中間視覺亮度條件下常用光源透霧性研究

徐何辰 饒 豐 薛文濤 談 茜

(1.江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇檢驗檢疫車輛燈具實驗室，江蘇丹陽 212300)

1 引言

霧天天氣時，可見光在霧氣中傳播，由于散射和吸收等作用，使其能見度降低，不利于道路交通安全［1］。隨著科技的發(fā)展，道路照明光源的種類越來越多，由于其發(fā)光原理的不同，各種光源的光譜差異很大，而霧對不同波長光的吸收不同，因此很有必要研究不同光源的透霧性［2］。

2008年，中國計量科學研究院呂正等人對霧燈穿透能力最佳波長進行了研究，比較了相同傳播距離下，光信號在薄霧、中霧、濃霧中的傳播情況，發(fā)現(xiàn)LED在用作霧燈時的最佳波長為578nm［3］。由于在實際道路照明中，絕大多數(shù)光源都是復色光，所以研究復色光的透霧性更具有實用價值。2009年，ZAINI、MFb用主觀評價的方法，在不同霧濃度下，對不同單色光源讓人眼觀測并打分，得出橙黃光透霧性最佳［4］。由于用人眼直接去觀測受主觀因素影響較大，實驗結果不具有客觀性。2011年，關雪峰選擇紅、黃、綠和藍四種單色 LED作為測試光源，測量不同霧濃度下的照度值，得出四種單色光在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光，透霧性最差的是綠光和藍光，但彼此間的差別不大［5］。由于這些結果均是基于明視覺的，沒有考慮中間視覺，而且霧天天氣常常出現(xiàn)在清晨和晚上，此時的道路照明大多屬于中間視覺范疇［6］，若仍用明視覺視見函數(shù)去計算可能存在一定的偏差。所以本實驗引入中間視覺來研究可見光的透霧性，更準確的反映了人眼的實際情況，為道路交通安全提供保障。在道路照明中，由于散射光相對于直射光攜帶的信息量小，這些散射光雖然能被人眼接收到，但人眼不能根據這些散射光判斷出物體的位置，所以本實驗研究光源直射部分的透霧性。

本實驗研究在明視覺與中間視覺下，鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈的透霧性。在暗箱內測量四種光源不同霧濃度下的光譜，比較四種光源明視覺透霧性;采用 CIE2010年最新的推薦模型MES2［7］，研究四種光源透霧性隨亮度變化的關系并與其明視覺透霧性做比較。

圖1 實驗裝置俯視圖

2 實驗

2.1 實驗目的

以鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈為實驗對象，比較四種光源在明視覺下的透過率并研究透過率與亮度的關系。

2.2 實驗對象

不同霧濃度下鎢絲燈、LED、金鹵燈和高壓鈉燈的光譜。

2.3 實驗條件

本實驗需要在不同霧濃度下測量四種光源的光譜，對霧的要求是:均勻性、穩(wěn)定性以及較大的濃度范圍。本實驗采用人工造霧的方法，整個實驗在自制的暗箱內進行，以避免外界光源對實驗產生影響，暗箱關閉后，其內照度在10－3lx以下。保持室溫為20℃，并關閉門窗，防止外界氣流對實驗產生影響。本實驗研究光源直射部分的透霧性，因此在暗箱內設置3塊黑色擋板并在暗箱四周粘上黑布，盡可能的吸收雜散光;在同一水平線的暗箱壁和擋板上開一小孔，使只有直射小孔的光才能被光度頭接收到，整個實驗裝置如圖1所示。

2.4 實驗步驟

(1)點亮LED并調整LED位置使光度頭位于光斑中心區(qū)域，記錄下LED的位置;點亮鎢絲燈并調整鎢絲燈位置，同樣使光度頭位于光斑中心區(qū)域，固定鎢絲燈的位置。

(2)等待30分鐘讓光源穩(wěn)定后，分別測量LED與鎢絲燈的初始光譜。

(3)開啟加濕器15分鐘后關閉，等待5分鐘讓霧擴散均勻后開始測量。第一次測量鎢絲燈，第二次測量LED，第三次再測量鎢絲燈依此類推一共測量120次，兩次測量時間間隔10s，并使LED的擺放位置與初始記錄值相同。

(4)打開暗箱，待霧散盡后擦去暗箱內水氣。

(5)重復步驟 (1)～ (4)10次。

然后分別用金鹵燈與高壓鈉燈代替鎢絲燈重復步驟 (1)～(5)測量不同霧濃度下的光譜。

3 實驗結果及分析

步驟 (2)測得的四種光源的光譜如圖2所示，可見四種光源光譜相差較大，鎢絲燈藍光部分較少紅光部分較多，LED燈由藍、綠兩個波峰組成，紅光部分很少，高壓鈉燈黃光較多同時高壓鈉燈和金鹵燈波峰均較多。

圖2 四種光源相對光譜

以光度頭接收到的部分光通量透過率η作為透霧性能的評價指標:

其中K1為起霧時最大光譜光視效率，K2為未起霧時最大光譜光視效率，S1(λ)為起霧時光源絕對光譜功率分布，S2(λ)為未起霧時光源絕對光譜功率分布，V1(λ)為起霧時光譜光效率函數(shù)，V2(λ)為未起霧時光譜光效率函數(shù)。

根據測得的光譜，使用公式 (1)分別計算LED與鎢絲燈不同霧濃度下的透過率，取其中透過率在10%到70%范圍內的數(shù)據點，使用matlab進行擬合，采用三階擬合:

