道路照明光源光譜分析與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

劉利明

(寧波市鎮(zhèn)海區(qū)市政設(shè)施養(yǎng)護(hù)中心，浙江 寧波 315200)

0 引言

道路照明的作用是使各種車輛的駕駛者與行人在夜間行駛或者出行時(shí)能辨認(rèn)出道路上的各種情況且不感到過分疲勞，以保證安全，以及對(duì)光污染的合理控制。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，車輛的使用越來越多，對(duì)道路照明檢測(cè)提出了更高的要求，人們希望照明環(huán)境有良好的顯色指數(shù)和色溫。以LED 照明為代表的新型照明系統(tǒng)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明已成為一個(gè)必然的趨勢(shì)，照明效果的高效性、節(jié)能性已得到市場(chǎng)充分認(rèn)可，GB/T 5700—2008 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)LED 以及其他種類路燈光源的光譜檢測(cè)提出具體的檢測(cè)要求。在努力改善道路照明效果，新型電光源不斷推廣應(yīng)用的新形勢(shì)下，道路照明光譜檢測(cè)的重要性也在不斷提高。

1 路燈光譜的視覺影響

在電光源照明的各式光源的光譜中，藍(lán)光的頻率最高，對(duì)視覺的影響也最為顯著。就此而言，LED 照明更能提高視覺敏銳度。主要是由于高頻率的光照射到眼睛時(shí)，會(huì)使人的瞳孔縮小，有利于人們對(duì)道路各種情況以及突發(fā)狀況的觀察和應(yīng)變。美國(guó)能源部DOE 將其稱為“光譜提升照明”，將光源的明暗視覺光度值之比稱作S/P 值，藍(lán)光所占比例越高，S/P 值越大，人的視覺敏銳度越高。

實(shí)踐證明，一味強(qiáng)調(diào)藍(lán)光或者是只有單純的藍(lán)光照射其實(shí)對(duì)人的視覺影響是弊大于利的，紅光在光譜中頻率最低，因此紅光對(duì)人的視覺影響較弱，有利于人們對(duì)光的舒適度感受。根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)研究，紅光對(duì)弱近視患者有顯著的治療作用，可以緩解眼部疲勞，改善視力，降低眼壓。對(duì)于長(zhǎng)期奔波在道路中的司機(jī)來說，紅光可緩解他們的行車疲勞，有助于減少交通事故的發(fā)生，減少光污染。對(duì)于道路照明，標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45—2006 規(guī)定機(jī)動(dòng)車道路面亮度在0.5 cd/m2～2 cd/m2，屬于中間視覺。在這個(gè)亮度范圍內(nèi)，照明光源的光譜對(duì)視覺行為具有更為明顯的影響。實(shí)際表現(xiàn)為:一側(cè)LED 照明的路面看起來很亮，一側(cè)金鹵燈照明路面看起來比較暗，但實(shí)際測(cè)量后，前者的路面照度水平明顯不及后者，這個(gè)結(jié)果也體現(xiàn)了實(shí)際視覺以及光源的S/P 值評(píng)價(jià)極其重要性，吸引了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

2 各種光源的光譜

光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(zhǎng)(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。可見光的波長(zhǎng)為380～780 nm，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射被稱為可見光。要想得到高質(zhì)量的道路照明效果，應(yīng)該做好路燈光譜的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作。

光源對(duì)物體真實(shí)色彩的呈現(xiàn)程度稱為顯色性，也就是還原色彩的逼真能力，顯色性高的光源對(duì)顏色的表現(xiàn)較好，在此光源下我們所看到的顏色也就更接近自然顏色，顯色性低的光源對(duì)顏色的表現(xiàn)較差，我們所看到的顏色偏差也較大。在道路照明中，燈光的顯色性較為重要，關(guān)乎行車時(shí)的視覺感受以及人所看到的真實(shí)顏色與實(shí)際顏色的差異，影響著人面臨突發(fā)狀況的反應(yīng)能力。無論是人類制造的各種光源，還是物質(zhì)發(fā)出的光，顯色性都沒有日光也就是太陽(yáng)光的顯色性好，太陽(yáng)光的光譜(見圖1)在各個(gè)顏色段都有分布，且各顏色段的顏色相對(duì)光譜高。白熾燈光譜是連續(xù)光譜(見圖2)，正常的可見光波長(zhǎng)為380～780 nm，而白熾燈光譜較接近太陽(yáng)光，所以白熾燈的顯色性好，也更適于室內(nèi)照明。在日常的道路照明中，鈉燈的使用最為廣泛，我們可以從鈉燈的光譜圖像(圖3)中可以看出，鈉燈在黃光部位的能量比較集中，因而黃光在鈉燈照明中占據(jù)了主要的成分，黃光透霧能力強(qiáng)，適用于霧霾天氣，其次黃色燈光誘蟲性較小，能有效抵擋飛蟲的干擾，但其顯色性差。圖4 為金鹵燈的光譜。該光譜由多段窄帶光譜所組成，在可見光波段范圍內(nèi)，其光譜能量分布相對(duì)均勻，各波段范圍均有覆蓋，其顯色性較好，因而金鹵燈大多用于城市亮化工程照明、商業(yè)照明、體育場(chǎng)館照明以及生產(chǎn)車間等大場(chǎng)地照明。

