（物理电子学专业论文）基于小目标可见度stv的led路灯视觉研究.pdf

摘要 y 2 0 6 9 16 9 圃 本论文主要是基于小目标可见度概念，研究l e d 在道路照明中应用基础。本 论文主要内容是：首先进行了基于单色光小目标可见度视觉实验，并在此基础上 建立了阂值亮度差光源光谱模型；然后以钠灯与l e d 为背景光，进行小目标可见 度视觉比较实验和现场视觉评价实验；并根据道路照明小目标可见度标准，进行 l e d 自由曲面反射器光学设计。 在大量调研光源小目标可见度和l e d 道路照明国内外研究成果的基础上，提 出采用投影法进行小目标可见度视觉实验。小目标可见度实验与其它视觉实验的 主要不同点是小目标可见度要求视觉目标持续时间为o 2 s ，也就是视觉目标出现 o 2 s 后消失。以前实验大都采用较长时间的刺激或静态刺激。投影法小目标可见 度实验解决了观测时间和位置移动难题。投影法实验是通过电脑软件编程控制视 觉目标持续时间、出现时间、对比度、背景亮度、背景光谱等参数，记录受测人 员的反应，从而研究这些参数对小目标可见度影响。投影法更符合小目标可见度 标准，也符合道路照明中，驾驶员视觉的真实情况。 本论文进行了两个实验室小目标可见度视觉实验。首先利用窄带滤色片与投 影仪组合，在屏幕上形成单色视觉目标和背景，研究探测几率和反应时间受背景 亮度、对比度、背景光谱等参数的影响。利用上述单色光谱视觉功效实验与中间 视觉理论，提出小目标可见度阈值亮度差光源光谱模型，并采用此模型对钠灯和 l e d 灯具视觉实验进行修正，结果表明此模型可以修正光源光谱对小目标可见度 的影响。 根据道路照明亮度标准和小目标可见度标准，利用非成像光学理论进行了自 由曲面反射器设计。首先根据非成像理论建立了反射器自由曲面的偏微分方程组， 由于方程组比较复杂，将矢量偏微分方程组简化并代入柱面极坐标进行数值求解。 将方程数值解导入3 d 软件生成自由曲面，并将其导入到光学软件进行光学模拟。 本论文在上述实验室视觉实验的基础上，进行了小目标可见度场地实验。实 验将钠灯和l e d 灯具照明效果进行比较。实验采用灰色和彩色视觉目标，由观 测者观察视觉目标并做出视觉效果评价，从而比较光源光谱对小目标可见度的影 响。实验得到钠灯和l e d 灯具灰色视标视觉评价值与小目标可见度关系曲线，并 对两种光源对灰色和彩色视标可见度的影响进行了比较。 论文的创新之处在于： 1 ) 提出阈值亮度差光源光谱( t l l s ) 模型，采用单色光的反应实验将中间视 觉与小目标可见度相关联后，使小目标可见度能够更准确的适用于各种道路照明 光源。 2 ) 设计了小目标可见度标准的自由曲面反射器，利用非成像光学理论，进 行l e d 自由曲面反射器设计，反射器在达到基本亮度均匀度的基础上，大大提高 了道路上面物体的可见度。 3 ) 采用实验室与道路场地两种实验方法进行l e d 与钠灯道路照明效果对比 实验。其中场地实验采用i e s n a 道路照明标准灰色视标和彩色视标，对l e d 和钠 灯道路进行现场视觉效果实验，并分别得到钠灯和l e d 灯具视觉评价与小目标可 见度水平关系曲线。 关键词： 小目标可见度，反应时间，阈值亮度，探测几率，道路照明，l e d ，高压钠 灯 ab s t r a c t t h ep r i n c i p a lp u r p o s eo fr o a d w a yl i g h t i n gi st op r o d u c eq u i c k ， a c c u r a t e ，a n dc o m f o r t a b l ev i s i b i l i t ya tn i g h t u s u a l l yt h et r u t hm a t n i g h ta c c i d e n tr a t e sw o u l dd e c r e a s ea n dn i g h t t i m ed r i v e rp e r f o r m a n c e w o u l di n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gl i g h tl e v e l si sa c c e p t e d t h i st r u t hi s n o wc o n f r o n t e dn o w ，a n ds m a l lt a r g e tv i s i b i l i t y ( s t y ) i sm o r es u i t a b l e f o rr o a d w a yl i g h t i n g as t ve x p e r i m e n t a lw a sd e s i g n e d ，w h i c hp a r a m e t e r s ，s u c ha sb a c k g r o u n dl u m i n a n c e ，c o n t r a s t ，s p e c t r u m ，d u r a t i o n o f t a r g e t a r e c o n t r o l l e db yc o m p u t e r w i t ht h