分別擬合出LED、鎢絲燈的透過率隨時間的函數(shù)關系，擬合過程中排除大于2倍標準差的數(shù)據點。研究表明確定系數(shù)R2均大于0.99。然后令LED的透過率為10%、5%、20%、25%…70%，求出鎢絲燈的透過率。把10次實驗鎢絲燈的透過率全部求出后，排除其中的最大值與最小值，取剩余8次的平均值作為鎢絲燈的透過率。金鹵燈與高壓鈉燈透過率的計算方法與鎢絲燈相同。全部計算完成后如圖3所示。

圖3 明視覺下四種光源透霧性比較

由圖3可知:鎢絲燈的透霧性最佳;LED的透霧性最差;ηLED＜50%時，金鹵燈的透過率優(yōu)于高壓鈉燈;ηLED＞50%時，高壓鈉燈的透過率優(yōu)于金鹵燈。這是因為霧對不同波長的光吸收不同。在任意濃度下，黃光的透霧性能最好，其次是紅光。透霧性最差的是綠光和藍光［5］。鎢絲燈光譜的藍光和綠光所占的比例最少，紅光和黃光所占的比例最大，所以其透霧性最好。相反LED光譜中藍光、綠光占了大部分，只有小部分的黃光和紅光，所以其透霧性最差。由于在霧濃度＜45%時η綠＞η藍;霧濃度＞45%時 η綠＜η藍［5］。高壓鈉燈光譜中綠光所占的比例大于藍光，金鹵燈光譜中藍光所占的比例大于綠光。所以，在霧較濃時 η金鹵燈＞η高壓鈉燈;在霧較稀時 η金鹵燈＜η高壓鈉燈。

分別取四種光源不同霧濃度下的光譜，采用MES2模型，選取亮度0.005～2cd/m2，計算出中間視覺透過率，四種光源中間視覺透過率如圖4所示。

圖4 中間視覺下四種光源透霧性比較

由圖4可知:在霧較濃時，四種光源η中間視覺＞η明視覺; 隨著霧濃度的下降，η中間視覺/η明視覺的比值變化趨勢一致，都是先減小后增大但最大偏差不超過5%，且最大偏差隨著亮度的增大而減小。這是因為中間視覺下人眼光譜光視效率函數(shù)相對于明間視覺往短波方向移動，隨著霧濃度的下降藍光和綠光的透過率相對于紅光和黃光先減小再增大，所以中間視覺透過率與明視覺透過率的比值隨著霧濃度的降低先減小后增大。在明視覺下，人眼中的視錐細胞起主導作用，在中間視覺下，人眼中的視錐與視桿細胞共同起作用。隨著亮度的增大，視錐細胞的作用越來越重要［8］，所以中間視覺透過率越來越接近明視覺透過率。

4 結論

本實驗對四種常用光源在明視覺下的透霧情況進行了比較并結合道路實際情況，分析了四種光源在中間視覺與明視覺下透霧性的差異。通過研究發(fā)現(xiàn)明視覺下鎢絲燈的透霧性最佳;LED的透霧性最差;ηLED＜50%時，金鹵燈的透霧性優(yōu)于高壓鈉燈;ηLED＞50%時，高壓鈉燈的透霧性優(yōu)于金鹵燈。中間視覺下隨著霧濃度的下降，四種光源 η中間視覺/η明視覺的比值變化趨勢一致，都是先減小后增大但最大偏差不超過5%。該研究對提高實際霧天駕駛安全，設計與檢測道路照明燈具有重要意義。

★2012年10月3日，歐司朗光電半導體展出目前汽車市場上最小巧的高功率LED-Oslon Compact LED原型。這款小巧的LED布局靈活，因此更易于實現(xiàn)各種個性化車頭燈設計，且成本效益更高。在由法國汽車工程師協(xié)會 (SIA)于今年10月9日在凡爾賽宮舉辦的Vision國際展覽會上，來自德國雷根斯堡的汽車半導體專家歐司朗光電半導體揭開了Oslon Compact LED原型的神秘面紗。

［1］張驚雷，高斌.基于大氣散射模型和曲波變換的交通圖像增強研究 ［J］.河北工業(yè)大學學報，2011，40(2):62～66.

［2］Kurniawan，B A，Nakashima，Y，Takamatsu，M，et al.Visual Perception of Color LED in Dense Fog［J］.Light＆ Vis.Env.，2007，31(3):34～36.

［3］呂正，徐濤.霧燈穿透能力最佳波長的實驗確定［J］.應用光學，2008，29(4):530～532，547.

［4］ZAINI，M F b，Kurniawan，B A，Nakashima，Y，et al.Perceived Brightness and Saturation of Color LED Light in Dense Fog at Night Time ［J］.Light ＆ Vis.Env.，2009，31(2).

［5］關雪峰.中間視覺條件下電光源在介質中的視覺可見度與穿透力實驗研究 ［D］［碩士論文］.深圳大學，2011.

［6］陳仲林，胡英奎.中間視覺時的光視效能最大值研究［J］.重慶建筑大學學報，2008，30(4):15～18.

［7］饒豐，葛志誠，朱金連等.基于Matlab的中間視覺模型的構建［J］.照明工程學報，2011(5):18.

［8］Bommel W v，周太明 (譯)，林燕丹 (譯).光源的光譜與低照明水平——中間視覺的基礎 ［J］.照明工程學報，2009(4):1～4.