? LED、高压钠灯和金属卤化物灯道路照明效果的研究 LED、高压钠灯和金属卤化物灯道路照明效果的研究
姜言泉1，高尚2，邵新鹏1，杨志强3，王莹4
(1.山东高速青岛发展有限公司，山东青岛266061；2.山东交通学院，山东济南250357；
3.青岛鼎腾设计工程技术有限公司，山东青岛266103；4.山东大学，山东济南250100)
摘要：对高压钠灯、金属卤化物灯以及LED三种道路照明常用光源进行分析计算，利用基于视觉功效的MOVE模型得出了三种光源不同的照度修正系数。结果显示中间视觉情况下人眼感觉到的照度值比明视觉照度计测得的值高10%～20%。此结果对中间视觉照度计的设计、照明工程的节能、灯具布局的合理化等都具有重要的指导意义。
关键词：中间视觉；MOVE模型；照度；道路照明；LED
引言
目前在道路照明中应用较多的是高压钠灯、金属卤化物灯。但是高压钠灯的寿命很短，且显色性差、耗电量大；而金属卤化物灯具有高光效、长寿命、显色性好、结构紧凑、性能稳定等特点，但市场上的金属卤化物灯灯内的填充物中含有汞，一旦灯破损，会对环境造成污染。LED作为一种新型照明光源，具有很多的优势。道路照明中使用LED将减少电费支出、降低维护成本、提高道路出行安全。目前，大功率白光LED的光效已经超过120lm/W，完全可以为夜间道路照明提供保障。
视觉分为明视觉、暗视觉和中间视觉。中间视觉的亮度范围为0.001～3cd/m2。夜间道路的亮度一般是1.5cd/m2左右，处于中间视觉范畴。因此，在讨论夜间道路照明问题，明视觉和暗视觉体系已不能使用，必须用中间视觉理论来解决。但是，由于中间视觉的亮度范围内人眼对物体响应的复杂性等因素，中间视觉光谱光效函数还不能确定。
本文利用MOVE模型，确定不同光源的中间视觉条件下光谱光视效能最大值和不同亮度下的照度修正系数，并进行分析比较，得出人眼感受到的照度值和普通照度计测得的照度值的区别，为设计适合中间视觉亮度条件下的照度计提供了依据。
1MOVE模型
确定中间视觉光度学模型的主要方法有异色视亮度匹配法、闪烁光度学测量法、视觉功效法、暗视觉光通量和明视觉光通量比值法等。实际中应用较多的是视觉功效法，基于视觉功效法的模型有很多，比如美国LRC照明研究中心模型、欧盟MOVE模型[1]等。
欧盟国家的不同研究机构对中间视觉下的视觉功效展开了很多研究，他们利用反应时间在内的多种视觉功效建立了两个中间视觉模型，测量范围是0.01～10cd/m2，其中一个是线性模型，如下
M(x)Vmes(λ)=xV(λ)+(1-x)V′(λ)
(1)
其中M(x)是归一化函数，V(λ)和V′(λ)分别是明视觉和暗视觉光谱光效函数，x是亮度适应系数，且0≤x≤1。x=1时，Vmes(λ)为明视觉光谱光效函数，最大光视效能为683lm/W；x=0时，Vmes(λ)为暗视觉光谱光效函数，最大光视效能1700lm/W；0xVmes(λ)为中间视觉光谱光效函数，最大光视效能介于683lm/W与1700lm/W之间。这个模型很明显满足可加性，而且将各个视觉细胞的综合响应均考虑在内，是个较为理想的中间视觉光度学模型。
2中间视觉等效照度系数的推导计算
本文选用NAV250W的高压钠灯(HPS)和CDO-TT250W/828的金属卤化物灯(MH)，以及20W的LED灯。这三种光源在暗视觉、明视觉状态下的光通量以及比值见表1[2]。
表1三种路灯暗视觉/明视觉状态下的光通量及比值
Table1Theratiooftheluminousfluxinscotopic
andphotopicvisionofthreelightsource
暗视觉/lm明视觉/lmS/PHPS17500280000.625MH32500230001.413LED679622732.989
根据式(1)可看到x的重要性，HelsinkiUniversityofTechnology给出了一个计算x值的较为准确的模型[3]，如下
x=
lnLb
(2)
式中a=0.6816，b=0.02546，c=0.1300，d=0.005522，e=-0.002111，f=-0.01191，Lb为适应亮度。根据表1给出的结果，可以由此公式求得三种光源在中间视觉不同亮度下的x值，见表2。
表2不同光源不同适应亮度下x值
Table2xofmesopticvisioncoefficientindifferent
adaptationbrightness
适应亮度/(cd·m-2)xHPSMHLED0.10.34740.39000.43560.50.57590.60280.63401.00.67090.69110.71611.50.72550.74180.76322.00.76380.77730.79622.50.79330.80460.82153.00.81730.82680.8420
光谱光视效能是度量辐射引起的视感觉情况的量，陈仲林等利用线性内插法求得光谱光视效能最大值计算式[4]，在实际表征光源对于道路照明的影响时是可行的，其公式如下
