棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度研究

文/雷雷 冉翔濤 張樂柱 王魯輝 陳昂 都占元 張玉冰

1 引言

照度均勻度是指在規定表面上的最小照度與平均照度之比。照度分布的均勻程度對人的視覺作業工效、舒適性、用眼疲勞程度都有著非常重要的影響。GB/T 2900.65《電工術語 照明》、GB 50034—2004《建筑照明設計標準》、GB/Z 26212《室內照明不舒適眩光》等多項國家標準和相關研究[1-4]均明確提出：純度高，符合日光色譜，明度反差大的對比色并不容易使人眼產生疲勞。人眼不適的主要原因是照明的光譜、頻閃、眩光、照度均勻度等存在問題而引起的。研究表明[2-4]，相同照度水平下，照度均勻度好有助于減輕視覺疲勞。光線分布越均勻說明照度越好，視覺感受越舒服，照度均勻度越接近1越好，反之越小越增加視覺疲勞。當明暗對比達到3:1時，人眼就會明顯感覺到明暗的變化。如果視線范圍內照度不均勻，人眼在亮暗環境中就需要頻繁地來回調節瞳孔大小以適應不同的明暗環境，因此容易引起視覺的疲勞[4]。由于光照亮度的分布或范圍不適當，或對比度太強，而引起的人眼不舒適感、分辨細節或物體的能力減弱的情況就是由于眩光造成的。本文探討了在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》新標準對棉花分級室的照度要求并試驗證明了照明單元排列的最優條件。

2 對棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度相關要求

棉花分級室模擬晝光照明是使用人工照明單元模擬北緯地區適度多云情況下的理想日光條件，在棉花分級室內實現盡可能接近在自然光線下棉花所呈現的顏色。國家標準中規定的室內工作區（主要指讀寫活動）照明均勻度在工作面上最小應達到0.7以上。要求參考每個視覺任務的重要程度，結合相關視覺作業對象的尺寸和等效對比度特性，確定需要的照度標準值。棉花顏色級感官評定是一項非常重要且精細的視覺作業，棉花分級室模擬晝光照明不僅要盡可能符合接近理想日光光譜、色溫、顯色性等技術指標條件，而且要均勻穩定，減輕眼疲勞，提高視覺作業工效和舒適性。在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》國家標準修訂中，提出了棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度應不低于0.8。

3 試驗設計與方法

3.1 基于LED光源的D75模擬晝光照明系統

本項研究的棉花分級室是安裝了基于LED光源D75模擬晝光照明系統，采用了直下式光路結構（圖1），即LED陣列分布于光源箱體頂部，向下照射。直下式照明結構自上而下分為三層：頂部的LED燈珠陣列發光單元、光混合腔體結構、光擴散結構。燈珠的陣列形式和規模依據燈箱總功率、LED燈珠功率、數量以及結構相關特性確定。光源箱整體為框架結構，內部為光學腔體，實現光的傳導和混勻，光源箱底部安裝有光學擴散板，實現光的進一步勻化處理。

圖1 直下式模擬晝光照明系統的光學結構

3.2 棉花分級臺（規定照明表面）

根據實驗室棉花分級臺的面積（2.44m×1.80m），將棉花分級臺分為14個區域。示意圖如圖2所示。

圖2 棉花分級臺區域劃分示意

3.3 試驗條件

（1）試驗采用的照明單元規格是（0.6×1.2）m，分2排，每排4個照明單元首尾相連，共計8個照明單元。照明單元底部的漫射玻璃（或有機玻璃）和地面平行，與棉花分級臺的垂直距離可適當調整（1.80～2.10）m，每行照明單元中心線之間間距可適當調整（1.80～2.30）m。

