棉花分級(jí)室模擬晝光照明的照度均勻度研究

文/雷雷 冉翔濤 張樂柱 王魯輝 陳昂 都占元 張玉冰

1 引言

照度均勻度是指在規(guī)定表面上的最小照度與平均照度之比。照度分布的均勻程度對(duì)人的視覺作業(yè)工效、舒適性、用眼疲勞程度都有著非常重要的影響。GB/T 2900.65《電工術(shù)語 照明》、GB 50034—2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/Z 26212《室內(nèi)照明不舒適眩光》等多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究[1-4]均明確提出：純度高，符合日光色譜，明度反差大的對(duì)比色并不容易使人眼產(chǎn)生疲勞。人眼不適的主要原因是照明的光譜、頻閃、眩光、照度均勻度等存在問題而引起的。研究表明[2-4]，相同照度水平下，照度均勻度好有助于減輕視覺疲勞。光線分布越均勻說明照度越好，視覺感受越舒服，照度均勻度越接近1越好，反之越小越增加視覺疲勞。當(dāng)明暗對(duì)比達(dá)到3:1時(shí)，人眼就會(huì)明顯感覺到明暗的變化。如果視線范圍內(nèi)照度不均勻，人眼在亮暗環(huán)境中就需要頻繁地來回調(diào)節(jié)瞳孔大小以適應(yīng)不同的明暗環(huán)境，因此容易引起視覺的疲勞[4]。由于光照亮度的分布或范圍不適當(dāng)，或?qū)Ρ榷忍珡?qiáng)，而引起的人眼不舒適感、分辨細(xì)節(jié)或物體的能力減弱的情況就是由于眩光造成的。本文探討了在GB/T 13786《棉花分級(jí)室的模擬晝光照明》新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)棉花分級(jí)室的照度要求并試驗(yàn)證明了照明單元排列的最優(yōu)條件。

2 對(duì)棉花分級(jí)室模擬晝光照明的照度均勻度相關(guān)要求

棉花分級(jí)室模擬晝光照明是使用人工照明單元模擬北緯地區(qū)適度多云情況下的理想日光條件，在棉花分級(jí)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能接近在自然光線下棉花所呈現(xiàn)的顏色。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的室內(nèi)工作區(qū)（主要指讀寫活動(dòng)）照明均勻度在工作面上最小應(yīng)達(dá)到0.7以上。要求參考每個(gè)視覺任務(wù)的重要程度，結(jié)合相關(guān)視覺作業(yè)對(duì)象的尺寸和等效對(duì)比度特性，確定需要的照度標(biāo)準(zhǔn)值。棉花顏色級(jí)感官評(píng)定是一項(xiàng)非常重要且精細(xì)的視覺作業(yè)，棉花分級(jí)室模擬晝光照明不僅要盡可能符合接近理想日光光譜、色溫、顯色性等技術(shù)指標(biāo)條件，而且要均勻穩(wěn)定，減輕眼疲勞，提高視覺作業(yè)工效和舒適性。在GB/T 13786《棉花分級(jí)室的模擬晝光照明》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂中，提出了棉花分級(jí)室模擬晝光照明的照度均勻度應(yīng)不低于0.8。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

3.1 基于LED光源的D75模擬晝光照明系統(tǒng)

本項(xiàng)研究的棉花分級(jí)室是安裝了基于LED光源D75模擬晝光照明系統(tǒng)，采用了直下式光路結(jié)構(gòu)（圖1），即LED陣列分布于光源箱體頂部，向下照射。直下式照明結(jié)構(gòu)自上而下分為三層：頂部的LED燈珠陣列發(fā)光單元、光混合腔體結(jié)構(gòu)、光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。燈珠的陣列形式和規(guī)模依據(jù)燈箱總功率、LED燈珠功率、數(shù)量以及結(jié)構(gòu)相關(guān)特性確定。光源箱整體為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為光學(xué)腔體，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)和混勻，光源箱底部安裝有光學(xué)擴(kuò)散板，實(shí)現(xiàn)光的進(jìn)一步勻化處理。

圖1 直下式模擬晝光照明系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

3.2 棉花分級(jí)臺(tái)（規(guī)定照明表面）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室棉花分級(jí)臺(tái)的面積（2.44m×1.80m），將棉花分級(jí)臺(tái)分為14個(gè)區(qū)域。示意圖如圖2所示。

圖2 棉花分級(jí)臺(tái)區(qū)域劃分示意

3.3 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)采用的照明單元規(guī)格是（0.6×1.2）m，分2排，每排4個(gè)照明單元首尾相連，共計(jì)8個(gè)照明單元。照明單元底部的漫射玻璃（或有機(jī)玻璃）和地面平行，與棉花分級(jí)臺(tái)的垂直距離可適當(dāng)調(diào)整（1.80～2.10）m，每行照明單元中心線之間間距可適當(dāng)調(diào)整（1.80～2.30）m。

（2）試驗(yàn)采用2臺(tái)經(jīng)計(jì)量檢定合格的照度計(jì)（ST-86L、SPIC-300AW）分別進(jìn)行測(cè)試。

（3）每組測(cè)試數(shù)據(jù)由同一檢驗(yàn)人員獨(dú)立測(cè)試完成。穿著中性色工作服，測(cè)試時(shí)遠(yuǎn)離感光設(shè)備1m以上。