ea i do ff i l t e r ，f i v em o n o c h r o m a t i cl i g h t s w e r ep r o d u c e d a n dt h er e a c t i o nt i m ew h i c ha r ei n f l u e n c e db yt h e s p e c t r u mo ft h e s el i g h t sa r er e c o r da n da n a l y z e d b a s e do nt h er e s u l t s o ft h i sv i s u a lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s ，am o d e lf o rt h ec a l c u l a t i o no f t h r e s h o l dl u m i n a n c ew a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc a np r e d i c tt h ei n f l u e n c e o ft h er e l a t i v es p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o n so fl i g h to nt h es t v m o r e t h a nt h a t ，as i m i l a rp r o j e c t o re x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d i nt h i s e x p e r i m e n t ，t h eb a c k g r o u n d o fs t vw e r eh g h tb yl e d sa n dh p s ，a n d t h er e a c t i o nt i m eo fs u n e c tw e r er e c o r da n da n a l y z e d ，t h e nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nl e d sa n dh p si sm a d e t h er e s u l ts h o w st h a t t a r g e t sa r em o r ev i s i b l eu n d e rl e d si l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n st h a nu n d e r h p sm u m i n a t i o nc o n d i t i o n sd e s p i t et h ev i s i b i l i t yl e v e l so ft h es m a l l t a r g e t sa r ea l lt h es a m e n o wl e dh a sb e e nw i d e l yu s e di nr o a d w a yl i g h t i n gb e c a u s eo f c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g he f f i c a c y ，l o n gl i f ea n dw h i t el i g h t b e c a u s e o fi t sl u m i n o u sd i s t r i b u t i o ni sd i f f e r e n tf r o mo t h e rl i g h ts o u r c e s ，o p t i c d e s i g ns h o u l db ca p p l i e dt ot h el e d d i f f e r e n t 、7 l ，i t hi m a g i n go p t i c s ， i l l u m i n a t i o no p t i c sb e l o n g st on o n i m a g i n go p t i c s b a s eo nt h es t a n d a r d o fs 。an e wm e t h o dt od e s i g nf r e ef o r mr e f l e c t o rw a si n t r o d u c e d a ni ns i t uf i e l ds t u d yw a sc o n d u c t e dt oe x a m i n et h ee f f e c to fs p do n t h ea b i l i t yo fd e t e c t i o no fs m a i lo b j e c to nt h er o a ds u r f a c e ，w h i c hi t c r u c i a lf o rt h es a f e t yo ft h ed r i v e r s c o m p a r