謝文科, 李致遠(yuǎn)

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引 言

針對(duì)大學(xué)教室、圖書館、寢室等學(xué)習(xí)閱讀環(huán)境的自然采光、人工光照以及不同混合性光照采光的閱讀環(huán)境的照明效果，進(jìn)行了照度測量和數(shù)據(jù)建模分析，實(shí)現(xiàn)閱讀環(huán)境狀況的綜合評(píng)價(jià)分析和研究，對(duì)于創(chuàng)造良好閱讀學(xué)習(xí)環(huán)境、改善學(xué)生閱讀條件和保護(hù)視力等都具有重要意義和實(shí)用價(jià)值[1]?，F(xiàn)有光照環(huán)境測量[1～6]中多采用照度計(jì)的方法，存在采樣點(diǎn)少、采樣位置不準(zhǔn)和自動(dòng)化程度低等問題。目前隨著大面陣電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)技術(shù)的發(fā)展和加工水平的全面提高，根據(jù)CCD光電傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理特點(diǎn)進(jìn)行的系統(tǒng)開發(fā)在工業(yè)傳感和生物識(shí)別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7,8]。

本文提出了對(duì)CCD光電傳感器進(jìn)行精確光度響應(yīng)標(biāo)定、定標(biāo)的方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了用于閱讀環(huán)境光照度測量的環(huán)境光照質(zhì)量的檢測系統(tǒng)，對(duì)CCD光電傳感器光譜響應(yīng)和光度響應(yīng)特性進(jìn)行校正和分析。分別對(duì)自然采光、人工光照，以及不同混合性光照采光等閱讀環(huán)境照明效果觀察、頻閃觀察、光度測量和參數(shù)測試分析。并針對(duì)不同學(xué)習(xí)、閱讀場合的實(shí)地測量參數(shù)進(jìn)行光環(huán)境狀況的綜合評(píng)價(jià)。對(duì)閱讀環(huán)境光度測量和評(píng)價(jià)方法的分析，對(duì)于創(chuàng)造良好的光環(huán)境，節(jié)約能源，改善大學(xué)光照環(huán)境具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 光度學(xué)基本理論和標(biāo)定原理分析

1.1 光度學(xué)照度測量理論分析

被照物體入射單位面積上的光通量dF[9]

(1)

(2)

又由照度A′的定義

(3)

若放置dS′與dS的法線與r方向重合，則i=i′=0,cosi=cosi′=1,即發(fā)光面和受照面平行，亮度B和照度的關(guān)系

(4)

用照度計(jì)測得距光源r遠(yuǎn)處參考平面的照度。

1.2 標(biāo)定測量原理分析

根據(jù)相機(jī)的工作原理，標(biāo)定時(shí)利用相機(jī)在快門速度固定、光圈和焦距等光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)不變化的特點(diǎn)，保證光學(xué)鏡頭的透過率τ、鏡頭的焦距f、有效通光口徑D等參數(shù)相對(duì)固定，在規(guī)定測量的距離l與標(biāo)定參考平面間距離保持基本不變的情況下對(duì)被探測面接收的照度進(jìn)行標(biāo)定

(5)

在實(shí)際測量時(shí)，使用同一灰板作為被探測面的參考，在相機(jī)和人眼睛的高度、對(duì)被測量表面傾斜的角度一致時(shí)反射系數(shù)ρ是固定值。分別利用照度計(jì)和相機(jī)測量參考面，按照接收的實(shí)際照度即可確定照度計(jì)測量的被探測面照度數(shù)值和相機(jī)測量的照度值之間的比例系數(shù)。實(shí)際操作中，要在照度測量中設(shè)置成與之相同或接近的測量距離、相同相機(jī)參數(shù)進(jìn)行測量，再對(duì)相機(jī)測量得到的數(shù)據(jù)依照比例系數(shù)進(jìn)行校正。

2 測量裝置與數(shù)據(jù)處理

設(shè)計(jì)了閱讀環(huán)境光度測量裝置，基本組成：具有快門控制的Canon SC50HS相機(jī)、三角架、灰板、標(biāo)定用BENETECH—GM1020型數(shù)字式照度計(jì)、計(jì)算機(jī)采集處理和基于LuxLAB、OriginLab軟件平臺(tái)開發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序等。

