章海骢-中间视觉在道路照明水平下的分析时间:2010-05-27 14:35:00 作者:章海骢 来源:中国城市科学研究会低碳照明研究中心The analysis of mesopic vision on road lighting level 摘要:针对目前有些学者和生产商在推广白光光源做道路照明灯具光源时,提出了用该光源的S/P(光源的光谱在暗视觉条件和明视觉条件下的光通比)数值乘以实际产生的照度或亮度后才是最终的照明结果的说法,本文说明了S/P仅是表示光源的一个属性而已,其值仅在周围环境的亮度处在暗视觉亮度时才会出现由于白光光源(如金卤灯﹑无极灯﹑LED灯)的S/P大于1,其照明的结果得到增加,而黄光(高压钠灯)光源的S/P小于1,得到的结果将缩小的情况。至于目前道路照明水平的亮度范围,已远远超出暗视觉的亮度,因此,用S/P计算得来的照明结果来替代目前的亮度数值并依此成为选择光源的理由是没有依据和实用意义的。 一、 目前的一种说法 一段时间来,国内外在道路照明使用光源的讨论中,对于采用白光的光源,如金卤灯、无极荧光灯和LED等出现了如下的说法 [1]: “对不同光源的光谱分布P(λ),可用暗视觉范围的光谱光视效率v’(λ)分光迭加后得到暗视觉时的光通S(相对)和用明视觉范围的光谱光视效率v (λ)也分光迭加后得到明视觉时的光通P(相对),为此,S/P能代表一个光源在暗视觉和明视觉下产生的光通之间的差异。例如高压钠灯的计算值是0.64,白光金卤灯是1.61。因此在高压钠灯照明下得到的照度要乘以0.64才是真正看到的照度(暗了许多),而在金卤灯下,要乘以1.61才是真正看到的照度(亮了许多)。由此认为在相同的照明感觉时,采用金卤灯照明的话只要1/1.61(缩小了0.62) 倍的照度,采用高压钠灯的话就需要1/0.64(增加了1.56) 倍的照度。” 类似的说法还出现在无极荧光灯和LED路灯的宣传上[1]。 上面的说法进一步推而广之的话,就是采用白光光源(金卤灯、无极荧光灯和LED灯)的话比用高压钠灯在相同照明水平(指得到同样的明视觉亮度时)下更亮,因此,为了得到同样的视觉效果,使用白光源就可以降低照度/亮度,意味着可以节能,而且节能效果非常可观。 事实果真如此吗? 二、中间视觉和相应的启示 暗视觉和明视觉的光谱光视效率曲线v’(λ)和v (λ)是CIE分别于1951和1924年确定的,见图1。暗视觉定义为眼睛内的杆体细胞所为,在中心凹0o其密度从零开始起到视网膜的边缘70o~80o比较均匀地分布(最大密度值在20o附近),数量约在10850万个左右,作用于大约0.001cd/m2的或更低的亮度水平;而明视觉定义为眼睛内的锥体细胞所为,它高密度地分布于中心凹附近的约 1o~2o的范围内和低密度散落于整个视网膜上,数量在650万个,作用于大于约3cd/m2的亮度水平上[2]。眼睛处于两种细胞同时工作的亮度范围时的视觉状态称为中间视觉(0.001cd/m2-3cd/m2)状态。 图1 人眼内两种视觉细胞的光谱光视效率和光谱光视效能 显然,能够从上面的内容中可确认的结论如下: 1.公认的中间视觉亮度范围 不同文献对中间视觉亮度范围的定义略有差别,0.001cd/m2-1cd/m2之间[3]、0.01 cd/m2-10cd/m2之间[4]、0.05cd/m2-3cd/m2之间[5]。但根据较多的资料[2,6,7]来看, 北美(IESNA)中间视觉亮度的区域定义为0.001cd/m2-3cd/m2之间,而欧洲(CIE)是0.001cd/m2-10cd/m2之间。由此可见,中间视觉亮度大致跨越三个半到四个数量级范围。也就是说图1中v’(λ) 和v (λ)两条曲线之间对应的适应亮度的差异达三个半到四个数量级的亮度。 图2 中间视觉范围内的光谱光视效能曲线图示 在此段中,人眼对不同的适应亮度有不同的光谱光视效能曲线(见图2), 图中箭头表示它们在明视觉到暗视觉曲线之间移动,代表适应亮度在0.001cd/m2-3cd/m2之间不同亮度值上的一大蔟光谱光视效能曲线。 2.道路照明亮度范围应属于中间视觉的范畴,而眼睛适应的亮度将更高 按照国内外机动车道道路照明的标准[8],机动车道道路照明的最高照明水平的路面亮度我国和CIE是2cd/m2,北美是1.2 cd/m2;最低照明水平的路面亮度我国是0.5 cd/m2,CIE是0.5cd/m2(最低级是M5),2008修改为(增加了最低一级为M6)0.3cd/m2;北美是0.3cd/m2。 