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摘  要：采用适度视场条件下与不同亮度水平相对应的数个光谱的光视效率函数，计算纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞等四种气体放电光源，在暗视觉到明视觉亮度范围内对应不同亮度水平时的有效光效系数，来剖析和评价不同光源在道路照明中不同应用条件下的适宜性。实验结果证实，在符合标准的道路照明条件下，锐利、明亮的纳米陶瓷阴极荧光灯管替代之前的其它三种高强度气体放电光源，具有在实际应用中的有前所未有的灿烂前景。]&x
关键词：显色性；光效；纳米陶瓷阴极；视觉灵敏度。DHK!<)
一、综述REM/y
道路照明对于降低夜间的交通事故发生率有着重要的影响，几年来在世界各地所作的相关研究表明，电光源的色温为5000k时的照明效果最佳。具世界卫生组织权威统计证明，良好的道路照明可以减少约30%的夜间交通事故。道路照明用电在一个国家照明总耗电中约占20%-30%。而光源的选择，对道路照明的安全和节能都有着重大影响。?jci
纳米陶瓷阴极光源，是一种通过永久性的陶瓷材料制成的阴极发射电磁波点燃其管壁上的荧光粉发光的电光源专利技术产品。中国江苏省科技情报站查新结果证明：纳米陶瓷阴极电光源技术，改变了传统电光源的技术原理、材质和构造。大幅度地提高了灯管的亮度、显色性及使用寿命，国际尚无先例。CjJP
在此专利技术之前，普遍使用的道路灯几乎全部采用高强度气体放电灯。如：高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。纳米陶瓷阴极道路灯与这些高强度气体放电灯相比，具有更高的光效和显色指数，更低的耗能和更长的工作寿命（见下表）：v#H
表 典型的纳米陶瓷阴极道路灯和金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯的光电参数比较3O/d<
名   称纳米陶瓷阴极灯金属卤化物灯（MH）高压钠灯（HPS）高压汞灯（HPM）<&a4
功率（W）188400400400{GS
寿命（H）300001200010000-2400020000AeuC
全光效（Lm/W）1098511550{dV1]S
显色指数（Ra）85692050h
5000k色温时的光效（Lm/W）109475334L8c0
5000k色温时的光通量（Lm）20492188002120013600H_-y"C
以上对比结果表明，纳米陶瓷阴极灯的耗电量不到其它光源的一半，但有效光效却是其它光源的两倍以上。尤其是显色指数达到了85，这说明，使用纳米陶瓷阴极灯作为道路照明灯，不但可以大幅度的节能，而且还可以有效地改善照明环境。3 idM^
人类在长期的生产生活实践中习惯于在日光下辨认颜色，尽管日光的色温和光谱能量分布随着自然条件的变化有很大的差异，但人眼的辨认能力依然是准确的。这是人们在自然光下长期实践对颜色形成了记忆的结果。随着照明技术的发展，许多新光源的开发利用，人们经常在不同的环境下辨认颜色。有些灯光的颜色与日光很相似如荧光灯、汞灯等，但其光谱能量分布与日光却有很大的差别。纳米陶瓷阴极锐利、明亮的道路灯技术，使道路灯的使用寿命超过了三万小时。成功地解决了传统道路灯使用寿命短，显色性差等问题，是道路灯光源的换代产品。用纳米陶瓷阴极制造的锐利、明亮的道路灯取代高强度气体放电灯用于道路照明，在节电53%的情况下寿命延长1.5倍。g}

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二、光效计算BnVIX"