i s o nb e t w e e ns u b j e c t i v e 川 r a t i n gi nt h ec a s eo ff i x e dr o a dt i g h l i n g i n s t a l l a t i o nw i t hl e d sa n dt h o s e i nt h ec a s eo fh p sl a m p sw a sm a d eb yu s i n g v i s u a le x p e r i m e n t a ld a t a a n dc o m p u t e rp r o g r a m s a n dv i s u a le x p e r i m e n t sw i t hc o l o r e dt a r g e t s w e r ea l s oc o n d u c e dt os t u d yt h ee f f e c to fc o l o ro nt h ed e t e c t i o no fs m a l l o b j e c tu n d e r t h er o a du g h l i n gc o n d i t i o n sl i tb yl e d sa n dh p sl a m p s t h er e s u l t so ft h i sc o m p a r a t i v es t u d ys h o wt h a ta c h r o m a t i ca n d c o l o r e dt a r g e t sa r eal i t t l e m o r ev i s i b l eu n d e rl e d si l l u m i n a t i o n c o n d i t i o n st h a nu n d e rh p si l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n sd e s p i t et h ev i s i b i l i t y l e v e l so ft h et a r g e t sa r ea l lt h es a l t l e t h el e d si no u rs t u d yh a v e p o s i t i v ei n f l u e n c eo nv i s i b i l i t yu n d e rr o a dl i g h t i n gc o n d i t i o n s ，b u ti ti s d i f f i c u l tt og u a r a n t e et h ei n f l u e n c ei sp o s i t i v eb e c a u s eo ft h ed i v e r s i t y s p do fl e d s t h er e s u l t sa l s os u g g e s ti ft h er o a d i sl i tb yl e d s ，c o l o r s h a v ea ne f f c c to nt h ev i s i b i l i t yo fo b j e c to nr o a ds u r f a c e t h i si sv e r y i m p o r t a n t ，s i n c ec o l o rd i f f e r e n c ew i up l a yap r o m i n e n tr o l e o nt h e d e t e c t i o no fh a z a r do b j c c t ，w h e nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nl u m i n a n c eo f o b j e c ta n dr o a ds u r f a c ei ss m a l l ， k e v v v o r d s ：s m a l lt a r g e tv i s i b i l i t y , r e a c t i o nt i m e ，t h r e s h o l d l u m i n a n c e ， d e t e c t i o nr a t e ，r o a d w a yl i g h t i n g ，t e d ，hp s 棋旦大擎博士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 夜间驾驶仅仅依靠汽车前照灯照明是无法满足驾驶员和行人的安全要求， 采用道路照明来辅助驾驶是减少交通事故的有效手段，目前已被大家所接受。相 关的调查报告指出道路上的交通事故有一半以上是在夜间发生的，而且c i e 报告 显示，如果夜间有良好的道路照明，城市道路交通事故发生率至少降低3 0 ，乡 村的道路交通事故发生率降低4 5 。道路照明不仅仅可以提高驾驶的安全性，同 时也可以有效的降低罪犯活动、增加城市设施夜间利用和美化城市夜景。 通常道路照明标准都是采用亮度或照度标准。早在二十世纪七十年代，人们 普遍认为道路交通事故发生率会随着亮度水平和亮度均匀度的提高而下降。