由此可见,道路路面的平均亮度处于人眼的中间视觉范围内,而且是处于靠近明视觉的那一段附近。 3.道路照明的亮度范围处于中间视觉范围的偏明亮位置上 道路照明亮度处于中间视觉范围内的哪个位置,按照亮度的高低排列起来的话,可得到图3的结果[6]。 图3 道路照明的亮度范围和人眼的中间视觉亮度范围的关系图 从图3可见,道路照明的平均亮度水平整体上靠近明视觉的位置,处于与它同一数量级的水平上,而远离暗视觉,大约有两个半数量级。 从一般规律性的观点出发,道路照明亮度水平处于靠近明视觉的一端,它所表现的性状必然接近于明视觉的特性而远离暗视觉的特性,图4中眼睛视感觉的特点就更能说明这个问题。 4.从人眼观察对象时的表现看道路照明亮度范围接近明视觉曲线位置的含义 熟悉照明基本要领的人都知道,人眼观察对象能适应且感到舒适的范围的对象物间的亮度之比是在1:3之内,即观察对象的亮度是1(或3),接近它的周围可达3(或1);感到尚可适应的亮度范围是一个数量级(1:10)范围内[2.9],见图4。这个1:3:10的规律显然适合室内外的各种照明场所。 道路照明亮度水平靠近明视觉的一端意味着从人眼的特性来观察它的话,不可能表现出远离适应状态两个数量级的暗视觉时的性状,必然表现出接近于同一亮度数量级的明视觉特性。 图4 人眼观察到的明度(主观量)和亮度(客观量)以及它适应的亮度水平范围 由此可见,道路照明亮度段处在中间视觉范围内,应该有点折算,但数值有限,当然处于亮度最低的0.5(0.3)cd/m2时,折算最多,但绝对不可能达到适应暗视觉亮度时的S/P值的地步。 至于不同适应亮度时折算的计算方法,应决定于中间视觉范围内的光谱光视效能的模拟公式了。 5.与边缘视觉相关的内容 与暗视觉相关的杆体细胞分布于视网膜的边缘的这个事实说明了在如下的条件下它会起到主要的作用: 1) 在眼睛适应的亮度远低于中间视觉的上端亮度,即在道路照明的下端亮度或更低时,常发生在非机动车和行人混合的道路,也发生于居住小区、绿地等场所; 2) 眼睛不需要集中精力注视正前方的的视觉作业。像非机动车驾驶员和行人,此时需要知道周围环境内的情况比了解正前方的情况更为重要,也就是处于边缘视觉比中心视觉更重要的视觉状态。 上述两类情况说明的就是非机动车和行人混合的道路的照明状态。照明标准规定了相应的照度(注意:这里是照度,不是亮度)数值。此时的眼睛适应低亮度水平,处于较暗的视觉环境中,眼睛中视网膜上边缘视觉起作用的成分增加,由此可见,采用适合这类环境照明的光源的光谱中应富含短波波长,发出偏白的光谱,让它产生比黄光多一点的视觉效果。
三、S/P比值只是表示光源特性的一个参数 到目前为止,还没有一个公认的计算中间视觉内某一个适应亮度下的光谱光视效能曲线的解析式,如何得到不同光源在中间视觉范围内的表现是许多人关注的一个内容。于是出现了上面S/P的比值的说法并将它看作评价一个光源在道路照明的中间视觉亮度段内视觉能力的比较参数。也就出现了第一节开头的一段话,即在金卤灯照明下的6.2lx就可以与高压钠灯下的15.6lx相一致的结论。推而广之的话就是说,因为现有的道路照明标准都指明视觉下的数值,因此在金卤灯、无极灯和LED等诸类白光光源照明下的路面上只需将标准值乘以S/P(各类光源的S/P有所不同)的倒数,就能够满足作业要求了,从而用更小的功率替代高压钠灯,可以大量节能。 显然,这样的说法和做法有失偏颇。仔细研究一下就会发现上述的S/P数值发生的条件是在眼睛亮度适应水平为0.001cd/m2或更小的时候,即图5中的紫色线。而道路照明的亮度适应水平比该值要高出2~3个数量级,根本不在同一档次;其时的光谱光视效能曲线也远离了暗视觉曲线(见图5中的茶色和红色曲线),它们靠近蓝色的明视觉曲线。显然,在道路照明亮度段上使用这个系数进行换算是有问题的。也就是说,S/P不是所有中间视觉亮度数值下的亮度折算系数,它只是表示光源在某些特定条件下(暗视觉下)的一个特征参数。 图5 道路照明的亮度段与V(λ) 和V’(λ)的位置图示 图6实验箱的基本结构 因此,在这个区域内不同适应亮度下的光谱光视效率曲线就是目前众所关注的课题。 