公路隧道照明检测，分类与应用方法

(一)基本概念

照明工程中的基本概念较多,为了阐述方便,这里对常用的几个概念作以简介,如读者需要深入了解,请参考有关资料。

1.光谱光效率

图5.2-17所示为光谱光效率曲线,光谱光效率是人眼在可见光光谱范围内视觉灵敏度的一种度量。在明视觉(照度较高)条件下,人眼对555nm光波的视觉灵敏度最高;在暗视觉(照度较低)条件下,人眼对507nm 光波的视觉灵敏度最高。偏离峰值,无论是短波长,还是长波长,人眼的灵敏度都要下降,距离峰值越远,人眼的视觉灵敏度越低。图5.2-17给出了人眼的光谱光效率曲线。

2.光通量

光通量是光源发光能力的一种度量,是指光源在单位时间内发出的能被人眼感知的光辐射能的大小。光通量常用符号φ表示,单位为流明(lm)。例如,一只220V、40W 白炽灯发出的光通量为350lm;一只220V、40W 的荧光灯发出的光通量为2100lm。

3.光强

光强用于反映光源光通量在空间各个方向上的分布特性,它用光通量的空间角密度来度量。光强常用符号I表示,可由式(5.2-30)计算:

式中 dω——由(点)光源向外张的微小空间角(锥面所围的空间),若以半径为r的球面截取锥面,而被锥面截取的微小球面面积为dA,则dω=dA/r2;

dφ——微小空间角dω内的光通量。

图5.2-17　光谱光效率曲线

光强单位是坎德拉(cd),1cd=1lm/sr,坎德拉是国际单位制的基本单位之一。

光强常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向上的分布密度。例如,一只220V、40W 白炽灯发出350lm光通量,它的平均光强为350/4π=28cd;若在该灯泡上装一盏白色搪瓷平盘灯罩,则灯的正下方的光强能提高到70～80cd。虽然两种情况下,光源发出的光通量没变,但后者使光通量在空间分布更集中。

4.照度

照度是用来表示被照面上光的强弱的,以被照场所光通量的面积密度来表示。取微小面积dA,入射的光通量为dφ,则照度E 为

对于任意大小的表面积A,若入射光通量为ψ,则在表面积A 上的平均照度E 为

照度的单位为勒克斯(lx),1lx即在1m2的面积上均匀分布1lm 光通量的照度值,或者是一个光强为1cd均匀发光的点光源,以它为中心,在半径为1m 的球表面上,各点所形成的照度值。

1lx的照度是比较小的,在此照度下仅能大致辨认周围物体,要进行区别细小零件的工作是不可能的。为了对照度有些实际概念,现举几个例子:晴朗的满月夜地面照度约为0.2lx,白天采光良好的室内照度为100～500lx,晴天室外太阳散射光(非直射)下的地面照度约为1000lx,中午太阳光照射下的地面照度可达100000lx。

5.亮度

亮度用于反映光源发光面在不同方向上的光学特性。在一个“面”光源上取一个单元面积△A′,从与表面法线成θ角的方向去观察,在这个方向上的光强Iθ 与人眼所“见到”的光源面积△A 及亮度Iθ 之间的关系为

如果ΔA 是一个理想的漫射发光体或理想漫反射表面的二次发光体,则它的光强将按余弦分布。将Iθ=I0·cosθ代入式(5.2-33)得:

即理想漫射发光体或理想漫反射表面二次发光体的亮度与方向无关。亮度的单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。表5.2-11列出了各种光源的亮度。

表5.2-11　各种光源的亮度表

在隧道照明中,路面亮度是最重要的技术指标,并且经常将路面的光反射视为理想漫反射。在这种假设下,亮度L 与照度E、反射系数ρ之间存在以下简单的关系:

6.照明检测分类

隧道照明检测可分为实验室检测和现场检测。实验室检测主要对单个灯具的特性或质量进行检测,为照明设计提供依据,或为工程选用合格产品;现场检测则主要对灯群照明下的路面照度、亮度和眩光参数进行检测,用以评价隧道照明工程的设计效果与施工质量。