但这 一理论目前逐渐被研究者所质疑，因为有众多其它因素会影响到驾驶员对其它车 辆、行人以及障碍物的识别，如人的年龄、观测时间、人员的适应性等等。f i n c h 由1 1 1 u m i n a t i n ge n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ( i e r i ) 资助进行道路照明 研究，研究发现在亮度不均匀路面上比均匀路面照明环境下，障碍物和行人更容 易被发现。b o x 州进行了一个关于道路事故发生率与道路照明水平的研究，研 究发现夜间8 天交通事故比与水平照度成u 形曲线，也就是道路照明有最佳的 照明水平，过度照明反而会增加交通事故率。s c o t t h 。进行了类似的研究，得到 了夜间8 天交通事故比与水平照度的负相关，同时发现行人事故与照度水平无 相关性。尽管没有物理和生理上的研究支持b o x 的最佳照度水平结论。j a n o f fe t a l 悔。进行了不同照度水平下晚间事故发生率的研究，研究结果与b o x 的事故率与 照度正相关的结论相一致，而且发现了事故率与可见度水平负相关的。f i n c h 、 b o x 和j a n o f f 哺。的结果用传统的亮度理论无法解释，但是可以采用小目标可见度 模型( s t y ) 来解释。因此i e s n a 提出采用小目标可见度概念来评价道路照明状 况。2 0 0 0 年，美国i e s n a 川正式将小目标可见度作为路灯照明标准，并对计算和 实验方法进行了确定。例如将观察者的观测距离从6 0 m 改为8 3 m ，目标视板尺寸 由2 0 c m 改为1 8 c m ，反射率由2 0 改为5 0 。2 0 0 5 年i e s n a 又对小目标可见度进 行了修正。c i e 建议将可见度的概念放在n o 1 1 5 附录里面，c i e 技术委员会 4 3 5 也正在进行研究以将可见度的概念放进技术报告里面，并研究采用小目标 可见度模型作为道路标准的可行性。 与传统光源相比，l e d 光源具有节能、环保、使用寿命长等诸多优势，成为 人类照明史上的一次飞跃，已被公认为2 l 世纪具发展前景的光源之一。1 9 9 0 1 援要火葶博士学位论文绪论 年基于g a n 材料的蓝光l e d 出现到1 9 9 8 年发白光的l e d 开发成功，标志着l e d 开始进入一般照明领域。最近功率l e d 产品最高水平已从2 5 1 m w 提高到 1 2 0 - 1 3 0 1 m w ，实验室水平 5 l e d 已达2 4 9 1 m w ，功率l e d 也已达1 8 6 1 m w ， 1 6 1 1 m w l e d 已开始商业化。图1 1 给出白光l e d 的现状与预想目标 爹 蔓 z 篙 。 蓄 图1 1 白光l e d 光效现状与目标 f i g 1 1w h i t e l i g h tl e dp a c k a g ee f f i c a c yt a r g e t 随着l e d 技术的不断发展，l e d 越来越受到各国重视。欧盟、日本、美国等 国家相继推出半导体照明计划。日本在1 9 9 8 年，由通产省资助、新能源产业技 术综合开发机构( n e d o ) 和金属研究开发中心( j r c m ) 负责执行的“2 1 世纪照明计 划 正式启动。作为美国半导体照明的主要推进部门，美国能源部制定了一系列 计划和政策支持半导体照明技术与产业的发展。他们于2 0 0 0 年开始启动国家半 导体照明研究计划，即“下一代照明计划( n g l i ) ，总共将投资5 亿美元支持计 划的实施。欧盟于2 0 0 0 年7 月实施了“彩虹计划”，以推广白光发光二极管的应 用。2 0 0 3 年，科技部开始实施“国家半导体照明工程”，2 0 0 6 年，“半导体照明 工程”被列为国家8 6 3 计划重大项目。2 0 0 9 年初，为了推动中国l e d 产业的发 展，降低能源消耗，中国科技部推出“十城万盏 半导体照明应用示范城市方 案，该计划涵盖北京、上海、深圳、武汉等2 1 个国内发达城市，随即以l e d 道 路照明工程全面展开。 目前l e d 道路照明发展迅速，但同时l e d 用于道路照明也存在大量的技术问 题。l e d 为单面发光的点光源，其配光设计比较复杂，很容易引起路面亮度不均 匀，成斑马线。l e d 发射光线中存在短波蓝色光线，加之l e d 颗粒小，亮度高， 很容易产生眩光问题，而小目标可见度可以综合评价道路亮度、均匀性和眩光对 2 握量大擎博士学位笙奎 堡垒 _ - _ - _ 一。 车辆和行人的影响，比亮度标准更适合对l e d 道路照明进行评价，这将会促进 l e d 道路照明的发展和推广，对推动我国降低道路照明能源消耗有着一定的理论 意义和实际意义。 3 援旦史擎博士学位论文绪论 1 2 国内外关于基于小目标可见度t e d 道路照明的研究动态 相比亮度道路标准，小目标可见度可以更好的描述道路照明的整体状况，如 背景亮度、均匀性、眩光等参数，照明设计者也越来越重视小目标可见度这个标 准。