四、光源光谱在中间视觉的道路照明亮度段中的表现和分析 不同S/P光源照明下道路照明亮度段中观察对象的视觉研究在[6]中已列出,从1997年到2006年之间19篇文章研究的结果集中反映了反应时间、可见度情况、认知情况、视力和碰擦情况等方面的内容。下面用将近三年来的有关内容和结果说明如下: 1.一个模拟实验[10] 英国Schefield 大学的研究报告是针对表1中的三种不同光源(高压钠灯、Cosmo(CPO)和金卤灯(CDO))在不同照度(0.2lx,2lx和20lx)的环境下对随机出现在图6试验箱内视线右边的高度不同圆柱形障碍物(显露时间300ms)进行识别的实验(见图7)。实验分老年组(平均年龄68岁)10人和青年组(平均年龄32岁)10人进行,识别率定义为50%判断结果是准确时占总数的比例。 图7可换内部照明光源的实验箱,底上有随机出现的圆形障碍物 实验采用了单眼视力,眼睛正视前方小孔,随机出现的圆柱体障碍物的位置在正前右方,图7示出了箱体内部空间尺寸和4个障碍物出现的位置。圆柱形障碍物有不同的高度,从0.40mm到7.94mm,见表2。它们是按照人眼高度是1.5m观察地面障碍物的几何条件折算到该箱体中后得到的。 表1 三种被试的光源数据
表2 障碍物在图13中①-④位置上的高度范围
实验在三档照度下进行,其中20lx相当于接近明视觉处于中间视觉亮度上端的照明环境,2lx相当于只有0.3cd/m2的亮度,处于道路照明标准要求的下限,而0.2lx(约0.03cd/m2)就更低了,远低于道路照明亮度范围。 图8 三种试验光源在0.2,2,20lx照明水平下的探测障碍物能力 对不同光源做实验的结果表明(见图8): (1) 当照度在2~20lx之间时,各种光源照明下识别能力没有显著性差异;在0.2~2lx之间,差异变大,而且照度越低,差异越大。见图8 (2) 对有差异的0.2~2lx 照明段内,金卤灯表现最好,HPS灯最差。 (3) 在各照度段内,青年组的探测能力均高于老年组。 从这里看出,在道路照明的高亮度(2~10lx)段内三种光源之间没有显著性差异。在低于该亮度水平时,差异变大。探测能力依此顺序是金卤灯→Cosmo→HPS。 2. IESNA TM-12-06的报告[6] 这篇由IESNA(北美照明学会)研究光源光谱分布影响的专业委员会2006年提出的在“中间视觉范围内视觉功能的影响的报告”说明了用不同的S/P值的光源产生的明视觉亮度(0.1、0.3和1cd/m2)在考虑了中间视觉范围内光谱光视效率变化后实际得到的折算亮度值,见表3中的值 (需要说明的是该委员会将明视觉的起点定义在1cd/m2,与其它资料上略不同) 。 表3不同S/P值的光源照明下看到的明视觉亮度在中间视觉范围内的变化
从表3看出: (1) 当明视觉亮度达1cd./m2时,即中间视觉最亮端,各种光源照明下得到的亮度都相同,没有差别; (2) 在道路照明亮度范围内(中间视觉),亮度越低(如最低为0.3 cd/.m 2 ),不同光源的光谱能起到不同作用,得到不同的亮度值,数字上的变化都罗列出来了。 我们可以在表3的基础上结合高压钠灯(HPS)和金卤灯(MHN)的S/P值后就能计算各个亮度下变化后的数据(见表4)。表中在CJJ45规定的0.5~2 cd/m2亮度范围内,计算了在最低的平均亮度0.5 cd/m2下,用HPS照明时,亮度损失了(0.5~0.468)/0.5=6.4%,用金卤灯照明时,提高了(0.536~0.5)/0.5=7%。如道路照明的最低亮度为美国标准规定的0.3cd/m2时,HPS和金卤灯照明下分别变化了-13%和+15%。 从上表看出,在中间视觉范围内,采用HPS和金卤灯照明的话,会产生不同的结果。但最大的偏差也仅有15%,不会出现从S/P计算出来的在金卤灯照明下可节能1/1.66=60%的可能。 表4不同光源光谱(S/P)在不同明视觉亮度下对折算系数的影响 3.MOVE模式的计算结果[7] 如何确认不同光谱的光源在中间视觉亮度范围内的真正作用,实际上需要有不同亮度下人眼的光谱光视效能曲线,通过计算就能得到。然而,对中间视觉范围内的亮度计算目前没有一个公认的模式,很难统一,但有不少研究成果[10,11,12]。 