光谱的光视效率函数V（λ）是视觉的基础，目前通行的光度学参数都是以明视觉2度视场条件下光谱的光视效率函数为基础计算出来的。为了更严格地表述，我们把采用相应亮度水平下的中间视觉函数计算所得的光效称为有效光效。F^r~h3
若光源的光效为：η，光源的光通量为：Φ可按（1）、（3）式计算：2G@?s
η=ΦW，（1）VEc.}
Φ=∫780 380K（λ）Φeλ dλ，（2）MB=O
K（λ）=KmV3（λ），（3）V]O2b
式中，W是光源的额定功率：Φeλ是光谱辐射通量即单位波长间隔内的辐射通量，dλ是可见光范围内的单位波长间隔，K（λ）是绝对光谱光视效率函数，即为光通量与辐射通量的比值：Km是辐射的最大光谱光视效能，V3（λ）是（相对）光谱光视效率函数。
通常，光源的光度学参数对应于视野中央凹2度并且在明视觉亮度水平下。但夜间道路照明水平处于中间视觉，而且视觉任务也不仅限于中央凹区域。在中间视觉范围内随着亮度水平的变化，人眼的的绝对光谱光视效率函数会发生相应的变化，即Km和V3（λ）两者同时发生变化。这样公式（3）中， V3（λ）取明视觉下中央凹2度的值就不妥。jWl]
对某一特定亮度水平下光源的有效光效，应采用相对应亮度水平下的光谱光视效率函数来计算。在中间视觉范围内，亮度水平从明视觉向暗视觉过渡时，光谱的光视效率函数曲线的形状和最大光谱的光视效能Km都存在着连续的变化，曲线的峰值所对应的波长从555移向505 nm ，最大光谱光视效能（K）也从683Lm/W-1增加到1700Lm/W-1。4{<f#n
至今，国际上关于中间视觉光通量的计算方法尚未统一。有不少学者已经测得到了一些有用的中间视觉函数。但是，还只能用于一级近似。M1
由（1）、（2）式计算出有效光通量和有效光效，为了便于应用和分析，我们提出了一个有效光效系数LEC（LEC=某亮度水平下的有效光效/光源的标称光效）。利用LEC可定量地评价某一光源在某一特定照明条件下的适宜性，从而为道路照明设计者选择适宜的光源提供参考。另外，LEC也代表了在中间视觉亮度范围内采用明视觉函数计算光度学量所存在的误差程度。所以，LEC也就能为道路照明有关的实验提供理论指导。 OKL`8

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三、光谱分析P9*y
3.1 纳米陶瓷阴极灯t<Nx1
纳米陶瓷阴极灯在蓝光、绿光和黄光部分都有较大的能量输出，而且在可见光范围内有连续谱存在。因此，纳米陶瓷阴极灯在明视觉条件下的光效最高。当进入暗视觉时，纳米陶瓷阴极灯的能量输出的某些峰值落在了V3 （λ）曲线的高灵敏度区域。而且蓝光、绿光和黄光部分都有可观的连续能量输出。计算显示，纳米陶瓷阴极灯的有效光效，随着亮度水平的下降或提高会有所提高。蓝光、绿光和黄光能够根据环境需要进行合理搭配，是纳米陶瓷阴极灯不可比拟的优势。2y
3.2金属卤化物灯gzZ9
金属卤化物灯在在明视觉条件下有较高的光效。当进入暗视觉时，金属卤化物灯的能量输出的某些峰值落在了V3 （λ）曲线的高灵敏度区域。计算显示，金属卤化物灯的有效光效随着亮度水平的下降会有所提高，这与纳米陶瓷阴极灯相反。蓝光、绿光和黄光不能根据环境需要进行合理搭配，是金属卤化物灯的致命弱点。XWHTR
3.3高压钠灯F
明视觉下高压钠灯有高的光效，这是由于它的主要辐射能量590nm正好在明视觉函数的峰值附近。但是，在较低亮度水平下，由于高压钠灯在蓝光和绿光部分505 nm附近几乎没有辐射能量输出，所以有效光效就会明显减少。>
3.4高压汞灯~[AD
荧光高压汞灯的发光原理类似荧光灯，它的优点是光效及寿命较白炽灯好，它的缺点是功率因数低。荧光高压汞灯，远看光源的光色洁白，光源的色表现好，但灯光照在人脸上是青灰色。所以，高压汞灯的显色指数低。它适用于不需要仔细辨别颜色的场所，这种光源目前巳逐渐被高压钠灯所取代。bN.