而l e d 光源发光特性上与钠灯等传统光源有很大的区别，这造成道路照明效 果也有很大的不同，如适应亮度、亮度均匀度、眩光等，而小目标可见度可以对 适应亮度、亮度均匀度、眩光等因素进行综合评估，相比亮度标准更能反映道路 照明对驾驶员和行人的视觉影响。 相对于道路亮度标准，可见度概念比较复杂，受众多因素影响如对比度、适 应亮度、眩光、目标尺寸、目标速度等。视觉及照明研究者要进行大量的视觉实 验及模型研究小目标可见度。前期是大家对目标可见度的基础研究，研究各方面 因素对可见度的影响及影响权重。 沃尔德莱姆1 9 3 8 年首次提出可见度这个表示清晰程度的概念。他假设了一 个一定尺寸的物体，并考虑到人所穿衣服的反射，可见度就用在某个特殊位置上 看到某个物体的可能性，并用百分比的形式表示。沃尔德莱姆还指出不能用路面 各点的可见度的平均值来表示路面的可见度，因为这样可能掩盖了需要照明的区 域可见度低的情况，但后来为了得到统一简单的结果，目前道路照明还是采用了 平均值。 1 9 4 8 年，d u n b a r 哺。提出了将目标与背景亮度对比作为一个参数，d u n b a r 在实验中采用尺寸3 0 c m * 3 0 c m 不同反射率的反射板作为测试目标，测试不同照明 环境下，目标被发现的几率。这是最早提出目标与背景对比度对人们发现目标能 力的影响，而可见度的概念就来源于此。 b l a c k w e l l 憎1 w 利用视觉实验得到了不同照明情况下的4 5 0 0 0 个阈值对比度 数据。b l a c k w e l l 实验中采用在白色幕墙上投射光斑，形成对观测者的视觉刺激， 通过记录观测者对刺激的反应得到阈值对比度，实验中测量了不同亮度、目标尺 寸、视度情况下的视觉数据，这些数据是a d r i a n 阈值亮度差模型的重要数据来 源，而且其投影式实验方法也成为视觉可见度实验的主要手段之一。 小目标可见度水平和视觉目标的形状、尺寸和颜色都相关，因此需要找到一 个抽象的视觉目标来替代实际目标。j a n o f f u 采用2 0 c m * 2 0 c m 反射率为2 0 的目 标进行了两个实验，其中一个实验是让受测人员给出发现目标的距离；另一个实 验是要受测人员给出识别距离。根据实验结果，背景亮度和路面平均亮度与探测 距离和识别距离有较强的相关性。j a n o f f u 副采用了反射率为5 ，2 0 ，3 0 ，5 0 4 稷旦大肇博士学位论文 绪论 和8 0 五种目标视板，通过改变目标视板亮度、路面亮度、对比度等参数，得出 结论：目标视板的可见度与识别距离随目标视板可见度的增加而减少；但是无法 通过路面亮度等参数去精确的预测识别距离。l i p i n s k i u 副采用真实物体替代目 标视板进行视觉评价实验，确定受测人员视觉评价与目标可见度的关系。这些真 实物体包括一个黑色狗模型、一女性模型( 身上穿有彩色衣服) 、一男性骑自行 车模型。三名大学男生作为受测人员，发现目标视板可见度与真实物体模型结果 具有很强的相关性，但是真实模型与路面的水平照度或路面亮度间的相关性很弱。 l e c o c qu 刨采用球形视板进行实验以检验圆形目标的可见度。实验中采用直径为 2 4 c m 的黑色、灰色、白色三个球形目标。结果显示视觉评价值与可见度水平的 相关性达到0 9 5 ，并且得到了结论最低的可见度水平应不小于7 以满足安全性 要求。 1 9 8 9 年，a d r i a n 【1 5 1 6 3 利用a d r i a n 【1 7 】、a u l h o r n 和b l a c k w e l l 的可见度实 验数据，建立了阈值亮度差模型，该数值模型可以利用适应亮度、目标尺寸和对 比度计算阈值亮度差，同时将年龄、观测时间和眩光对闽值亮度差的影响也进行 了计算。通过此模型可以得到任意背景下，小目标的可见度水平v l = a l a 。t l l a l a l t h 瑚h o l d 。此模型成为i e s n a 小目标可见度标准的计算模型。 2 0 0 0 年，美国i e s n a 正式将小目标可见度作为路灯照明标准，并对计算和实 验方法进行了确定。例如将观察者的观测距离从6 0 m 改为8 3 m ，目标视板尺寸有 2 0 c m 改为1 8 c m ，反射率有2 0 改为5 0 。2 0 0 5 年i e s n a 又对小目标可见度进行 了修正，并在附录中详细介绍了小目标可见度的计算方法以及采用小目标可见度 的意义和作用。c i e 建议将可见度的概念放在n o 1 1 5 附录里面，而且c i e 技 术委员会4 - 3 5 正在进行研究以将可见度的概念放进技术报告里面。 尽管前面对小目标可见度进行了很多的研究，已经被认定为道路照明的 设计标准，但是目前还有很多内容和方法需要进一步研究。例如，目标视板的尺 寸、反射率、光源光谱的影响、汽车车灯的影响n 卜矧、目标移动等。k e c k 脚一妇 开发了计算小目标可见度的计算机程序，可以计算给定照明情况下的可见度计算 数据，其中计算时考虑到了汽车车灯的影响。b a c e l a r 瞄。设计实验研究车灯对可 见度的贡献，实验发现对面行驶车辆前照灯会严重影响目标视板的可见度。 g u l e r 田。也进行了车灯对可见度的影响，实验得出当加入汽车车灯时，目标的可 见度会有一定程度的下降，而且路灯和汽车车灯的综合效果非常复杂。