目前CIE有一个TC1-58小组在做这方面工作,来自5个研究部门(芬兰的HUT:Helsinki University of Technology照明实验室,英国的CU:City University,德国的TUD:Darmstadt University of Technology,匈牙利的UV: University of Veszprem和荷兰的TNO)用不同的实验方法和仪器对统一认同的参数值进行实验,统一实验的视觉条件,仪器由英国国家实验室做计量,采用各自的多种实验方法建立的可见度数据来自两个方面:单色的对比度阈值和反应时间,得到的一个中间视觉范围内表达的数学式,称为MOVE(Mesopic Optimization of Visual Efficiency 中间视觉视效率的最佳化)模式,中间视觉亮度段中的相对光谱光视效率Vmes(λ)定义为: M(x)Vmes(λ)=x V(λ) +(1-x) V’(λ) 式中: M(x):是Vmes(λ)最大值为1的归一化函数,x是一个取决于背景光度(照度和亮度)水平的与明视觉和暗视觉有关的函数,具体的数值见参考文献[7]。通过计算,就能得到在不同S/P数值的光源照明下产生的不同的明视觉亮度换算成对应的在中间视觉亮度段中的值,见表5。 表5 在不同S/P数值的光源照明下产生的明视觉亮度转换为中间视觉亮度的表
分析表5中的S/P=0.65(高压钠灯)和S/P=1.65(金卤灯)的数据可以看出,在明视觉亮度为0.3cd/m2时,两个光源分别变化: 高压钠灯:0.3→0.2706,变化了-9.8%; 金卤灯:0.3→0.3496,变化了+16.5% 上述的变化仍然说明了在道路照明亮度段内不能用S/P的比值作为换算的系数。 图10 中间视觉范围内的亮度折算曲线 4.在中间视觉范围内的亮度折算图 不同的研究都示出了相似的结果,与中间视觉范围的亮度的表述与设计模型有关,图10示出了文献[11]在中间视觉范围内白光金卤灯和HPS灯的亮度折算系数的变化曲线,图中可见,整个曲线的变化趋势与表4和表5中的数据基本一致。 五、国际照明委员会前主席对不同光谱光源在中间视觉段表现的说法[12] 英国照明工程师杂志2009年10月发表了国际照明委员会前主席Wout van Bommel教授的题目为“The spectrum of light source and low light levels: the basics”的文章,介绍了目前世界上对中间视觉段内不同光源光谱的影响和影响视觉的结果。 表6给出了几种目前常用光源的S/P值和表7表示这些灯在中间视觉段内的折算系数。 表6 目前常用光源的S/P值
文章还列出了上述几种光源在不同适应亮度段内的折算数值(见表7)。由此看来,道路照明使用的光源在路面亮度最低段内(0.3cd/m2)的折算系数分别只是-10%和9%。 表7 表6中光源在适应亮度是0.03,0.3和3cd/m2时的折算系数
文章还特别强调了路面上的平均亮度和眼睛的适应亮度有区别的事实,说明了在道路上驾驶员开车时,路面上的平均亮度不是驾驶员的适应亮度,由于周围有更亮的物体(如路灯、广告牌和指示牌等),眼睛适应亮度的水平要高于路面的平均亮度。从这个角度讲,根据标准要求,若路面上的最低平均亮度是0.3 cd/m2的话,实际上眼睛在这时的适应亮度要高于0.3 cd/m2。也就是说,此时不同光源间亮度的折算系数还要接近,S/P值大的光源的优势将进一步减少。 六、结论 本文介绍了近年来国内外研究中间视觉在道路照明段内的表现,得到了如下的结论: 1.道路照明的亮度范围在中间视觉亮度段的上端,近最亮端的3cd/m2而远离0.001cd/m2的最低端约2.5~3个数量级; 2.S/P仅是表达了光源在中间视觉亮度范围两端(明视觉和暗视觉)产生的光度的特性比较,不能用于中间视觉亮度段内任一亮度下光源产生的光度与明视觉下产生的比较; 3.不同光源因光谱不同,在中间视觉段内的表现不同,大致的规律是:白色光源(S/P>1)的随眼睛适应亮度的降低而亮度提升,黄色光源(S/P<1)的随眼睛适应亮度的降低而亮度下降,其变化规律遵循中间视觉的模型; 4.目前还没有一个统一的中间视觉的模型,但不同光源因光谱不同引起的照明结果中的亮度变化规律趋同,并有对应的表格或曲线可以查到; 5.由于道路照明的亮度段落在中间视觉段的上端,不同模型计算结果表明: 1)在机动车道路上(标准中亮度的最高段), 不同光源因光谱不同引起的照明结果中的亮度数值差别不大,因此HPS与白光光源无显著差异; 2)在非机动车道路上(标准中的低亮度路段,如行人和自行车道路),不同光源因光谱不同引起的照明结果中的亮度数值差别较大,可考虑推荐使用S/P值>1的白光光源; 6.