四、有效光效MW?WY
在一定的亮度范围内，根据式（1）-（3）式计算纳米陶瓷阴极灯，金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯的有效光效及有效光效系数的变化趋势说明，当亮度水平降低时，高压钠灯、金属卤化物灯的有效光效明显地下降，而纳米陶瓷阴极灯的有效光效反而有所增加。如选取纳米陶瓷阴极灯，金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯的标称光效为109 Lm/W，80 Lm/W，116 Lm/W和52Lm/W，则当亮度水平高于0.1cdm-2时，纳米陶瓷阴极灯的有效光效仍高于金属卤化物灯。"9Gen}
在暗视觉条件下，纳米陶瓷阴极灯的有效光效大约是金属卤化物灯、高压钠灯的1.2-2.3倍。在亮度小于1cdm-2时相对光谱能量分布对光效的影响才开始表现出来。此时，纳米陶瓷阴极灯表现出其它高压气体放电灯所不可比拟的优势，这与中间视视觉亮度范围（0.001-3cdm-2）的定义是符合的。=

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五、视野实验keh^ob
视觉学中可选择视野来评价人眼的周边探测能力这是众所周知的道理，因为人类通常最开始发现危险都是在在人眼的周边视野范围内进行的，然后才用到人眼的中央凹视力。要避免事故的发生，最初的这种探测是十分重要的。我们进行了以下的实验来探索光源的有效光效系数与驾驶员视野的关系，用来验证上述理论：REiH
5.1 测试方法及实验条件J~s
实验变量受测者用双眼测量：背景亮度的均匀度不低于90%，环境亮度不超过0.05 cdm-2，视标的大小取为2mm，视标照度为15Lx，背景照度为5Lx，视标的移动速度恒定，受测者实验前暗适应时间为15min，每个量测试10次再取平均值。fTV_mg
背景光源： 纳米陶瓷阴极灯、金属卤化物灯， 高压钠灯w0
测试方向：水平左侧，水平右侧10人，年龄在20-25岁之间，无视力障碍和眼疾。<7{C
视野表示周边视力，它是人眼视网膜黄斑中心凹以外的视觉细胞功能，被定义为当头部保持不动，同时眼球向正前方注视某一物体不动时所能见到的空间范围。实验时，视标随基地从两侧出现，并匀速向中心移动，受试者坐在视野计前，下巴放在颚架上，眼睛注视背景中心处的十字形亮斑，当探测到视标时，受测者就按相应的控制键，通过接口由计算机软件自动记录数据。 5.2 实验结果>]Ptr"
10位受测者共400个数据的平均结果说明，左侧视野和右侧视野的变化趋势是一致的。取左侧视野和右侧视野数据进行分析。纳米陶瓷阴极灯条件下的左侧视野和右侧视野值比金属卤化物灯高出了0.3度，比高压钠灯时高出了2.3度。即，在对应于夜间道路照明条件下的周边探测中，纳米陶瓷阴极灯比金属卤化物灯、高压钠灯更有效。gAi=
六、讨论$sy7
由于视野的测量属于心理物理实验，测试的先后，个人的疲劳，操作的熟练程度等因素都会影响测量结果的准确性。本实验采用合理的心理物理实验方法，消除了大部分误差，但由于只有10位受测者，使得数据的最后结果受个体的波动变化较大。在背景亮度为1cdm-2时，由理论计算所得的纳米陶瓷阴极灯的LEC=1.0 ，金属卤化物灯LEC=0.47、高压钠灯的LEC=0.53，这证实了本实验的可信度。当亮度水平小于0.1cdm-2时，纳米陶瓷阴极灯与金属卤化物灯、高压钠灯的LEC差值逐渐变大，可以推测，随着LEC差值的变大，几种光源所对应的视野的差值也会越大，这可由进一步实验加以证实。由于道路照明的亮度水平在0.1-2cdm-2范围内，如果单纯从10度视场的光谱光视函数去评价光源的光效，几种光源的有效光效并没有很大的变化，纳米陶瓷阴极灯的光效仍然处于其它光源之首。olbfV@
