朱方洲

(安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院信息技術(shù)中心，合肥 230051)

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前世界上總發(fā)電量的25%用于照明，對(duì)于照明節(jié)能與智能化控制已成為當(dāng)今關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。光源是體現(xiàn)綠色照明之高效節(jié)能的核心，優(yōu)化選擇電光源是實(shí)現(xiàn)綠色照明的關(guān)鍵［1-2］。作為新型和高效固體光源LED發(fā)光二極管，在21世紀(jì)具有最廣闊的發(fā)展前景［3］，在不同的照明領(lǐng)域受到越來(lái)越多人的矚目。特別是大功率高亮度LED其發(fā)展趨勢(shì)是用于新一代居民照明［4］。

目前，我國(guó)道路照明光源主要是高壓鈉燈和金鹵燈，許多學(xué)者對(duì)高壓鈉、金鹵燈在中間視覺(jué)狀態(tài)下的光視效率進(jìn)行了研究分析［5］。但由于此類(lèi)燈的光色成分中含藍(lán)色和綠色光成分較少，不在人眼中間視覺(jué)狀態(tài)下的最佳敏感區(qū)域，造成夜間駕駛員不便判斷前方的行人、汽車(chē)和障礙物等的距離，易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

本文通過(guò)分析人眼的視覺(jué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合中間視覺(jué)理論，構(gòu)建了用于道路照明LED的配光模型，提出了一種白綠光LED道路照明，使該燈的光色成分中含綠色光譜比例分布在人眼的中間視覺(jué)敏感區(qū)域，彌補(bǔ)了黃色高壓鈉燈的不足。通過(guò)對(duì)該電光源的光色建模和實(shí)驗(yàn)仿真，獲得了較理想的效果。

1 道路照明中的人眼視覺(jué)結(jié)構(gòu)分析

視網(wǎng)膜是視覺(jué)的光學(xué)過(guò)程和電生理過(guò)程的接口，按照國(guó)際照明學(xué)會(huì)(CIE)的規(guī)定［6］，亮度水平大于3 cd/m2的視覺(jué)叫做明視覺(jué)，是人眼的錐狀細(xì)胞在工作，亮度水平約在0.001 cd/m2的或更低的視覺(jué)叫做暗視覺(jué)，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)，一般認(rèn)為處于中間視覺(jué)的亮度水平范圍在0.001～3 cd/m2之間，是人眼的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞在交替作用。研究證明人眼在中間視覺(jué)范圍內(nèi)，最佳光譜光視效能是在波長(zhǎng)507～555 nm范圍內(nèi)，這時(shí)明暗、顏色、空間和響應(yīng)等視感覺(jué)特性均發(fā)生變化，且隨著適應(yīng)亮度水平的下降，周邊視覺(jué)變得比中心視覺(jué)的察覺(jué)更為容易［7-8］。

由國(guó)內(nèi)外機(jī)動(dòng)車(chē)道道路照明的標(biāo)準(zhǔn)可知，我國(guó)和CIE規(guī)定機(jī)動(dòng)車(chē)道道路照明的最高照明水平的路面亮度是2.0 cd/m2，而北美的亮度只有1.2 cd/m2;我國(guó)規(guī)定最低照明水平的路面亮度是0.5 cd/m2，CIE115—1995規(guī)定是 0.5 cd/m2(最低級(jí)是 M5)，2008修改后的(增加了最低一級(jí)為M6)規(guī)定是0.3 cd/m2;北美也是0.3 cd/m2。在夜間對(duì)于開(kāi)車(chē)的駕駛員而言，道路照明的亮度水平應(yīng)該是處于人眼的中間視覺(jué)水平。因此，研究LED電光源在中間視覺(jué)條件下的光效對(duì)于提高道路照明和實(shí)現(xiàn)道路照明節(jié)能具有重要意義。

2 基于人眼中間視覺(jué)理論的LED光源光譜能量的分析

研究分析可知，在中間視覺(jué)狀態(tài)時(shí)，人眼的視覺(jué)功效和人眼在明視覺(jué)和暗視覺(jué)時(shí)的視覺(jué)功效是不同的，而道路照明的亮度是處于人眼的中間視覺(jué)范圍之內(nèi)，即亮度處于0.5～2.0 cd/m2之間，波長(zhǎng)在507～555 nm之間。

(1)LED白光的光譜能量分析。作為道路照明光源中的一種光源LED白光，其相對(duì)光譜能量的分布如圖1所示。LED白光相對(duì)光譜能量分布在380～780 nm之間，即在可見(jiàn)光范圍內(nèi)。其中，LED白光的極大值分別分布在波長(zhǎng)為450 nm和580 nm的2個(gè)點(diǎn)上，即較大能量的輸出在藍(lán)光、黃光部分，但黃光和藍(lán)光部分并不在人眼的道路照明中間視覺(jué)范圍的最高敏感區(qū)域，對(duì)道路照明的視覺(jué)功效難以達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1 LED白光相對(duì)光譜能量分布

