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照明亮度差 2013/8/19 22:06:18
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                  道路照明的评价指标
现有照明设计规范虽然有照度和亮度两套标准,其中涵盖了照度和亮度的量值大小,均匀度的量值等等,但是这些的研究对象有的是针对工作面,有的是针对光源,唯独直接针对人的指标没有。我们知道,从视觉上看一般认为环境应该是一种容易辨认的亮度分布,它提供人们一种空间信息的分布,人们可以从中获得空间的组织情况,于是亮度分布成为了人们视觉辨认的一个重点。有了亮度分布的均衡,便给人们提供了一种视觉辨认的起点。而且已经证明,人的视觉主要取决于目标与其背景之间的亮度差[1]。这个亮度差接近道路照明的另一个指标——可视度。
4.1亮度差的电路计算模型
同时一般而言,辨认一事物有两种方法,一种是事物之间有颜色差,一种是事物之间有亮度差;一般对于照度值高的场所可以采用颜色差,比如教室、客厅等场所;而对于照度值低的场所则采用亮度差,比如大型仓库、车库,室外道路等场所,所以对于这些照度设计值低的场所,有关亮度的定量计算应该是一个亟待解决的任务。
亮度差和视觉性能的关系如下表[2]:
 
本章介绍了一种计算亮度差的数学模型,该模型能够较好的解决亮度差的定量计算问题,它能为今后可见度的定量计算提供一种计算思路。
 
4.2.1光通传递理论[3]
 
图1 光通量的传递
假设各个面满足完全漫反射的条件,则光通传递理论可以简要介绍如下:
                                   (1)
由面 射向 的光通量:
         (2)    
由 射向 的光通量:
                                (3)   
由面 发出的全部光通量:
                                                      (4)  
  面 射到面 的光通量占面 发出的全部光通量之比:
                      (5)
称为面 发出的光通量传递到面 的传递系数,简称 到 的传递系数。
同理,面 射到面 的传递系数:
                   (6)
因为 ,所以有:
    (可逆定理)                                       (7)
可逆定理的含义:从表面c发出的落到表面f的光通等于整个表面c发射的光通乘以形状系数 而表面c的总辐射光通量等于 ( 为表面c的最终发光度, 是表面c的面积)。
4.2.2亮度差计算模型
 在室外的道路照明中,可以设想有 面,由 入射到 的光通量为 ,则从 面入射到 面上的光通量为 ,因此面 的平均最终光出光度 可以由下式计算:
                              (8)
式中   ——为面 的反射比;
 ——光源的直接落到 上所形成的初始面发光度;
由于,                      (9)
所以,   (10)
由可逆定理可得到,             (11)
最终得到,                     (12)
同理可得其他各个平面
                              (13)
……         ……     ……           
                             (14)
考虑到各面为非平面时,要加上 ,即各面对自身的光通量的贡献。则式(12)至(14)写成矩阵形式为:
                    (15)
当各面形成一个封闭曲面时有 则:   (16)
那么,                                   (17)
把上式带入到(12)式整理得, (18)
同理得到:           (19)
                              …      …              …             …
   (20)
如果把除被照明面以外的各个面看做是二次光源,那么,到此已经把光源出光度的数学模型建立起来[4]。
 
出光度是针对光源的,亮度才是针对人们的,所以需要把出光度转换成亮度。对于完全漫反射情况下:
 
式中   M——出光度;
L ——亮度;
而且可以证明在同一高度下任何方向上的亮度都是一样的[5]。将 代入到(18)~(20)式,则有
 
                    (21)
                  (22)
…      …          …       …
                  (23)
 

(21)~(23)式就是亮度差的计算模型,其中 是i面和j面的亮度差 ,如果把亮度差 , 定义为光压 和 (类似为电压),把 称之为几何光阻 ,则 为几何光纳 , 定义为表面反射光阻 ,那么(21)~(23)就是与文献4所表达的出光度相似的亮度(亮度差)计算模型的基尔霍夫电流方程,由此我们把亮度差问题转化为电路问题来求解。
4.2.3结论
从总体上讲,关于照明的指标参数,一般理解为照度是对于工作面来说的,出光度是对于光源来说,而亮度或者可视度才是直接针对观察者来说的,所以亮度的计算更加显得重要。由于种种客观原因的限制,照明设计中一般是按照照度标准要求来设计,所以照度值是设计量值,而亮度分布的量值一直是靠亮度计的测量来实现,使得照明设计中没有定量的亮度设计值。文献4提出建立了出光度的数学模型,但是对于照明设计者和使用者来说,亮度才是目标,所以总是希望得到亮度值,特别是亮度差,因为它直接决定人们的视觉辨别能力,故建立亮度差的数学模型要比建立出光度的数学模型更有意义,同时它也为今后可见度引进照明设计标准提供一种计算思路。
[参考文献]
[1]  国际照明委员会第十八次大会论文选,中国建筑出版社,1979。
[2] [美]M.戴维.埃甘,维克多.欧尔焦伊  著, 建筑照明,中国建筑工业出版社,2006年1月原著第二版P15-P25。
[3] 丁新东, 姚加飞,张玉兰,  一种点照度的计算方法,照明工程学报,2008 18(14)。[4]  [日] 石野幸三  著,肖辉乾,庞蕴凡译, 室内照明计算方法, 计量出版社,1984。 
[5]  俞丽华  著,  电气照明, 同济大学出版社, 2001年9月第二版。

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