值得庆幸的是：由广州兰光照明电器有限公司生产的高光效、高显色指数、长寿命的188W纳米陶瓷阴极荧光灯，已经成功地取代了400W的高压钠灯用于路灯照明。纳米陶瓷阴极灯的有效光效比高压汞灯等高50%,可达到109Lm/W ，可调低亮度至最大光通量的50% 对昆虫的吸引力比高压汞灯小90%，有利生态保护。配用宽频电子镇流器，可以产生高效经济的近似白光(色温为5000k)；与高压汞灯偏蓝、高压钠灯偏黄的光线相比，光色更加悦目，无眩目，暖色光。由于寿命更长，实际使用费用低于传统高压钠灯。与标准钠灯相比显色性更好，显色指数（Ra）最高可以达到89 ，适用于对光、色性能要求严格的高速公路照明等场所。这一科学实践，证明了纳米陶瓷阴极灯用于道路照明的灿烂前景。BIc

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同一物体在不同的光源下会能使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。因此，可以用日光标准作为参照光源，将人工光源作为待测光源与其比较，显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在参照光源下所显现的颜色相符的程度，采用“一般显色性指数”作为定量评价指针。显色性指数最高为100。例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。所以在高压汞灯下物体失去了“真实”颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。`(2nY
通过对新光源纳米陶瓷阴极道路灯的研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450nm的蓝光，540nm的绿光，610nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。9,
我们知道光源的显色性是以一般显色性指数Ra值区分：Ra值为100-75 显色优良，75-50 显色一般，50以下显色性差。光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指针，色温是衡量光源色的指针，而显色性是衡量光源视觉质量的指针。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指针。这是因为，显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。理想的自然白光在理论上由红、绿、蓝三种色光构成，三种色光的比例为1：1：1。人工光源所发出的光，可以通过红、绿、蓝三种单色光按不同比例混合匹配产生。这种用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三基色，也叫做该光源的三刺激值。之所以有些光源偏黄、偏暖，有些光源偏冷、偏青、就是因为光源的三刺激值分配不均而造成的。IKL6"C
从节能的角度考虑，光源选择首先考虑的是光源的光效，但从安全的角度考虑，光源选择更重要的是考虑光源的显色指数。之前，道路照明中推荐选用高压钠灯主要依据是其具有约110Lm/W的高光效。但这里的光效是明视觉条件下所得的数据，随着亮度水平的降低，人眼的视见函数会发生普尔金耶偏移，若采用明视觉条件下的光效来评价道路照明条件下光源的效果，则会产生一定的误差。近来，根据人眼视觉神经特点，有人提出在周边探测中当照明水平及其他条件都相同时，纳米陶瓷阴极灯要比金属卤化物灯、高压钠灯有效，并通过反应时间实验进行了证实。
根据纳米陶瓷阴极灯和金属卤化物灯、高压钠灯的相对光谱能量分布与人眼视见函数的比较，定性分析随亮度水平的降低，光源的光效将发生的变化。接着采用直接异色亮度比较法在10度X视野范围内测得的对应于不同亮度水平下的视见函数，从理论上计算纳米陶瓷阴极灯，金属卤化物灯、高压钠灯和高压汞灯在某一特定亮度下的有效光效。并将有效光效除以标称光效（产品目录上列出的明视觉光效），其比值称为有效光效系数。在理论计算的基础上，我们采用视野作为评价驾驶员周边探测能力的量进行了实验，通过模拟夜间驾驶条件，比较了在纳米陶瓷阴极灯和金属卤化物灯、高压钠灯三种光源照明的条件下受测者视野的变化。实验结果证实，在对周边探测的影响上，纳米陶瓷阴极灯要比金属卤化物灯、高压钠灯有效。该结果与有效的光效系数的计算值基本符合