（2）試驗采用2臺經計量檢定合格的照度計（ST-86L、SPIC-300AW）分別進行測試。

（3）每組測試數據由同一檢驗人員獨立測試完成。穿著中性色工作服，測試時遠離感光設備1m以上。

（4）確定測試基準：兩行照明單元中心線間距1.80m，照明單元與棉花分級臺垂直距離2m，將棉花分級臺上的光照強度調整到（1100±100 ）lx，確保棉花分級臺上所有區域（中心到邊緣）光照強度都在此范圍內。

3.4 設計與方法

（1）照明單元間距對照度均勻度的影響試驗。設定兩行照明單元中心線間距的可調范圍是：（1.80～2.30）m。設定照明單元底部與棉花分級臺之間的高度為2m。在最小間距和最大間距之間，每次增加5cm，測試14個區域的光照強度，并記錄數據。

（2）分級臺高度對照度均勻度的影響試驗。設定照明單元底部與棉花分級臺之間的高度可調范圍是：（1.80～2.10）m。按照上面試驗所得的最佳條件，確定照明單元間距。在最小高度和最大高度之間，每次增加5cm，測試14個區域的光照強度，并記錄數據。

（3）照明單元間距、棉花分級臺高度同時變化時，對光照強度均勻度的影響試驗。按照每次5cm，調整照明單元間距；按照每次5cm，調整棉花分級臺高度；綜合兩項條件，測試14個區域的光照強度，并記錄數據。

每個區域選擇邊緣、中間、靠近分級臺中心3個點測試記錄數據，每組14個區域共記錄42個數據。

4 結果與討論

4.1 光照強度：（1100±100）lx

荷蘭物理學家科魯伊索夫（Kruithof）提出[5]，人的眼睛對照明喜好與色溫和照度有關，可簡單概括為“高色溫高照度、低色溫低照度”，并給出了色溫與照度曲線（Kruithof curve），如圖3所示。例如：自然條件下日光的色溫為6500 K，照度約為104lx至105lx，此條件下的色溫和照度是對接近自然的色彩再現，最容易令人眼感覺舒適。

圖3 色溫與照度曲線

棉花分級室采用的是模擬晝光D75照明系統，根據科魯伊索夫曲線圖可以分析得出，在D75色溫條件下，滿足人的眼睛對照明喜好的照度應該在1000 lx以上為佳。同時，根據相關研究結果[6]，確定了棉花分級室照度值為（1100±100）lx。

4.2 照明單元間距：1.8m

在固定照明單元與棉花分級臺的距離，采用不同照明單元間距的試驗結果表明（圖4），照明單元間距在1.8m的情況下，棉花分級臺（規定表面）照度值曲線為最優曲線。試驗數據表明，隨著間距增加或縮小，棉花分級臺表面光照強度出現或低或高的變化，曲線波動幅度均有一定程度變大。

圖4 照明單元間距與照度關系曲線

4.3 照明單元與棉花分級臺的距離：2.0m

在固定照明單元間距，采用不同照明單元與棉花分級臺距離的試驗結果表明（圖5），照明單元與棉花分級臺的距離在2.0m的情況下，棉花分級臺（規定表面）照度值曲線為最優曲線。試驗數據表明，隨著垂直距離增加或縮小，棉花分級臺表面光照強度出現或低或高的變化，但是，曲線波動幅度變化不大。

圖5 照明單元/棉花分級臺垂直距離與照度關系曲線

5 小結

棉花顏色級感官評定是一項非常重要且精細的視覺作業，棉花分級室的照明應均勻穩定，減輕人眼的視覺疲勞，提高視覺作業工效和舒適性。為保障照度均勻度更加有利于人眼的適應性和照明的均勻性，在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》國家標準修訂中增加了平均照度和照度均勻度的概念和指標要求，提出了棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度應不低于0.8。同時，經試驗[5]驗證光照強度（1100±100）lx的照度范圍是合適的，過度縮小或放大此范圍，會造成照度均勻度的降低。本試驗結果說明，照明單元間距選擇1.8m，照明單元與棉花分級臺的距離選擇2.0m是最優條件。