a n a i s 等 进行了驾驶行为对小目标可见度的影响实验，结果表明在小目标可见度相同的情 况下，驾驶员比行人更早的发现视觉目标。 由于道路照明亮度水平位于中间视觉范围内，特别是l e d 、金卤灯和无极荧 s 援旦大擎博士学位论文绪论 光灯等光源在道路照明中的应用，大家开始重视光源光谱特性对人眼观测物体的 影响，科研工作者进行了大量的实验研究并在实验数据的基础上推导出中间视觉 模型，以期能够准确测量包括l e d 在内的光源在道路中照明效果。 h e e ta 1 u 利用高压钠灯与金卤灯展开视觉实验。实验中利用2 。灰色视 标，在偏心度为0 。与1 5 。时，亮度范围从0 0 0 1 c d m 2 到l o c d m 2 ，背景与视标 的对比度为保持恒定为0 7 的条件下，两名受测人员进行视觉反应实验。结果表 明当亮度从明视觉逐渐下降到中间视觉状态时，受测人员的反应时间增加。在偏 心度为0 0 时，钠灯和金卤灯照明环境下，受测人员的反应时间几乎没有变化。 对于偏心度为1 5 0 时，钠灯和金卤灯照明环境下，受测人员的反应时间开始分 化，在相同的明视觉亮度下，受测人员在金卤灯环境下反应时间更短。l e w i s 馏“ 冽( 1 9 9 9 ) 采用一样的实验方法检验在光源光谱能量分布对驾驶反应时间的影响。 实验中，幻灯片显示一妇女站在路的右侧，路边有树以及木篱笆；一幻灯片显示 妇女面向道路，另一个幻灯片显示妇女背向道路，受测人员需要判断妇女的方向。 结果显示在明视觉状态下，光源光谱能量分布对受测人员的反应时间几乎没有影 响，当进入中间视觉状态下，光源光谱能量分布对受测人员的反应时间具有显著 的影响，即杆状细胞会产生较短的反应时间。b u l l o u g h 瞄副和r e a 利用驾驶模拟 器，图像由电脑进行控制，受测人员可以利用方向盘、油门和刹车控制路上车辆 的方向和速度，电脑监控整个的驾驶过程和事故发生数量。为检测光谱能量分布 对视觉的影响，实验中采用滤色片模拟高压钠灯与金卤灯的照明环境。实验结 果表明，光谱能量分布不会影响受测人员的驾驶速度，但光谱会有效的影响路边 目标的探测能力。a f r e i d i n g ，m e l o h o l m a 等人进行实验研究在中间视觉 状态下，光谱对灰色探测阈值的影响。实验采用准单色光测量光谱灵敏函数，结 果显示光谱灵敏函数有两个或三个峰值，即“颜色效应”，当亮度降低时，这种 效应会随之减弱。当采用宽光谱时，发现在较低的亮度时红色视标的光谱灵敏函 数要高于其它颜色。h w a l k e y u u 等采用类似的方法，综合利用了反应时间、探 测阈值和辨认阈值等实验方法，推导出一个基于视觉功效的中间视觉m o v e 模型。 由于钠灯具有效率高、成本低、可靠性好和透雾好等优点，钠灯在道路照明 光源中占主导地位。l e d 灯具应用在照明行业时间并不算长，直到最近几年随着 l e d 光效的提高，l e d 在道路照明中应用才逐渐被重视。目前大功率白光l e d 的 光效已超过1 0 0 1 m w ，根据美国能源部( d o e ) 预测，到2 0 2 0 年前后，大功率l e d 商业产品的光效可达1 6 5 1 m w ，实验室样品光效可达2 3 0 1 m w 。虽然高压钠灯光 效可达到1 2 0 1 m w ，但其提高光效的难度比l e d 大很多。目前在次干道上使用的 1 5 0 w 以下的l e d 路灯，已体现出明显的节能优势。传统路灯光源一般向整个空 间发光，因此在路灯灯具设计时，为了尽可能地使灯光均匀并集中地投射到路面 6 很旦火攀博士学位论文绪论 上，需要使用曲面反射器来收集光线，使其向所需要的方向照射，其灯具效率仅 为6 5 一7 0 。反观l e d 路灯，因其具有良好的方向性，在采用二次光学透镜时， 光学效率可达9 0 左右。传统光源中高压钠灯的光效最高，但其显色性最差，显 色指数r a 仅约2 0 。而l e d 的显色指数可达8 0 左右。l e d 的高显色性无疑有助于 车辆和行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的安全特性。 2 0 1 0 年m i c h a e l u 副进行了城市道路照明评价项目，项目比较l e d 、钠灯和无 极荧光灯在视觉效果相同的情况下能源消耗。实验采用现场亮度、照度和小目标 可见度等道路相关数据的测量，同时又进行了行人和车辆视觉评价调查。结果表 明在不降低视觉特性的条件下，l e d 和无极荧光灯均比钠灯节约能源。 t e r r y 等进行了两种色温l e d 灯具对道路上危险目标的发现距离与识别距离 影响的研究。实验中采用色温为3 5 0 0 k 和6 0 0 0 k 两种l e d 灯具，在此照明条件下， 利用不同颜色的标准物体和穿着不同颜色衣服的行人作为视觉目标，记录驾驶员 发现和识别这些目标的距离。实验中还考虑到中间视觉条件对颜色差异的影响。 结果显示l e d 灯具色温对目标的发现和识别影响非常微弱。 l i i s ah a l o n e n 瞄副进行了c i et c i - 5 8 中间视觉光度对l e d 道路照明应用影 响的研究。