(二)照度检测

1.检测原理

照度检测一般采用将光检测器和电流表连接起来,并且表头以勒克斯(lx)为单位进行分度构成的照度计。例如,JD系列指针式照度计和数字式照度计,将光电池放到要测量的地方,当它的全部表面被光照射时,由表头可以直接读出照度的数值。由于照度计携带方便、使用简单,因而得到广泛的应用。

通常好的照度计应符合下列要求:

(1)应附有V(λ)滤光器。常用的光电池(硒、硅)其光谱灵敏度曲线与V(λ)曲线都有相当大的偏差,这就造成测量光谱能量分布不同的能源,特别是测量非连续光谱的气体放电灯产生的照度时,出现较大的偏差。所以,照度计都要给光电池配一个合适的颜色玻璃滤光器,构成颜色校正光电池。它的光谱灵敏度曲线与V(λ)曲线相符的程度越好,照度测量的精度越高。

(2)应配合适的余弦校正(修正)器。当光源由倾斜方向照射光电池表面时,光电流输出应当符合余弦法则,即此时的照度应等于光线垂直入射时的法线照度与入射角余弦的乘积。但是,由于光电池表面镜面的反射作用,在入射角较大时,会从光电池表面反射掉一部分光线,致使光电流输出小于上面所说的正确数值。为了修正这一误差,通常在光电池外加一个均匀漫透射材料制成的余弦校正器,如图5.2-18所示。这种光电池组合称为余弦校正光电池,其余弦特性如图5.2-19所示。

图5.2-18　有校正的硒光电池接收器结构示意

1—弹性压接片(正极);2—硒电池;3—导电环(负极);4—光谱修正滤光器;5—磨砂玻璃;6—橡皮;7—凹槽;8—余弦修正器;9—前盖;10—底座;11,14—密封圈;12—插座;13—垫圈;15—后盖

图5.2-19　光电池的余弦曲线特性

1—理想的余弦特征曲线;2—光电池修正后的特征曲线;3—光电池未加余弦修正器时的特征曲线

(3)应选择线性度好的光电池。在测量范围内,照度计的读数要与投射到光电池的受光面上的光通量成正比。也就是说,光电流与光电池受光面的照度应呈线性关系。硒光电池的线性度主要取决于外电路的电阻和受光量,外电路的电阻越小,照度越低,线性度越好。用作低照度测量时,应选择低内阻的硒光电池,它有较高的灵敏度;用作高照度测量时,应选择高内阻的硒光电池,它的灵敏度低而线性响应较好,受强光照射时不易损坏。

(4)硒光电池受强光(1000lx以上)照射时会逐渐损坏,为了测量较大的光强度,硒光电池前应带有几块已知减光倍率的中性减光片。照度计在使用保管过程中,由于光电池受环境影响,其特性会有所改变,必须定期对照度计进行标定,以保证测量的精度。照度计的标定可在光具座上进行,如图5.2-20所示。利用标准光强(烛光)灯,在满足“点光源”(标准灯距光电池的距离是光源尺寸的10倍以上)的条件下,逐步改变硒光电池与标准灯的距离d,记下各个距离时的电流计读数,由距离平方反比定律E=I/d2计算光照度,可得到相当于不同光照度的电流计读数。将电流计读数与光照度的关系作图,就是照度计的标定曲线,由此可对照度计进行分度。标定曲线不仅与硒光电池有关,而且与电流计有关,换用硒光电池或电流计时,必须重新标定。

图5.2-20　标定照度的装置

2.现场检测

隧道路面的照度检测是隧道照明检测的基本内容:一是许多隧道的照明设计参数是直接以照度给出的;二是隧道照明中最为重要的亮度可通过简单公式由照度换算。根据照明区段的不同,隧道照度检测可分为洞口段照度检测和中间段照度检测。

(1)纵向照度曲线测试。纵向照度曲线反映洞口段沿隧道中线照度的变化规律。第一个测点可设在距离洞口10m处,之后向内每米设一测点,测点深入中间段10m。用便携式照度仪测试各点照度,并以隧道路面中线为横轴、以照度为纵轴绘制隧道纵向照度变化曲线。