(3)
其中ETd是网膜照度，且Lb=ETd/10，Kmm(ETd)为该照度下光谱光视效能的最大值(见表3)。因此我们可以得出适应亮度和最大光谱光视效能的关系如下
(4)
表3不同适应亮度下光谱光视效能最大值
Table3Kmmindifferentadaptationbrightness
Lb/(cd·m-2)Kmm/(lm·W-1)0.11191.50.51013.81.0937.31.5892.52.0860.72.5836.13.0816.0
中间视觉光谱光视效能最大值和光源种类无太大关系，可以忽略，而中间视觉照度为[5]
(5)
因此，
(6)
其中B是不同光源在不同适应亮度下的照度修正系数，S/P为暗视觉和明视觉状态下照度的比值，M(x)为使Vmes(λ)取最大值时的归一化函数。
表4列出了不同适应亮度不同光源时的照度的修正系数，从表中可以看出，人眼感觉到的中间视觉的照度值大于用明视觉照度计测得的照度值，且在适应亮度为1.0～1.5cd·m-2范围内差别较大，相应的修正系数较大。而夜间道路照明亮度一般为1.5cd·m-2左右，因此对照度进行修正是十分必要的。
表4不同适应亮度不同光源照度修正系数
Table4Illuminationcorrectioncoefficientin
differentadaptationbrightness
适应亮度/(cd/m2)照度修正系数HPSMHLED0.11.01261.07331.13820.51.14981.18111.21761.01.17391.19471.22101.51.17841.19381.21472.01.17741.18921.20662.51.17451.18351.19843.01.17061.17761.1903
3结论
本文对道路照明常用的三种光源在不同适应亮度下进行照度修正，发现在不同亮度情况下人眼实际感受到的照度值要明显大于实际照度计测量得到的照度值，其中LED灯的修正系数最大，为1.2lx左右；高压钠灯的修正系数最小，为1.17lx左右。这为隧道照明或夜间的道路照明所用的照度计的设计提供了理论指导，减少了照明设计中因为过度照明而产生的能源浪费，对于灯具的合理布置、节能减排具有重要的意义。
参考文献
[1]庄鹏.CIE中间视觉光度学模型的分析和应用[J].照明工程学报，，23(3)：35-41.
[2]金鹏,喻春雨,周奇峰，等.LED在道路照明中的光效优势[J].光学精密工程，,19(1)：51-54.
[3]HelsinkiUniversityofTechnology.Performancebasedmodelformesopicphotometry[R].MOVEReport,.
[4]陈仲林,杨春宇,何正军.光谱光视效能最大值研究[J].照明工程学报,,14(3):1-3.
[5]李璇,金尚忠,王乐，等.中间视觉条件下不同色温光源对道路照明的影响[J].光电子·激光,,22(7):997-999.
StudyoftheRoadLightingEffectofLED,HPSandMH
JiangYanquan1,GaoShang2,ShaoXinpeng1,YangZhiqiang3,WangYing4
(1.ShandongHi-speedQingdaoDevelopmentCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；2.ShandongJiaotongUniversity,Jinan250357,China；3.QingdaoDingtengDesignCo.,Ltd.,Qingdao266061,China；
4.ShandongUniversity,Jinan250100,China)
Abstract：ThispaperanalyzesthreecommonlightsourceswhichareLED,HPSandMH.IlluminationcorrectionfactorareobtainedbyMOVEmodelwhichisbasedonvisualperformance.Theresultsshowthatilluminationfeltbyhumaneyesare10%～20%higherthanthevaluereceivedbyanillumination.Thisresulthasgreatguidingsignificancetoenergyconservationofilluminationwork.
Keywords:mesopicvision;MOVEmodel;illuminance;roadlighting;LED
中图分类号：TM923
文献标识码：A
DOI:10.3969j.issn.1004-440X..03.022