由于道路照明的亮度段落在中间视觉段的上端,对公共照明中的两类道路: 2) 机动车道: 由于车速高,眼睛集中观察前方远处,需要路面上的亮度较高,以视网膜上中心凹中的锥体细胞占主导地位的明视觉为主,用于注视前方并了解正前方目标及其周边状况。此时建议目前仍然采用发光效率高的HPS灯为主; 3) 非机动车道、机非混合道和街路:由于车速和行人速度很低,需要的亮度也低, 以视网膜上中心凹周边和边缘处的杆体细胞占主导地位的暗视觉与中心凹中的锥体细胞占主导地位的明视觉同时起作用,在关注正前方的时候同时观察周边情况,获得正确信息,此时建议可采用白色光源。 7.作为光源间的节能水平的比较,除了要考虑中间视觉亮度下的人眼的光谱光视效率的变化外,还要考虑光源的发光效率,需两者综合起来研究。 8.不同道路上计算得到的路面平均亮度,不是眼睛的适应亮度。眼睛在道路上受光源、发光信号、广告牌等高亮度发光体的影响,适应亮度要高于平均亮度。因此,眼睛的适应亮度还要上移,呈现出更多的明视觉条件下的表现。 参考文献 [1]Sam Berman: “Turning the Light Spectrum to Improve Energy Efficiency”. IAEEL.Newsletter 2/92,P5; Mark S.Rea: “In the Dark About the Lumen” IAEEL.Newsletter 2/95,P4. Testing1,2 LD+A. Dec.2007 [2]IESNA.9th :IESNA Lighting Handbook. 日本照明学会编“照明手册”,中国建筑工业出版社。 [3]荆其诚,“色度学”出版社1979; Mark S.Rea: “In the Dark About the Lumen” IAEEL.Newsletter 2/95,P4. [4]The Institute of Lighting Engineering, “The Outdoor Lighting Guide” 2005 [5]PHILIPS “Lighting Manual” [6]IESNA TM-12-06 Spectral Effects of Lighting on Visual Performance at Mesopic Light Levels 2006. [7]Marjukka Elohola, Liisa Halonen ,“New Model for Mesopic Photometry and its Application to road Lighting” LEUKOS Vol.2 ,April, 2005 [8]CJJ45-2006“城市道路照明设计标准”中华人民共和国建设单位 CIE115“Lighting of Road for Motor and Pedestrian Traffic” 1995和送审稿 2008。 IESNA PR-8-00 “Roadway Lighting” 2005. [9]Zumtobel Staff , “Brightness Management” 1990 [10] Steve Fotios,Chris Cheal, “Lamp Spectrum, Illuminance and the Pedestrian’s Ability to Detect Obstacles” ILE,Vol.73 ,N0.6, December 2008. [11] S Volker“Mesopic vision-Should we replace all sodium lamps by lamps with white light in our public lighting?” CIE 26th Session, Bejing 2007. [12]Wout van bommel: “The spectrum of light source and low light levels: the basics” ILE 2009.10.P39. |
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