报告中比较了在中间视觉光度下，l e d 灯具和高压钠灯的光输出的变 化，并用此数据计算了两者的能耗密度。结果表明l e d 能有效的减少能源消耗。 我国在小目标可见度水平的研究相对比较晚。陈仲林、杨春宇一引等采用中 间视觉反应测试系统得到反应时间与背景亮度函数表达式，得到金卤灯、l e d 和 无极灯光源视觉功效高于钠灯光源。陈仲林、翁季瞄h w 等通过实验得到了机动车 交通道路照明水平下，一个具有一定精度的、简化的阈限亮度差计算模型，并提 出亮度均匀度和可见度的道路设计方法，以及隧道照明中光色对可见度的影响。 7 棋旦大擎博士学位论文 1 3 本论文研究的主要内容 1 3 1 本论文的研究内容 本论文主要研究了三方面的内容，一基于单色光小目标可见度视觉实验，建 立了阈值亮度差光源光谱模型；二以钠灯与l e d 为背景光，进行小目标可见度比 较实验和场地两种光源视觉评价实验；三基于道路照明小目标可见度标准，进行 l e d 自由曲面反射器光学设计。 在大量调研道路小目标可见度和l e d 道路照明国内外研究成果的基础上，提 出采用投影法进行小目标可见度视觉实验。小目标可见度实验与其它视觉实验的 主要不同点是小目标可见度要求视觉目标持续时间为o 2 s ，也就是视觉目标出现 o 2 s 后消失。以前实验大都采用较长时间的刺激或静态刺激。投影法小目标可见 度实验可以解决观测时间和位置移动等难题。投影法实验是通过电脑软件编程控 制视觉目标持续时间、出现时间、对比度、背景亮度、背景光谱等参数，记录受 测人员的反应，从而研究这些参数对小目标可见度影响。投影法更符合小目标可 见度标准，也符合道路照明中驾驶员视觉的真实情况。 本论文进行了两个实验室小目标可见度视觉实验。首先利用窄带滤色片与投 影仪组合，在屏幕上形成单色光视觉目标和背景，研究探测几率和反应时间受背 景亮度、对比度、背景光谱等参数的影响。实验共采用5 组单色光进行实验，一 共得到1 5 0 0 0 个实验数据。并利用上述单色光谱视觉实验数据与中间视觉理论， 提出小目标可见度阈值亮度差光源光谱模型，此模型可以计算光源光谱能量分布 对阈值亮度差的影响，使阈值亮度差计算可以扩展到金卤灯、无极荧光灯以及 l e d 等光源。实验二为l e d 和钠灯小目标可见度视觉实验，实验采用钠灯和两款 l e d 光源作为背景光源，而视觉目标则由投影仪产生。并在实验基础上，采用上 述模型对钠灯和l e d 灯具视觉实验进行修正，结果表明此模型可以修正光源光谱 对小目标可见度的影响。 道路照明光学设计是道路照明设计里面一个重要内容，大多数光学设计都是 基于道路的亮度和照度标准。这里根据道路照明亮度标准和小目标可见度标准， 采用非成像光学理论进行了自由曲面反射器设计。首先根据非成像理论建立了反 射器自由曲面的偏微分方程组，由于方程组比较复杂，将矢量偏微分方程组简化 并代入柱面极坐标进行数值求解。最后方程数值解导入3 d 软件生成自由曲面， 并将其导入到光学软件进行光学模拟。 本论文在实验室视觉实验的基础上，进行了小目标可见度场地实验。实验将 8 徭旦大擎博士学位论文绪论 钠灯和l e d 灯具照明效果进行视觉比较。实验中不仅仅采用小目标可见度标准中 的灰色视标，而且实验还采用彩色视觉目标，以检验两种光源对颜色物体识别的 影响。实验采用视觉评价方法，即由受测人员观察视觉目标并做出视觉效果评价， 从而比较两种光源对小目标可见度的影响。实验得到钠灯和l e d 灯具灰色视标视 觉评价值与小目标可见度关系曲线，并对两种光源对灰色和彩色视标可见度的影 响进行了比较。 1 3 2 本论文的研究方法 城市的机动车交通道路上设置照明的目的是为机动车驾驶人员创造良好的 视觉环境，以求达到保障交通安全、提高交通运输效率的效果。同时道路照明还 可以降低犯罪活动和美化城市夜晚环境。目前商业化的白光l e d 光效可达 1 6 1 1 m w ，已成为照明用光源里面的强有力竞争者，因此l e d 光源在道路照明中 的应用研究是照明工业中的一个重要内容。小目标可见度是道路照明的标准之 一，此标准是在亮度与照度标准基础上建立的，小目标可见度更能反映道路照明 对司机发现车辆、行人以及障碍物的能力，更能体现道路照明的综合效果。 本论文就是对l e d 光源对小目标可见度的影响进行研究的。首先运用视觉的 特性进行实验设备、实验参数和实验流程的设置，其中为更能反映道路上物体的 真实情况，采用投影实验方法。实验通过测量受测人员的反应时间，评价背景亮 度、背景光谱、对比度等参数对小目标可见度的影响。特别是对比了钠灯和l e d 灯具在相同小目标可见度水平的情况下，受测人员的反应时间差异来比较不同光 源对物体可见度的影响，并在实验的基础上，提出了小目标可见度阈值亮度差 的光源光谱修正模型，利用此模型可以将道路照明光源光谱能量分布对小目标可 见度的影响进行修正，阈值亮度差可以应用在任意照明光源。 1 3 3 本论文的主要创新点 1 ) 提出阈值亮度差光源光谱( t l l s ) 模型，采用单色光的反应实验将中间视 觉与小目标可见度相关联后，使小目标可见度能够更准确的适用于各种道路照明 光源。 2 ) 设计了小目标可见度标准的自由曲面反射器，利用非成像光学理论，进 行l e d 自由曲面反射器设计，反射器在达到基本亮度均匀度的基础上，大大提高 了道路上面物体的可见度。 