(2)LED綠光的相對(duì)光譜能量分析。LED單色光是綠光的一種，相對(duì)光譜能量分布如圖2所示。LED綠光的相對(duì)光譜能量分布在波長(zhǎng)450～600 nm之間，其中半值寬度是40 nm，發(fā)光波長(zhǎng)峰值在530 nm。LED綠光在波長(zhǎng)507～555 nm之間的總體輸出能量不高。所以，單一用LED綠光光源作為道路照明很難達(dá)到理想的視覺(jué)功效。

圖2 LED綠光相對(duì)光譜能量分布

所以，如果將道路照明中間視覺(jué)的亮度范圍、LED綠光和LED白光光譜能量的分布以及人眼視覺(jué)理想的波長(zhǎng)相結(jié)合，利用配光模型對(duì)LED光源進(jìn)行配光，以達(dá)到在人眼中間視覺(jué)內(nèi)，道路照明能獲得較理想的光視效果。

3 基于道路照明標(biāo)準(zhǔn)的LED光源配光模型

由色度學(xué)可知，顏色匹配是指將2種以上的顏色進(jìn)行混合，從而達(dá)到人眼視覺(jué)上與某待配的顏色相同。顏色匹配方程如下:

式中:(C)— 待配色;(R)、(G)、(B)— 分別表示紅、綠、藍(lán)三基色;R、G、B— 分別表示三原色的數(shù)量即三刺激值;“≡”—表示視覺(jué)上相等。

由顏色混合的格拉斯曼代替律(式(2))，將2種顏色的三刺激值累加匹配，就可獲得2種顏色的混合光。

所以，任意一條道路照明光源光色的三刺激值就等于該光源的各波長(zhǎng)光譜色的顏色匹配三刺激值R、G、B 之和，即

配色方程:

對(duì)于道路照明的光源調(diào)光問(wèn)題，主要是研究亮度調(diào)節(jié)的同時(shí)不改光色。HSV顏色模型是一種通過(guò)人眼對(duì)顏色的心理感受這個(gè)因素來(lái)轉(zhuǎn)換構(gòu)成的，所以，能夠達(dá)到符合人眼的視覺(jué)感受要求。該模型能夠單獨(dú)表示亮度的色度模型，其中H表示色度，S為飽和度，V為亮度，是RGB彩色模型中R、G、B灰度的平均值，它將彩色信息摒棄了。因此，可以通過(guò)改變HSV色度模型中V值達(dá)到調(diào)光的效果，且在調(diào)光過(guò)程中不會(huì)影響道路照明光源的色度。HSV色度模型如圖3所示。

圖3 HSV色度模型

圖3中，縱坐標(biāo)表示亮度，從上至下顏色從白到黑，橫坐標(biāo)表示色飽和度，由外而內(nèi)逐步變低，即顏色越來(lái)越不單一，色度的變化是通過(guò)圓周方向表示的，來(lái)形成一個(gè)色環(huán)，其中黃、紅、青、綠、藍(lán)和洋紅6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色在空間分別相隔60°。HSV模型和RGB之間各分量的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

色度模型轉(zhuǎn)換:將配色模型的三刺激值R、G、B作為輸入，根據(jù)式(5)得到H、S、V，再轉(zhuǎn)化計(jì)算得到H、I、S的值，并將S的值做歸一化處理。

亮度獨(dú)立調(diào)節(jié):調(diào)節(jié)V的大小，保持H分量不變，先將H、S、V各分量重構(gòu)成HSV顏色空間圖像，然后再變換到RGB顏色空間，最后顯示。

4 LED道路照明配光光源的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用MATLAB7.8.0/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真，選用照明光源LED光源的功率是250 W，設(shè)置該LED光源光譜的峰值波長(zhǎng)為:λR=625 nm，λG=525 nm，λB=465 nm;半峰值全寬度為:ΔλR=28 nm，ΔλG=30 nm，ΔλB=32 nm。本實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)主干道路的路燈。

根據(jù)道路照明的標(biāo)準(zhǔn)，道路亮度要求為1.0 cd/m2，光源光譜數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)照明體D65光譜功率分布，如表1所示。

表1 D65相對(duì)輻射功率

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

道路照明主干道的亮度選為1.0 cd/m2，由道路照明的亮度和人眼敏感光譜之間的關(guān)系可知，LED光源光譜波長(zhǎng)設(shè)計(jì)選在525～550 nm之間。在Matlab中進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 R、G、B的刺激值隨亮度因子變化曲線(xiàn)

隨著橫向亮度因子的線(xiàn)性增大，R、G、B的三刺激值是呈非線(xiàn)性增大的，并且綠色刺激值始終大于其他2種刺激值，亮度因子的線(xiàn)性改變表明設(shè)計(jì)完成了對(duì)亮度的單獨(dú)調(diào)節(jié)。