(2)横向照度曲线测试。横向照度曲线反映照度在隧道路面横向的变化规律。洞口照明段可分为入口段和过渡段,过渡段由tr1、tr2、tr3三个照明段组成。测试横向照度时,可在各区段各设一条测线,该线可位于各区段的中部。在各测线上,测点由中央向两边对称布置,间距为0.5m。用便携式照度仪测取各点照度,并以各测线为横轴、以照度为纵轴绘制隧道横向照度变化曲线。横向照度越均匀越好。

(3)加强段路面平均照度检测。加强照明段分为入口段和过渡段,过渡段由tr1、tr2、tr3三个照明段组成。测试路面平均照度时,由于加强照明灯具布置的间距较小,各测区长度以10m为宜,也可根据灯具间距适应调整,纵向各点间距取灯间距的一半均匀布置即d=s/2,横排由中央向两边对称布置,分取路中心、行车道中线,路缘点,侧墙2m 处。测取各交点的照度Ei。若某测区的测点数为n,则该测区的平均照度E 为

(4)中间段路面平均照度检测。中间段路面的平均照度是隧道照明设计的重要指标,它与整个隧道的照明效果和后期运营费用密切相关。视隧道长度的不同,测区的总长度可占隧道总长度的5%～10%。各测区基本段路面平均照度检测时的测点布置如下:取灯具间距这一长度均匀布置10个点即d=s/10,横排由中央向两边对称布置,分取路中心、行车道中线、路缘点、侧墙2m处。测取各交点的照度Ei。若某测区的测点数为n,则该测区的平均照度E 按式(5.2-36)计算。

对所有的测区重复以上工作,便可得到各测区的平均照度,最后对各测区的照度进行平均,即得全隧道基本段的平均照度。比较实测平均照度与规范要求照度或设计照度,便可知道该隧道的中间段照度是否满足规范要求或设计要求。

(三)亮度检测

1.检测原理

光度量之间存在着一定的关系,运用这种关系能使某些光度量的测量变得较为容易,并且能用照度计来测量其他光度量。

为了测量表面S的亮度,在它的前面距离d处设置一个光屏Q。光屏上有一透镜(透射比为t),它的上面积为A。在光屏的右方设置照度计作检测器M,M 与透镜的距离为l,M与透镜的法线垂直。在l的尺寸比A 大得多的情况下,照度计检测器上的照度为

即

根据这一原理制成亮度计。亮度计的刻度已由厂家标定。

被测光源经过物镜后,在带孔的反射镜上成像,其中一部分光经过反射镜上的小孔到达光电接收器上;另一部分光经过反射镜反射到取景器上,在取景器的目镜后可以用人眼观察被测目标的位置及被测光源的成像情况。如成像不清楚,可以调节物镜的位置。光电接收器前一般加V(λ)滤光器以配合人眼的光谱光效率。如果放一些特定的滤色片,还可用来测定光源的颜色。

亮度计的视场角θ取决于带孔反射镜上小孔的直径,通常为0.1°～2°;测量不同尺寸和不同亮度的目标物时用不同的视场角。

亮度计可事先用标准亮度板进行检验,在不同标准亮度下对亮度计的读数进行分度。标准亮度板可用标准光强灯照射在白色理想漫射屏上获得。

2.现场检测

严格地讲,路面某点的亮度与观察它的方向有关;但工程上为了简便,将路面的光反射看成理想漫反射,这样,作为二次光源的路面亮度便与方向无关。传统检测方法根据亮度与照度之间的关系进行换算,即L=E/C,对混凝土路面C=13,对沥青路面C=22。目前,随着成像技术与电子技术的不断成熟,已有不同亮度计可直接用于现场亮度检测。接下来就分别对照度换算测量法和亮度成像测量法这两种亮度检测方法进行介绍。

(1)照度换算测量法。

①路面平均亮度(L)。驾驶员观察障碍物的背景,在隧道中主要是路面,只有当路面亮度达到一定值以后,驾驶员才能获得立体感,在此基础上,亮度对比越大越容易察觉障碍物。路面(背景)亮度越高,眼睛的对比灵敏度就越好。

路面平均亮度在设计或规范中都有明确的规定。其检测方法可参考中间段路面平均照度检测方法,并根据式(5.2-39)确定:

②路面亮度均匀度。保证亮度均匀度是为了给驾驶员提供良好的能见度和视觉上的舒适性。如果亮度高,则均匀度要求可以适当降低。干燥路面和湿路面有很大变化,均匀度也相应有很大变化。严格的均匀度要求,一般限于干燥路面和路面平均亮度较低的情况。

a.均匀度(U0)。照明装置保证良好的路面平均亮度后,路面上一些局部区域还可能出现最小亮度Lmin。通常较差的亮度对比都发生在路面较暗的区域,往往影响到对障碍物的辨认。为了使路面上所有区域都有足够的亮度和对比度,提供令人满意的能见度,需要规定路面最小亮度和平均亮度比值的范围。

式中 Lav——计算区域内路面平均亮度;

Lmin——计算区域内路面最低亮度。

b.纵向均匀度(U1)。为了提高视觉舒适性,要求沿路面中线有一定的纵向均匀度。纵向均匀度是沿中线局部亮度的最小值与最大值之比。

路面(墙面)上连续忽明忽暗对驾驶员干扰很大,称为光斑效应。当隧道较长时,驾驶员眼睛会很疲劳,影响发现障碍物。

(2)亮度成像测量法。亮度成像测量法采用定制的光学系统,通过对测量区域成像亮度分析,根据亮度测量分析软件对测量区域内的亮度进行统计,得出亮度平均值、最大值、最小值、平均亮度、亮度纵向均匀度等指标。

光学系统的物镜将被测目标成像到CCD的光敏面上,阵列探测器将测量响应值传送到MCU,MCU 将结果上传至配备有专业软件的计算机中存储和分析。具体测试步骤如下:

①进行测量参数设置。

②拍摄需要测量的照明区域。

③进入隧道/道路亮度分析界面。

④在软件界面选择需要亮度分析的区域,如入口段、中间段、出口段、洞外亮度区域等。

⑤在软件界面输入分析区域的横纵间距或分析点数。

⑥计算出分析区域的平均亮度、亮度均匀度和亮度纵向均匀度等指标。

⑦导出亮度数据,可根据需要进行详细分析。

(四)眩光检测

进一步评价隧道的照明质量,需要检测隧道照明的各项眩光参数。隧道照明的眩光可以分为失能眩光和不舒适眩光两种。失能眩光表示照明设施造成的能见度损失,用被测试对象亮度对比的阈值增量(T1)表示。失能眩光是生理上的过程,是表示由生理眩光导致辨认能力降低的一种度量;不舒适眩光表示在眩光感觉中的动态驾驶条件下,对隧道照明设施的评价。该眩光降低驾驶员驾驶的舒适程度,用眩光控制等级(G)表示。不舒适眩光是心理上的过程。

1.失能眩光

失能眩光导致的识别能力下降,是由于光在眼睛里发生散射过程造成的。来自眩光光源的光在视网膜方向上的散射会引起光幕(等效光幕)作用,在视网膜方向上的散射程度越大,光幕作用越大。在眩光条件下的总视感,必须将光幕亮度叠加在无眩光时景物成像亮度之上。等效光幕亮度(Lv)可按式(5.2-42)计算:

式中 E眼i——第i个眩光光源在眼睛(与视线相垂直的平面上)产生的照度;

θi——视线与第i个眩光光源入射到眼睛的光线之间形成的夹角;

K——年龄因素(平均值为10)。

通常在隧道照明中,对1～5cd/m2之间的平均亮度,阈增量T1 可由光幕亮度的数值和平均路面亮度值结合对比灵敏度确定:

2.不舒适眩光

眩光造成的不舒适感,是用眩光控制等级(G)表示所感到的不舒适程度的主观评价。这种主观评价取决于各种照明器和其他照明装置的特性,可以用式(5.2-44)描述:

式中 I80,I88——照明器在同路轴平行的平面内,与垂直轴形成80°88′方向上的光强值

(cd);

F——照明器在同路轴平行的平面内,投影在76°角方向上的发光面积(m2);

ΔC——光的颜色修正系数,对于低压钠灯ΔC=0.4;

Lav——平均路面亮度(cd/m2);

h′——水平视线距灯的高度(m),h′=灯的安装高度-1.5m;