2.1 區(qū)域平均法照度測量和校正

環(huán)境光度主要包括事先標(biāo)定、環(huán)境測量和校正3個(gè)步驟。通過標(biāo)準(zhǔn)的照度計(jì)和相機(jī)同時(shí)進(jìn)行照度測量，進(jìn)行不同照度條件下的響應(yīng)度標(biāo)定系數(shù)。

1)區(qū)域平均法測量

采用區(qū)域平均法進(jìn)行采集圖像的照度數(shù)據(jù)處理，在獲得圖像后，首先判別參考平面的灰板有效區(qū)域。參考平面上的閱讀照度均勻性定義為：對(duì)應(yīng)于灰板單個(gè)拍照的圖像內(nèi)的單個(gè)閱讀區(qū)域照度測量數(shù)值Er(i)(i=1,2,3,4,5)與其參考平面平均照度Er-ave的比。分別對(duì)各小區(qū)域位置對(duì)應(yīng)的照度進(jìn)行測量， 記錄照度和灰板圖像參考平面平均照度Er-ave計(jì)算。

2)傳感器響應(yīng)的兩點(diǎn)校正法

采取設(shè)定參考平面不同的照度Ep(1),Ep(2)，測量不同照度ECCD(1),ECCD(2)下的比例系數(shù)，利用2個(gè)不同或多個(gè)照度值進(jìn)行測量和標(biāo)定的兩點(diǎn)比例系數(shù)校正法，原理如下

K(1)+Ep(1)/ECCD(1)，K(2)=Ep(2)/ECCD(2)

(6)

測量時(shí)根據(jù)相機(jī)的測量數(shù)值ECCD(x)分別利用線性插值法確定需要的標(biāo)定參數(shù)

(7)

標(biāo)定后，采用兩點(diǎn)校正法、多點(diǎn)校正法進(jìn)行校正。在快門速度固定、光圈和焦距等光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)不變化的情況下，保證相機(jī)和人眼睛的高度、對(duì)被測量表面傾斜的角度都基本一致，對(duì)參考平面進(jìn)行拍攝。確定標(biāo)定系數(shù)后利用被探測面照度和相機(jī)的光敏面接收到的照度之間的關(guān)系校正實(shí)際照度。根據(jù)不同的測量條件測量出的圖像分別依據(jù)上述兩點(diǎn)校正法或多點(diǎn)校正法建立不同曝光條件下(快門速度、F數(shù)和感光度(ISO)設(shè)置)對(duì)應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)表，依據(jù)曝光條件進(jìn)行校正。

2.2 測量操作誤差分析與驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)了12個(gè)不同高度拍攝的圖像的白紙內(nèi)部分的照度均值，各個(gè)位置間依次相差1 cm。其中兩個(gè)緊鄰高度位置對(duì)參考平面的三維圖如圖1。測量操作誤差引起的測量平均照度偏差如圖2所示。

圖1 兩個(gè)緊鄰高度位置對(duì)參考平面拍照的照度三維圖

圖2 測量位置誤差引起的平均照度偏差曲線

可知，測量中因?yàn)槲恢貌粶?zhǔn)確造成的誤差在-3 %～3 %之間。在實(shí)際測試中，按照學(xué)習(xí)看書時(shí)人眼相對(duì)于課桌的實(shí)際高度(距離地面約0.75 m)和傾斜角度來確定相機(jī)的拍照位置(距離地面約1.20 m)，每次取的測量高度誤差控制在3～5 cm 以內(nèi)，標(biāo)定和測量位置不準(zhǔn)確造成的照度測量誤差可控制在2 %左右。

2.3 測量數(shù)據(jù)及其分析

用系統(tǒng)進(jìn)行了單個(gè)T8雙端直管形熒光燈在學(xué)校教室的照明效果觀察和光照度測量，如圖3(a)。使用灰板、相機(jī)和皮尺，分別在距離燈下點(diǎn)不同水平距離的參考平面進(jìn)行了觀察和照度的分布測量。設(shè)定的參考平面距離天花板約2.20 m，距離地面約0.75 m。利用2個(gè)T8雙端直管形熒光燈組在閱覽室的照明效果觀察和光照度測量數(shù)據(jù)如圖3(b)。