4.3 基于道路照明標(biāo)準(zhǔn)的LED光源配光模型圖像清晰度的定義

LED光源都是由R、G、B三基色構(gòu)成的，通過(guò)調(diào)整顏色的比例，表現(xiàn)出人眼能看到的各種不同顏色的光。本文借助于HSV配光模型來(lái)驗(yàn)證，在中間視覺(jué)道路照明條件下某一適應(yīng)亮度水平時(shí)，由RGB構(gòu)成的白綠光LED的發(fā)光亮度是否比白光LED和高壓鈉燈的黃光更好，物體的圖像清晰度是否在以白綠光為背景下比在以白光和黃光為背景下更清晰。近年來(lái)，研究人員對(duì)圖像清晰度進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)圖像的清晰度仍然沒(méi)有形成統(tǒng)一規(guī)范的定義方式，故本文由HSV模型可以將圖像清晰度定義為:

式中:D— 圖像的清晰度，其值越大，圖像就越清晰;V— 圖像的亮度，數(shù)值在0.5～3 cd/m2;H、S—分別為色度、飽和度的數(shù)值;X1、X2、X3— 分別表示系數(shù)，且X1+X2+X3=1，由于在夜間主要是人眼的錐細(xì)胞起作用，且對(duì)R、G、B顏色的敏感程度不同，取 X1=0.4，X2=0.5，X3=0.1。

通過(guò)Matlab7.1軟件對(duì)主干道亮度通常在2.0 cd/m2時(shí)進(jìn)行仿真，其結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 效果比較圖

4.4 計(jì)算LED光源S/P的比值

目前，國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定的計(jì)算中間視覺(jué)內(nèi)某一個(gè)適應(yīng)亮度下的光譜光視效能曲線(xiàn)。因此，可以采用S/P比值來(lái)作光源在道路照明的中間視覺(jué)亮度段內(nèi)視覺(jué)能力的評(píng)價(jià)參數(shù)，S/P定義為暗視覺(jué)的光通量與明視覺(jué)光通量的比值，其表達(dá)式如(7)所示:

式中:φS—暗視覺(jué)的光通量，lm;φP—明視覺(jué)的光通量;φe，λ— 光源在可見(jiàn)光波長(zhǎng)380～780 nm之間的光譜輻射通量;V'(λ)—暗視覺(jué)光譜光視效率函數(shù);V(λ)—明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)。

本文通過(guò)計(jì)算S/P比值來(lái)分析LED白綠光的配光效果，計(jì)算時(shí)采用范圍在505～555 nm波長(zhǎng)之間的光譜輻射通量，根據(jù)式(7)可得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種光源的S/P比值

在LED白光、高壓鈉燈和LED白綠光3種光源中，S/P比值最大的是LED白綠光。所以，在LED白光、高壓鈉燈和LED白綠光等諸類(lèi)光源用作道路照明時(shí)，只要將S/P比值的倒數(shù)乘以亮度的標(biāo)準(zhǔn)值，其亮度就能夠達(dá)到滿(mǎn)足路面照明的要求，駕駛員和行人能夠獲得足夠的路況信息，從而保障交通的安全。因此，如果采用LED白綠光用作道路照明光源，不僅能保證交通的安全，還可節(jié)能。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)道路照明中人眼視覺(jué)結(jié)構(gòu)的分析，基于中間視覺(jué)的道路照明標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)人眼視覺(jué)對(duì)不同波長(zhǎng)的敏感程度不同，通過(guò)配光模型研究了在相同亮度情況下，R、G、B的三刺激值是呈非線(xiàn)性增大的，并且綠色刺激值始終大于其他2種刺激值，再結(jié)合圖像清晰度的定義和S/P的值計(jì)算，結(jié)果表明，LED白綠光更適合用作道路照明，能取得更佳照明效果。

［1］邴樹(shù)奎，高杰.LED在照明工程中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(5):101-108.

［2］劉耀彬，胡觀敏.我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及戰(zhàn)略選擇［J］.科技進(jìn)步與對(duì)策，2010，27(12):77-81.

［3］周太明，林燕丹.光源的光譜與低照明水平 — 中間視覺(jué)的基礎(chǔ)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(4):1-4.

［4］FuSheng Li，DaHua Chen，XianJie Song，et al.LED’s:a Promising Energy-Saving Light Source for Road Lighting［J］.Power and Energy Engineering Conference，2009:1-3.

［5］胡英奎，陳仲林，劉英嬰.道路照明常用光源在中間視覺(jué)條件下的光效［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30(1):139-141.

［6］劉慶祥，蔣天發(fā).彩色與灰度圖像間轉(zhuǎn)換算法的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2003，27(3):344-346.

［7］曹陽(yáng)，袁宗杰，林燕丹，等.視覺(jué)功能法在道路照明中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2005，16(4):44-49.

［8］周太明，林燕丹.光源的光譜與低照明水平 — 中間視覺(jué)的基礎(chǔ)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(4):1-4.