P——每1km安装的照明器个数。

经验计算公式为

公式中各参数的调整范围是:50≤I80≤7000(cd),1≤I88≤50(cd),0.007≤F≤0.4(m2),0.3≤Lav≤7(cd/m2),5≤h′≤20(m),20≤P≤100,灯的排数为1或2。

眩光等级G 与主观上对不舒适感觉评价的相应关系为

G=1:无法忍受;G=2:干扰;G=5:允许的极限;G=7:满意;G=9:无影响。

光强可由照明器配光曲线查出,或经室内试验测取。

(五)照明灯具光强分布检测

1.检测原理

测量光强主要应用直尺光度计(光轨)。用光度镜头,对标准光源的已知光强进行比较。光度镜头可由光电池构成。使用光电池光度镜头时,使灯与光电池保持一定的距离,先对标准灯测得一个光电流值is,然后以被测灯代替标准灯测得另一个光电流值it。假设标准灯的已知光强为Ia,则被测光强It为:

或者,分别改变被测灯和标准灯与光电池的距离Lt、Ls,使其得到相等的光电流。此时,被测灯的光强可由式(5.2-47)求出:

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在实际测量照明器的光强时,为了使式(5.2-47)准确成立,距离L 取得必须大[当为光源最大尺寸的5倍以上时,使用式(5.2-47)引起的误差小于1%]。

2.检测方法

以测量一台室内照明器的配光特性为例,介绍照明器光强分布(配光曲线)的测量方法。

(1)测量装置及要求。室内照明器使用时光轴垂直向下,采用立式分布光度计,使用C-γ坐标系统。为保证光强测量的精度(要求测量值与实际值的差异不大于±5%),有以下要求:

①光电池。工作要稳定(包括它的工作线路),暴露在高照度下不会发生疲劳,对不同量程都有线性响应;光电池的光谱灵敏度要符合CIF光谱光效率曲线;由于光电池得到的读数是其本身受光面的平均照度,要求光电池的面积对照明器的张角不大于0.25°。

②分布光度计。分布光度计能刚性架着照明器,并能提供照明器在两个方向转动,保证能测任意角度上的光强;角度误差随光束扩散角的不同而不同,若光束扩散角用α表示,角度误差用β表示,则应符合下列要求:

2°＜α＜4° -0.1°≤β≤0.1°

4°＜α＜8° -0.2°≤β≤0.2°

α＞8°-0.4°≤β≤0.4°

③测试距离。测试距离需要足够长,以保证照度的平方反比定律完全成立。一般不小于3m或不小于照明器发光口面上最大限度的5倍。

④照明器光度中心的确定。照明器光度中心的确定对测试距离有影响,确定方法如下:

a.对于嵌入式照明器(格栅和全部直接光的照明器),测量距离应从照明器出光口(顶棚平面)算起。

b.对于侧面发光的照明器(如直接—间接型照明器吸顶安装),测量距离应从发光体的任何中心算起,且在测光时应设置一块模拟顶棚的挡板,以符合照明器使用条件。

c.对于悬挂式照明器:

a)光源的光中心在反射器内,且没有折射器,测量距离应从照明器出光口算起。

b)光源的光中心不在反射器内,且没有折射器,测量距离应从光源中心算起。

c)如有折射器,则测量距离应从折射器几何中心算起。

⑤环境温度。不同光源测试时,对环境温度要求不同。管状荧光灯要求25 ℃±2 ℃;HID灯要求25℃±5℃;白炽灯没有明确规定。空气流动与空调都会对测量有影响;当差别超过2%时,需要进行修正。

⑥电源电压。避免电源电压对测量结果的影响,可采用稳压电源装置。稳定精度:白炽灯≤±0.2%;气体放电灯≤±0.5%;各谐波的均方根值不超过基波波形的3%;频率稳定精度为±0.5%;输出阻抗为低阻抗。

⑦光源。测试前光源必须经过老练,以保证测试过程中发出的光通量恒定不变或只有极微小的变化。钨丝灯和管状荧光灯老练100h,其他灯老练200h(老练方式是点燃4h,关闭15min作为一周期)。

⑧照明器在光度计上稳定。在不小于15min的间隔里,连续测定3次光强;若它们之间的变化小于1%,则可以认为灯在光度计上已趋稳定,可以进行光度测量。

(2)测量依据。根据照度的平方反比定律可知:

式中 E(γ)——被测光源或照明器在γ方向上的测试照度值;

I(γ)——光源或照明器在γ方向上的光强值;

L——测试距离。

若将光强在空间分布的球体分解成一个个球带,则光源光通量φs 为

将式(5.2-48)代入式(5.2-49),简化后可得:

式中 γ1,γ2——球带的起始角度与终止角度(图5.2-21);

C(γ)——球带系数,C(γ)=2π(cosγ1-cosγ2);

Es(γ)——光源在γ方向上的测试照度值。

通常配光曲线是按光源光通量为1000lm 给出的,故引进折算系数K:

图5.2-21　球带与光通量计算

则照明器的光强分布表达式可写成:

式中 ILγ——照明器在γ方向上的光强值;

EL(γ)——照明器在γ方向上的测试照度值;

K——折算系数。

综合式(5.2-51)和式(5.2-52)可知,在测试时,只要接收器(光电池)围绕光源转一圈测得光源在各个方向的照度值Es(γ),然后用同样的方法测得照明器在各个方向的照度值EL(γ),即可求得照明器的光强分布(一个C 平面上的)。这种方法称为相对测量法。对于任一测光平面C 上的光强分布,参照式(5.2-52)可写出式(5.2-53):

(3)测量步骤。

①光源光通量的测量。

a.光源在光度计上安装时,使其呈水平(垂直)位置,避免产生冷端,也要避免光源的性能带来的影响。

b.用以10°为间隔的球带光通量测量时,测量10°的中间点值,即测点γ角为5°、15°、25°…将此值乘以球带系数,就代表该球带内的光通量,这样将18个累加就可得到相应的光源光通量。

c.在测量过程中要经常校验灯是否处在稳定状态。方法是比较每次在过光源轴线中心垂直线方向(铅垂线)上的读数,此读数变化不应超过2%。

②照明器光强的测量。

a.光强测量一般在相互间隔为30°的12个半平面(过灯轴线子午面)上进行,也有在间隔15°或22.5°等几种方法下进行的。其中一个半平面必须通过照明器的对称轴线,在每个半平面上可采用10°球带的中点角度法进行测量。

b.对于具有旋转对称分布的照明器,可以将所有读数(指同一球带上)平均后代表该球带上的光强;对于光分布具有两个对称平面的照明器(如直管形荧光灯具),可取各对称平面上相应方向上的值求平均后代表照明器在该平面上的光强。

c.照明器在测量过程中也要校验灯是否处在稳定状态。方法是每次测量照明器垂直方向上的光强变化不应超过2%。

(4)光强分布曲线(配光曲线)及其数值。

①这是以ed/1000lm为单位的极坐标照明器配光曲线。

②旋转对称的配光,采用过铅垂线一个平面中的光强表示(该值往往是几个过子午面上的平均值)。

③对于非对称配光,往往用两个或两个以上的配光曲线表示,并要标出配光曲线所表征的平面。例如,直管形荧光灯具往往取平行于灯管与垂直于灯管两个子午面上的配光曲线。

④在给出配光曲线的同时,用表列出5°、15°、25°、…、165°、175°等角度上的照明器光强值。

(六)照明灯具色度检测

1.色温检测

色温或相关色温是表示光源特性的一个重要指标,通常根据光源的相对光谱功率分布测得。目前,常见的测量仪器基本上都是基于光谱功率(能量)分布法进行测量的。

(1)光源的光谱功率分布。光源所发出的光大多是包含很多不同波长的复合光,各波长辐射的功率也各不同,光源的辐射波长的关系称为光源的光谱功率分布,一般以辐射功率为纵坐标、波长为横坐标来表示。

从光谱功率分布可以知道光源辐射的波长范围、某一波段的辐射功率及该波段的功率占总辐射功率的百分比等。光源的光谱功率分布不同,其呈现的颜色也不同。光谱辐射功率的相对值与波长的关系,称为光源的相对光谱功率分布。相对光谱功率分布的测量可以任取单位,不需要对功率进行定标,比较简单。在使用中,相对光谱功率分布和光谱功率分布是等效的,因此,实际上所应用的绝大多数是光源的相对光谱功率分布。