（4）確定測(cè)試基準(zhǔn)：兩行照明單元中心線間距1.80m，照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)垂直距離2m，將棉花分級(jí)臺(tái)上的光照強(qiáng)度調(diào)整到（1100±100 ）lx，確保棉花分級(jí)臺(tái)上所有區(qū)域（中心到邊緣）光照強(qiáng)度都在此范圍內(nèi)。

3.4 設(shè)計(jì)與方法

（1）照明單元間距對(duì)照度均勻度的影響試驗(yàn)。設(shè)定兩行照明單元中心線間距的可調(diào)范圍是：（1.80～2.30）m。設(shè)定照明單元底部與棉花分級(jí)臺(tái)之間的高度為2m。在最小間距和最大間距之間，每次增加5cm，測(cè)試14個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)。

（2）分級(jí)臺(tái)高度對(duì)照度均勻度的影響試驗(yàn)。設(shè)定照明單元底部與棉花分級(jí)臺(tái)之間的高度可調(diào)范圍是：（1.80～2.10）m。按照上面試驗(yàn)所得的最佳條件，確定照明單元間距。在最小高度和最大高度之間，每次增加5cm，測(cè)試14個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)。

（3）照明單元間距、棉花分級(jí)臺(tái)高度同時(shí)變化時(shí)，對(duì)光照強(qiáng)度均勻度的影響試驗(yàn)。按照每次5cm，調(diào)整照明單元間距；按照每次5cm，調(diào)整棉花分級(jí)臺(tái)高度；綜合兩項(xiàng)條件，測(cè)試14個(gè)區(qū)域的光照強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)。

每個(gè)區(qū)域選擇邊緣、中間、靠近分級(jí)臺(tái)中心3個(gè)點(diǎn)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，每組14個(gè)區(qū)域共記錄42個(gè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 光照強(qiáng)度：（1100±100）lx

荷蘭物理學(xué)家科魯伊索夫（Kruithof）提出[5]，人的眼睛對(duì)照明喜好與色溫和照度有關(guān)，可簡(jiǎn)單概括為“高色溫高照度、低色溫低照度”，并給出了色溫與照度曲線（Kruithof curve），如圖3所示。例如：自然條件下日光的色溫為6500 K，照度約為104lx至105lx，此條件下的色溫和照度是對(duì)接近自然的色彩再現(xiàn)，最容易令人眼感覺舒適。

圖3 色溫與照度曲線

棉花分級(jí)室采用的是模擬晝光D75照明系統(tǒng)，根據(jù)科魯伊索夫曲線圖可以分析得出，在D75色溫條件下，滿足人的眼睛對(duì)照明喜好的照度應(yīng)該在1000 lx以上為佳。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[6]，確定了棉花分級(jí)室照度值為（1100±100）lx。

4.2 照明單元間距：1.8m

在固定照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)的距離，采用不同照明單元間距的試驗(yàn)結(jié)果表明（圖4），照明單元間距在1.8m的情況下，棉花分級(jí)臺(tái)（規(guī)定表面）照度值曲線為最優(yōu)曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著間距增加或縮小，棉花分級(jí)臺(tái)表面光照強(qiáng)度出現(xiàn)或低或高的變化，曲線波動(dòng)幅度均有一定程度變大。

圖4 照明單元間距與照度關(guān)系曲線

4.3 照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)的距離：2.0m

在固定照明單元間距，采用不同照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)距離的試驗(yàn)結(jié)果表明（圖5），照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)的距離在2.0m的情況下，棉花分級(jí)臺(tái)（規(guī)定表面）照度值曲線為最優(yōu)曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著垂直距離增加或縮小，棉花分級(jí)臺(tái)表面光照強(qiáng)度出現(xiàn)或低或高的變化，但是，曲線波動(dòng)幅度變化不大。

圖5 照明單元/棉花分級(jí)臺(tái)垂直距離與照度關(guān)系曲線

5 小結(jié)

棉花顏色級(jí)感官評(píng)定是一項(xiàng)非常重要且精細(xì)的視覺作業(yè)，棉花分級(jí)室的照明應(yīng)均勻穩(wěn)定，減輕人眼的視覺疲勞，提高視覺作業(yè)工效和舒適性。為保障照度均勻度更加有利于人眼的適應(yīng)性和照明的均勻性，在GB/T 13786《棉花分級(jí)室的模擬晝光照明》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加了平均照度和照度均勻度的概念和指標(biāo)要求，提出了棉花分級(jí)室模擬晝光照明的照度均勻度應(yīng)不低于0.8。同時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)[5]驗(yàn)證光照強(qiáng)度（1100±100）lx的照度范圍是合適的，過度縮小或放大此范圍，會(huì)造成照度均勻度的降低。本試驗(yàn)結(jié)果說明，照明單元間距選擇1.8m，照明單元與棉花分級(jí)臺(tái)的距離選擇2.0m是最優(yōu)條件。