圖3 熒光燈照明測量結(jié)果對(duì)比

分別進(jìn)行了陽面采光、陰面采光時(shí)教室照明效果的實(shí)驗(yàn)觀察和照度測量。觀察和測量了教室內(nèi)距離窗臺(tái)不同距離對(duì)應(yīng)的照度分布，數(shù)據(jù)分別如圖4所示。

圖4 陽面和陰面采光時(shí)教室照度測量結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)記錄的結(jié)果，在僅有單個(gè)T8雙端直管形熒光燈在學(xué)校教室照明時(shí)教室照度測量數(shù)據(jù)中，最大照度在燈的正下方，為60.1，在2.5 m時(shí)最小照度，不足12.5 lx。該照度略小于國際、國內(nèi)規(guī)定各種閱讀標(biāo)準(zhǔn)。

在利用2個(gè)T8雙端直管形熒光燈在學(xué)校教室照明時(shí)教室照度測量數(shù)據(jù)中，最大照度也在各個(gè)燈的正下方，分別為66.3，64.2 lx，在1.2 m處最小照度為27.5 lx。該光源照明時(shí)教室照度亦小于國際、國內(nèi)規(guī)定各種閱讀標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)陽面采光時(shí)教室照度測量結(jié)果，最大照度位于窗口，為1 949.2 lx；照度隨著距窗臺(tái)距離的增加迅速減小，在距離0.3 m時(shí)迅速降到1 000 lx以內(nèi)，在2.5 m處最小照度為48.5 lx。分析該情況下教室整體照度基本符合國內(nèi)規(guī)定的閱讀標(biāo)準(zhǔn)，最合適的位置為距窗0.5～2 m的處，離窗遠(yuǎn)的地方照度較小。

根據(jù)陰面采光時(shí)教室照度測量結(jié)果，最大照度也在窗臺(tái)附近，為1 198.6 lx，照度隨著距窗臺(tái)距離的增加迅速減小， 0.3 m距離內(nèi)就迅速降到700 lx以內(nèi)，在2.5 m處最小照度為20.3 lx。該情況下教室整體照度基本符合國內(nèi)規(guī)定的閱讀標(biāo)準(zhǔn)，最合適的閱讀位置在距窗臺(tái)0.2～1.5 m的位置，但離窗臺(tái)遠(yuǎn)的地方尤其是水平距離大于2 m的地方照度約20～30 lx不適合閱讀。

測量中還發(fā)現(xiàn)，節(jié)能燈和熒光燈點(diǎn)亮過程中的閱讀光照度隨時(shí)間逐漸變亮，經(jīng)分析，針對(duì)不同類型的光源，利用測量裝置進(jìn)行了光源發(fā)光時(shí)間特性測量和實(shí)驗(yàn)觀察。對(duì)PHILIPS18W節(jié)能燈的時(shí)間特性測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 光源點(diǎn)亮后的時(shí)間特性測量數(shù)據(jù)

可以看出，燈從開始發(fā)光到穩(wěn)定照明存在一個(gè)明顯的持續(xù)變亮過程，照度變化大概在15 %～2 %之間，從開始到獲得持續(xù)穩(wěn)定的照度大約需要4～5 s。

3 結(jié)束語

提出了基于區(qū)域平均法和傳感器光度響應(yīng)校正法的光度檢測和光環(huán)境評(píng)價(jià)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了光度檢測系統(tǒng)，驗(yàn)證了位置操作誤差3 %以內(nèi)。對(duì)各種閱讀環(huán)境光度進(jìn)行了對(duì)比測量，研究基于光照環(huán)境的質(zhì)量檢測和評(píng)價(jià)測量方法，對(duì)于創(chuàng)造良好的光環(huán)境、節(jié)約能源、改善學(xué)生閱讀光照環(huán)境和保護(hù)視力等方面都具有重要的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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