3 ) 采用实验室与道路场地两种实验方法进行l e d 与钠灯道路照明效果对比 实验。其中场地实验采用i e s n a 道路照明标准灰色视标和彩色视标，对l e d 和钠 9 棋旦大擎博士学位论文绪论 灯道路进行现场视觉效果实验，并分别得到钠灯和l e d 灯具视觉评价与小目标可 见度水平关系曲线。 仫旦大擎博士学位论文l e d 、视觉与小目标可见度 第二章l e d 、视觉与小目标可见度 2 1 道路照明与小目标可见度 2 1 1 道路照明标准 城市的机动车交通道路上设置照明的目的是为机动车驾驶人员创造良好的 视觉环境，以求达到保障交通安全、提高交通运输效率的效果。同时道路照明还 可以降低犯罪活动和美化城市夜晚环境。道路照明被用于驾驶辅助照明可以有效 的减少交通事故，但此概念开始并没有被大家所接受，初期许多人认为道路照明 并不是安全驾驶的必要条件。后面大量的交通事故统计研究表明适当的照明可以 有效的减少夜间交通事故。图2 1 显示了各种因素导致交通事故所占的百分比 ( h i l l s l 9 8 0 数据是英国市区2 0 3 6 宗交通事故的调查结果，其中总和并不等于 1 0 0 ，这是因为道路交通事故原因并不唯一) 。其中“视而不见”占了很大的比 例，这一统计数据后被c a i r n e y 和c a t c h p o l e 所证实。 v e h i c l ef a i l u r er o a du s e re r r o rr o a de n v i r o n m e n t 9 9 5 2 8 l a c ko i f s k i l lp e r c e p t u ia ie r r o r d r i v e rh n o a i r m e n t m a n n e ro f i e x e c u t i o n 1 6 6 4 9 6 ( e g d r u n k ) ( e g s p e e d ，l a c ko fc a r e ) d i s t r a c t i o nl a c ko fa t t e n t i o ni n c o r r e c tl o o k e db u tf a i l e d m i s j u d g e ds p e e d 1 6 6 i n t e r p r e t a t i o n t os e e a n dd i s t a n c e 5 1 7 5 图2 1 各种因素在交通事故中所占比例 f i g 2 1a p p a r e n tc o n t r i b u t o r y 亿c t o 倦i nr o a da c c i d e n t s 道路照明是在2 0 世纪3 0 年代才开始应用以提高驾驶的安全性。主要是三方 面原因促成了道路照明的应用：第一光源与灯具所需城市电网的形成；第二城市 交通管理开始规范；第三车辆数量的增长与速度的提高。但最初阶段，道路照明 的发展是极其缓慢的，随着车流量的增加以及车辆速度的迅速提高，道路照明的 应用也开始越来越广泛。道路照明不仅仅可以直接提高驾驶的安全性，而且道路 照明还可以有效的减少犯罪的发生和促进经济发展。 但是不适当的道路照明不仅不会减少交通事故，甚至会引起交通事故。因此 道路照明的标准是必不可少的，各国虽然在道路照明标准的细节方面各不相同， 1 1 稷旦大擎博士学位论文l e d 、视觉与小目标可见度 但其主要内容基本是一致的，这些主要归功于大量科研工作者的研究，为标准的 制定提供了大量的实验数据。国际上，道路照明标准一般采用照度标准和亮度标 准，我国基本也是如此，表2 1 为我国机动车交通道路照明标准。采用亮度标准 是因为大量的视觉实验显示，人们能够在道路上发现障碍物或行人，主要是依靠 驾驶员分辨障碍物或行人与路面的亮度差( 有时包括颜色差异) 。对于一些行人 比较多的场合，可以采用照度标准。 表2 1 国家机动车交通道路照明标准 t a b l e 2 1l u m i n a n c em e t h o d r e c o m m e n d e dv a l u e s 机动车交通道路照明标准值 路断毙度路面照度眩光戳明 1 均亮总均匀 纵甸 - 卜均照 均匀廑 朗值增盛环境比 缀 道路类塑度度均匀度度t l 句 跟 掰 u t 最大 最小馑l 。 u u l e - o x ) 最小擅 最小值最小值维持值纫始值 快速路，主干路 ( 台迎褒路、通囱政府机关和火 i 1 5 2 oo 4o 73 0o 41 0o 5 型公接逑筑翰主要道路。位于 市中心媛商娩中心的j 蕴路) n 次平路 n 7 5 ，1 oo 4o ，1 0 1 5o 3 51 0o 5 i 玎变踹0 5 ，o 7 50 48 ，l oo 31 5 2 1 2 小目标可见度 道路照明标准一般采用照度标准和亮度标准。在美国，小目标可见度也已经 成为道路照明里的标准之一。目前全世界都在研究节约能源的措施和方法，照明 行业也是如此。对于道路照明安全性是首要目标，道路照明节能首先要满足视觉 可见度的要求。小目标可见度的标准，在满足可见度的基础上可以防止过度照明 从而节约能源。美国i e s n a 小目标可见度标准中，将最低路面亮度标准比单独采