朱方洲

(安徽經(jīng)濟管理學院信息技術(shù)中心，合肥 230051)

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前世界上總發(fā)電量的25%用于照明，對于照明節(jié)能與智能化控制已成為當今關(guān)注的熱點問題。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世紀具有最廣闊的發(fā)展前景［3］，在不同的照明領域受到越來越多人的矚目。特別是大功率高亮度LED其發(fā)展趨勢是用于新一代居民照明［4］。

目前，我國道路照明光源主要是高壓鈉燈和金鹵燈，許多學者對高壓鈉、金鹵燈在中間視覺狀態(tài)下的光視效率進行了研究分析［5］。但由于此類燈的光色成分中含藍色和綠色光成分較少，不在人眼中間視覺狀態(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、汽車和障礙物等的距離，易導致交通事故的發(fā)生。

本文通過分析人眼的視覺結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合中間視覺理論，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敏感區(qū)域，彌補了黃色高壓鈉燈的不足。通過對該電光源的光色建模和實驗仿真，獲得了較理想的效果。

1 道路照明中的人眼視覺結(jié)構(gòu)分析

視網(wǎng)膜是視覺的光學過程和電生理過程的接口，按照國際照明學會(CIE)的規(guī)定［6］，亮度水平大于3 cd/m2的視覺叫做明視覺，是人眼的錐狀細胞在工作，亮度水平約在0.001 cd/m2的或更低的視覺叫做暗視覺，是人眼的桿狀細胞在工作，介于明視覺和暗視覺之間的叫中間視覺或中介視覺，一般認為處于中間視覺的亮度水平范圍在0.001～3 cd/m2之間，是人眼的桿狀細胞和錐狀細胞在交替作用。研究證明人眼在中間視覺范圍內(nèi)，最佳光譜光視效能是在波長507～555 nm范圍內(nèi)，這時明暗、顏色、空間和響應等視感覺特性均發(fā)生變化，且隨著適應亮度水平的下降，周邊視覺變得比中心視覺的察覺更為容易［7-8］。

由國內(nèi)外機動車道道路照明的標準可知，我國和CIE規(guī)定機動車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(最低級是 M5)，2008修改后的(增加了最低一級為M6)規(guī)定是0.3 cd/m2;北美也是0.3 cd/m2。在夜間對于開車的駕駛員而言，道路照明的亮度水平應該是處于人眼的中間視覺水平。因此，研究LED電光源在中間視覺條件下的光效對于提高道路照明和實現(xiàn)道路照明節(jié)能具有重要意義。

2 基于人眼中間視覺理論的LED光源光譜能量的分析

研究分析可知，在中間視覺狀態(tài)時，人眼的視覺功效和人眼在明視覺和暗視覺時的視覺功效是不同的，而道路照明的亮度是處于人眼的中間視覺范圍之內(nèi)，即亮度處于0.5～2.0 cd/m2之間，波長在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，其相對光譜能量的分布如圖1所示。LED白光相對光譜能量分布在380～780 nm之間，即在可見光范圍內(nèi)。其中，LED白光的極大值分別分布在波長為450 nm和580 nm的2個點上，即較大能量的輸出在藍光、黃光部分，但黃光和藍光部分并不在人眼的道路照明中間視覺范圍的最高敏感區(qū)域，對道路照明的視覺功效難以達到最佳狀態(tài)。

圖1 LED白光相對光譜能量分布

(2)LED綠光的相對光譜能量分析。LED單色光是綠光的一種，相對光譜能量分布如圖2所示。LED綠光的相對光譜能量分布在波長450～600 nm之間，其中半值寬度是40 nm，發(fā)光波長峰值在530 nm。LED綠光在波長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到理想的視覺功效。

圖2 LED綠光相對光譜能量分布

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

3 基于道路照明標準的LED光源配光模型

由色度學可知，顏色匹配是指將2種以上的顏色進行混合，從而達到人眼視覺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光譜色的顏色匹配三刺激值R、G、B 之和，即

配色方程:

對于道路照明的光源調(diào)光問題，主要是研究亮度調(diào)節(jié)的同時不改光色。HSV顏色模型是一種通過人眼對顏色的心理感受這個因素來轉(zhuǎn)換構(gòu)成的，所以，能夠達到符合人眼的視覺感受要求。該模型能夠單獨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，可以通過改變HSV色度模型中V值達到調(diào)光的效果，且在調(diào)光過程中不會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，縱坐標表示亮度，從上至下顏色從白到黑，橫坐標表示色飽和度，由外而內(nèi)逐步變低，即顏色越來越不單一，色度的變化是通過圓周方向表示的，來形成一個色環(huán)，其中黃、紅、青、綠、藍和洋紅6個標準色在空間分別相隔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)化計算得到H、I、S的值，并將S的值做歸一化處理。

亮度獨立調(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驗設計與仿真分析

4.1 實驗條件

實驗采用MATLAB7.8.0/SIMULINK軟件進行仿真，選用照明光源LED光源的功率是250 W，設置該LED光源光譜的峰值波長為: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。本實驗是設計主干道路的路燈。

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

表1 D65相對輻射功率

4.2 實驗步驟及結(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光源光譜波長設計選在525～550 nm之間。在Matlab中進行仿真，結(jié)果見圖4。

圖4 R、G、B的刺激值隨亮度因子變化曲線

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

4.3 基于道路照明標準的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配光模型來驗證，在中間視覺道路照明條件下某一適應亮度水平時，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，研究人員對圖像清晰度進行了大量的研究，但對圖像的清晰度仍然沒有形成統(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胞起作用，且對R、G、B顏色的敏感程度不同，取 X1=0.4，X2=0.5，X3=0.1。

通過Matlab7.1軟件對主干道亮度通常在2.0 cd/m2時進行仿真，其結(jié)果見圖5。

圖5 效果比較圖

4.4 計算LED光源S/P的比值

目前，國際上還沒有統(tǒng)一規(guī)定的計算中間視覺內(nèi)某一個適應亮度下的光譜光視效能曲線。因此，可以采用S/P比值來作光源在道路照明的中間視覺亮度段內(nèi)視覺能力的評價參數(shù)，S/P定義為暗視覺的光通量與明視覺光通量的比值，其表達式如(7)所示:

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

本文通過計算S/P比值來分析LED白綠光的配光效果，計算時采用范圍在505～555 nm波長之間的光譜輻射通量，根據(jù)式(7)可得結(jié)果見表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白綠光等諸類光源用作道路照明時，只要將S/P比值的倒數(shù)乘以亮度的標準值，其亮度就能夠達到滿足路面照明的要求，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

本文通過對道路照明中人眼視覺結(jié)構(gòu)的分析，基于中間視覺的道路照明標準，根據(jù)人眼視覺對不同波長的敏感程度不同，通過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。

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