(2)光源的相对光谱功率分布的测量。光源的相对光谱功率分布的测量一般多用光谱辐射计或光谱仪。在构造原理上与测量材料的光谱透射比和反射比的分光光度计没有太大的不同。光谱辐射计由光源照明系统、单色仪分光系统、光度探测系统、数据处理和显示读数系统所组成。最简单的是单光路系统,如图5.2-22所示。

图5.2-22　单光路光谱辐射计示意

测量光谱相对功率分布时,先放上标准电源(一般是辐射强度或辐射照度标准灯),当缝宽保持不变时,对应各个波长探测器的光电流(或电压)为

式中 Is(λ)——标准光源的光谱辐射强度;

τ(λ)——光学系统(单色仪和聚光透镜)的透射比;

S(λ)——探测器的光谱灵敏度;

Δλ——波长为λ的单色仪出射光的波长范围。

换上洞里光源,当缝宽不变时,对应各个波长的光电流为

式中 ic(λ)——待测光源的光谱辐射强度。

由式(5.2-54)和式(5.2-55)可得:

式中,各波长的ic(λ)和is(λ)可由仪表读出,Is(λ)为已知,k是与波长无关的比例常数,在测量相对光谱功率分布时,可令k=1,因此,由式(5.2-56)可以得到待测光源的相对光谱辐射强度。再将所得的各波长的相对光谱辐射强度都除以最大相对光谱辐射强度值(对应某一波长时的),即可得到待测光源的相对光谱功率分布P(λ)。

或改变图5.2-22所示的照明系统,如图5.2-23所示,则成为双光路系统。通过摆动反射镜M,可交替地让标准光源和待测光源的光进入单色仪和探测器,通过电路可直接得到两个灯的光度量比。由于双光路系统基本上可以认为标准和待测灯是在同时测量的,故测量精度较单光路系统高。

图5.2-23　双光路光谱辐射计示意

(3)色温的测得。当已知光源的相对光谱功率分布获得后,可按色度学中的公式得到光源的三刺激值,即

式中 P(λ)——光源的相对光谱功率分布为CIE1931标准度观察值光谱三刺激值(可查表);

k——调整因子,是常数。

再由三刺激值可得色品坐标为

有了色品坐标x、y,就可以在色品图上找到该光源的坐标位置点。若该点正好位于色品图的黑体温度轨迹上(图5.2-24),则该点相应的黑体温度就是该光源的色温。若光源(尤其是气体放电光源)的x、y色品坐标不在这条轨迹上,而是与轨迹有一定距离,这时就要根据相关色温的定义,查看光源的色品黑体的色坐标之间的“色距离”(即颜色差别的程度),因为x、y色品坐标的直线距离与“色距离”不成比例,所以应按式(5.2-59)计算:

图5.2-24　CIE1931x-y　色品坐标及黑体轨迹

转换为均匀的u-v 色品坐标图,如图5.2-25所示。

图5.2-25　CIE1960均匀标度u-v色品坐标图

各种温度的黑体的u-v 色品坐标轨迹如图5.2-26所示。在黑体轨迹的许多点上画了许多与轨迹相交并与其垂直的直线,垂直线上各点与垂直线和黑体的交点之间的色距离是最短的(相对于黑体轨迹上的其他点而言),因此,垂直线上各点的“相关色温”就是交点处的黑体温度。

图5.2-26　CIE1960均匀标准色品图的等相关色温线

总之,无论是什么光源,在测定了光源的相对光谱功率分布后,就可以得到其“三刺激值”X、Y、Z,从而可得到光源的色温坐标x、y 或u、v,再从图5.2-26中的等色温线查出光源的色温或相关色温。

现在很多光谱仪的测量色温基本上都是基于这一原理,在系统内置入微处理机系统,可以按预定的程度直接给出待测光源的色温。

2.显色性检测

光源的显色性在交通运输中有着重要的意义。对于一个确定的对象,照明光源的特性对物体的颜色有很大的影响。在交通运输领域,要求尽可能使得人眼观察到的颜色与对象颜色本身一致,在交通环境下容易被识别。

