎn)生的視覺(jué)功效高于高壓鈉燈.當(dāng)視標(biāo)對(duì)比度降低時(shí)，高壓鈉燈和金鹵燈的反應(yīng)時(shí)間都會(huì)增加.同時(shí)，高壓鈉燈與金鹵燈反應(yīng)時(shí)間的比值亦有擴(kuò)大的趨勢(shì)，這不僅證明了人眼識(shí)別目標(biāo)與感知閾值有關(guān)，也說(shuō)明了金鹵燈產(chǎn)生的視覺(jué)功效高于高壓鈉燈.同樣，隨著視標(biāo)偏心角的增大，高壓鈉燈與金鹵燈的反應(yīng)時(shí)間亦會(huì)增加，但與高壓鈉燈相比，金鹵燈在視標(biāo)偏心角為10°時(shí)產(chǎn)生的視覺(jué)功效比它在視標(biāo)偏心角為0°時(shí)的視覺(jué)功效高，即在周邊視覺(jué)時(shí)，金鹵燈比高壓鈉燈的照明效果更好.

2.4 從相對(duì)光譜能量分布分析道路照明條件下光源的視覺(jué)功效

2.4.1 無(wú)極燈與高壓鈉燈的比較

圖1顯示了高壓鈉燈(400 W)的相對(duì)光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺(jué)下的光譜光視效率函數(shù)曲線.從圖1可清晰看出，明視覺(jué)下高壓鈉燈有高的光效是由于它的輻射能量光譜主要集中在560nm到620nm之間，正好在明視覺(jué)函數(shù)的峰值附近.但在暗視覺(jué)及中間視覺(jué)下，由于高壓鈉燈在藍(lán)光和綠光部分(505 nm附近及505 nm至555nm之間)幾乎沒(méi)有輻射能量輸出，所以有效光效就會(huì)明顯減少.圖2顯示了無(wú)極熒光燈(200 W)的相對(duì)光譜能量分布曲線及三條明、暗視覺(jué)下的光譜光視效率函數(shù)曲線.從圖2的相對(duì)光譜能量分布可以看出，無(wú)極熒光燈在436nm、545nm、610nm均出現(xiàn)了極大值，屬典型的三基色熒光光譜，在藍(lán)光、綠光部分有較大的能量輸出，可見(jiàn)，無(wú)極熒光燈在明視覺(jué)條件下的光效不如在暗視覺(jué)下的光效.因?yàn)樵谶M(jìn)入暗視覺(jué)時(shí)，無(wú)極熒光燈的能量輸出的某些峰值落在了暗視覺(jué)下的光譜光視效率函數(shù)曲線的高靈敏度區(qū)域，在中間視覺(jué)下，光譜光視效率函數(shù)曲線介于明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)(曲線)與暗視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)(曲線)之間的一系列曲線，無(wú)固定值，但也會(huì)有能量輸出的某些峰值落在這些曲線的高靈敏度區(qū)域，故無(wú)極熒光燈的有效光效隨著亮度水平的下降即在中間視覺(jué)環(huán)境下會(huì)有顯著提高.

由于光譜功率分布不同，有些光源的發(fā)光效率會(huì)隨人眼適應(yīng)水平的變化而變化，這一特點(diǎn)要求人們對(duì)不同亮度水平下的照明應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，塑造相適應(yīng)的道路照明形象，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.所以相同照明強(qiáng)度下，無(wú)極熒光燈的視覺(jué)光效更高些，人眼感覺(jué)會(huì)更亮，這樣道路照明的背景亮度采用無(wú)極燈要比采用高壓鈉燈亮度高，從而使人的反應(yīng)時(shí)間縮短.

2.4.2 LED燈和金屬鹵素?zé)艏案邏衡c燈的光效比較

依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示:光源的發(fā)光效率隨環(huán)境照明強(qiáng)度而變化;在相同環(huán)境照明條件下，與明視覺(jué)狀態(tài)下測(cè)量的發(fā)光效率相比，LED路燈和金屬鹵素路燈在中間視覺(jué)狀態(tài)下的發(fā)光效率均有顯著的增加，然而高壓鈉燈的發(fā)光效率卻大大降低，并且LED光源增加的幅度最大，是比較理想的路燈光源;在中間視覺(jué)狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境照明亮度從0.03cd/m2變化到0.1cd/m2再變化到0.3cd/m2時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)LED路燈的發(fā)光效率首先從131.21m/W降到122.71m/W，然后又上升到140.51m/W.這是由于人眼視覺(jué)響應(yīng)是隨環(huán)境照明變化的.因此，通過(guò)光譜優(yōu)化可以得到發(fā)光效果令人滿意的LED光源.其實(shí)任何光源在明視覺(jué)、中間視覺(jué)及暗視覺(jué)條件下發(fā)出的可見(jiàn)光光譜是一樣的，但由于光通量的定義是人眼主觀感覺(jué)的可見(jiàn)光部分，所以造成兩種條件下光通量有很大差別.

3 結(jié)論

綜上所述，在中間視覺(jué)條件下，道路照明的合理設(shè)計(jì)不僅與光源的光效、亮度、光衰、顯色性、壽命等性能有關(guān);還與背景亮度、視標(biāo)對(duì)比度和視標(biāo)偏心角等諸多因素有關(guān).而很多因素在中間視覺(jué)條件下均發(fā)生了變化，故在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)諸多因素進(jìn)行修正后才能與實(shí)際的路面機(jī)動(dòng)車駕駛員的視看條件相一致.因此，盡快標(biāo)定出中間視覺(jué)條件下的光譜光視效率函數(shù)以及光譜光視效能，是進(jìn)行道路照明合理設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容.由于光通量的定義是人眼主觀感覺(jué)的可見(jiàn)光部分，而眼睛的敏感度又不是恒定不變的.所以中間視覺(jué)條件下照明的節(jié)能設(shè)計(jì)不能單純從光源的發(fā)光效率考慮，還必須考慮到人眼的視覺(jué)功效及人的反應(yīng)時(shí)間.這對(duì)照明節(jié)能設(shè)計(jì)有直接的指導(dǎo)意義.

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