由三基色熒光粉發(fā)光的無極熒光燈的光譜見圖5。其光譜能量分布相對(duì)均勻，從無極燈的光譜中看出，其具有比較好的顯色性，光源顏色的顯色比較接近于自然的原色，但在600 nm 以上的紅光部分欠缺，這也是無極燈的不足之處，由于無極燈即開即亮的特點(diǎn)，無極燈主要應(yīng)用于隧道、步行街、高桿路燈等。圖6 為L(zhǎng)ED 的光譜圖像，從中可以看出，LED 的藍(lán)光成分偏高，這有利于提高LED 的發(fā)光效率。LED 色彩飽和度和顯色效果相對(duì)不足，隨著高光效、大功率LED 燈生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其發(fā)光效率、顯色性等主要技術(shù)參數(shù)都在不斷改善，在道路照明領(lǐng)域也逐步被推廣使用。

圖1 日光的光譜

圖2 白熾燈的光譜

圖3 鈉燈的光譜

圖4 金鹵燈的光譜

圖5 無極燈的光譜

圖6 LED 的光譜

3 傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)方法

現(xiàn)有的光譜檢測(cè)大多依賴于光譜儀，光譜儀的基本功能是將復(fù)色光在空間上按照不同的波長(zhǎng)分離延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長(zhǎng)成分及各波長(zhǎng)成分的強(qiáng)度等原始信息以供后續(xù)處理分析使用。圖7 為光柵光譜儀的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

圖7 光譜儀的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)

光源發(fā)出的光通過狹縫后，近似于點(diǎn)光源發(fā)射的光線，由準(zhǔn)直面鏡將光線變成平行光，再由平面光柵將各波長(zhǎng)的光線分開，光線經(jīng)過光柵色散后由聚焦面鏡將同一波長(zhǎng)的光聚集在一起，由線型CCD 等檢測(cè)器件收集信號(hào)，交由后期電路分析計(jì)算就能得到光源的光譜信息。光譜儀主要檢測(cè)指標(biāo)為色溫、顯色指數(shù)、光譜曲線。通過檢測(cè)這些主要指標(biāo)，更加準(zhǔn)確科學(xué)地反映各式電光源的光譜。光譜儀的操作大多停留在實(shí)驗(yàn)室，使用范圍局限，很難達(dá)到在戶外各種因素的干擾下進(jìn)行準(zhǔn)確的光譜檢測(cè)。

4 車載式道路照明光譜檢測(cè)系統(tǒng)

為改善傳統(tǒng)光譜儀不便于道路照明現(xiàn)場(chǎng)效果檢測(cè)，鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心與鹽城市豐登電子儀器有限公司研制出一種車載式光譜檢測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的光譜儀測(cè)量相比，實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度測(cè)量，減少了測(cè)量人員在檢測(cè)時(shí)的安全問題，更加方便得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要測(cè)量參數(shù)為道路的色溫和顯色指數(shù)，為此在手持式光譜分析儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，一方面將傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量改為動(dòng)態(tài)測(cè)量，另一方面增強(qiáng)了抗干擾能力，從室內(nèi)測(cè)量到室外測(cè)量。基于CCD 傳感器，系統(tǒng)引入λ 余弦修正器，凹面衍射光柵等技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測(cè)量效率和精度。

該軟件可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)測(cè)量以及連續(xù)測(cè)量。光譜軟件中各種路燈光源的色溫、顯色指數(shù)、光譜波長(zhǎng)、色品坐標(biāo)等近10 項(xiàng)路燈光源色度學(xué)指標(biāo)。

該系統(tǒng)可精確測(cè)量LED 燈、金鹵燈、高壓鈉燈等各種路燈光源的色溫、顯色指數(shù)、色品坐標(biāo)等主要技術(shù)參數(shù)，為路燈光源光譜的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量和及時(shí)數(shù)據(jù)分析提供了科學(xué)可靠的技術(shù)支持。

5 小 結(jié)

隨著車輛使用數(shù)量的增多，夜間的行駛照明日趨重要，提高夜間光照效率，使傳統(tǒng)光源的光譜更貼近于自然光的照射，對(duì)路燈的光譜檢測(cè)尤為重要。文章涉及的路燈光譜動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，為道路照明的效果檢測(cè)提供了一套新型、方便、可靠的檢測(cè)手段。

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