(1)光源的显色性。按照人们长期的生活习惯,物体在日光下所显示的颜色即认为是物体的“真实”颜色。而目前很多人工光源如LED光源的特性并不完全与日光的特性相同,而且还具有不同的色温,因此,当应用人工光源照明时,需要有一种检测方法区别人工光源与日光在照明同一种物体时,是否存在差异及差异的程度。

随着照明技术及LED光源的不断发展,人们对照明的视觉质量越来越重视,因此,研究、评价光源的显色性可为提高照明质量、改进光源的特性提供必要的技术参数,而对光源显色性的检测更是选择合适光源的一种重要手段。

CIE提出把普朗克辐射体作为评价低色温光源显色性的参照标准。规定评价色温在5000K以下的光源的显色性时,将它与5000K以下的黑体作比较,认为黑体的显色指数为100。将标准照明体D作为评价高色温光源(大于5000K)显色性的参照标准。另外,在评价光源的显色性时,采用一套14色试验色,其中8种试验色(1～8)用于光源一般显色指数和特殊显色指数的计算,这8种试验色代表了各种不同的常见颜色,其饱和度是适中的,明度值接近。后6种试验色(9～14)专用于特殊显色指数计算,它们是一些饱和色和皮肤色。测量、计算这些试验色在参照照明体和待测光源照明下的色差,最后求得待测光源的显色指数,用以表征光源显色性的好坏程度。

(2)参照照明体的选定。在评价待测光源的显色性时,首先用测量的方法确定它的色温,根据试验色方法的要素,需要选择适当色温的参照标准,待测光源的色温大于5000K,则选择标准照明体D,色温小于5000K,则选择黑体作为参照标准。另外,在选择参照标准的色温时,应注意待测光源与参照标准之间的色品品差ΔC 应小于15麦勒德,否则将引起显色指数计算误差。

待测光源(色品坐标uk、υk和参照标准)色品坐标ur、υr之间的色品差ΔC 按式(5.2-60)计算:

当ΔC=5.4×10-3,它相当于普朗克辐射体轨迹上15麦勒德的差别,有了这样一个色品差ΔC 容限,就有可能以表格形式提供参照标准的参数。

(3)CIE光源显色性指数的测量原理。若将由CIE提出的参照标准照明下的8种或14种试验色和待测光源照明同一试验色而获得的色差ΔE作为尺度,以字母R表示显色指数,Ri表示特殊显色指数(i=1,2,3,…,14,为试验色的号数),则根据所获得的色差ΔEi,可得Ri为

Ri的值取整数,小数四舍五入。

如果Ri=100,说明在待测光源与参照照明体的照明下,该号试验色样品的色品坐标一致。由试验色1～8号可求得8个特殊显色指数,它们的平均值称为一般显色指数Ra。

通常将光源的显色性划分为三个范围,作为对光源显色性的粗略评价(表5.2-12)。

表5.2-12　光源显色性评价

LED灯、白炽灯、碘钨灯、溴钨灯、卤钨灯、镉灯等光源的显色指数较高,一般在85左右,常用于显色重现要求较高的场合;荧光灯的显色指数为70～80,可用于一般的照明;高压钠灯、高压汞灯的显色指数较低(低于50),这些光源对颜色辨识能力较差。

(4)显色指数的测量。由于光源的显色指数计算过程非常烦琐,目前用于测量颜色特性的光学仪器均采用计算机自动测试及数据自动处理方法,如图5.2-27所示。光源的光辐射通过积分球漫射后进入单色仪,由出射狭缝射出的单色辐射被光电倍增管接收,经放大、A/D变换和计算机接口电路进入主机,计算机控制步进电动机使单色仪对光源进行光谱扫描。通过标准光源与待测光源的比较测量,获得待测光源的相对光谱功率分布。测量系统中的滤色片可消除二级光谱的影响,快门的关闭与开启可以对测量系统的暗电流进行采样,以提高系统的测量精度。

图5.2-27　自动光谱辐射计系统图

在自动光谱辐射计的计算机中,存入计算光源显色指数的必要参数,例如,CIE光谱三刺激值,各种色温色品坐标数据,参照照明体色温参数及有关试验色的各种参数,可以几分钟内迅速求得待测光源的色品坐标、色温、特殊显色指数Ri,以及一般显色指数Ra。

【注释】

[1]1atm=0.1MPa。