Фотометричні вимірювальні системи в світлотехніці: аналіз параметрів фотопічного та скотопічного просвіту
Кевін Рао 1 грудня 2025 р
Для оптичної оцінки систем освітлення потрібні стандарти вимірювання, засновані на фізіологічних характеристиках людського зору. Сітківка людини містить два типи фоторецепторних клітин: колбочки і палички, що відповідають різним кривим спектрального відгуку. Міжнародна комісія з освітлення (CIE) відповідно визначила функцію фотопічної світлової ефективності V(λ) і скотопічної функції світлової ефективності V'(λ), встановивши дві незалежні фотометричні системи вимірювання.
Стандарт вимірювання фотопічного просвіту
Фотопічні люмени базуються на кривій відгуку CIE 1931 Standard Observer, причому пік чутливості вимірюється в жовто-зеленій області 555 нм. Ця система застосовується до освітлювальних середовищ із яскравістю понад 3 кд/м², що відповідає денним зовнішнім умовам і стандартним робочим місцям у приміщенні. Вимірювальні прилади відкалібровані відповідно до стандарту ISO/CIE 19476, вимагаючи індексу спектральної невідповідності f1' менше або дорівнює 3%.
У проектуванні промислового освітлення фотопічне значення світлового потоку прямо корелює з вимогами до освітленості, зазначеними в таких стандартах, як GB50034-2013. Для підтримки освітленості 500 люкс на офісному робочому столі необхідна світлова щільність не менше 300 лм/м².
Принцип вимірювання скотопічного просвіту
Скотопічні просвіти базуються на скотопічній функції CIE 1951 V'(λ) із піковою чутливістю при 507 нм у синьо-зеленій області. Ця система вимірювання підходить для середовищ з яскравістю нижче 0,01 кд/м², наприклад, в умовах місячного освітлення або глибоко під землею. Скотопічне вимірювання вимагає використання фотометричних зондів, адаптованих до темряви, відповідно до посібника CIE 198:2011 для мезопічної фотометрії.
Параметри скотопічного просвіту відіграють вирішальну роль у проектуванні перехідних зон у тунельному освітленні. Відповідно до специфікації JTG/T D70/2-01-2014, освітленість у секціях входу в тунель повинна бути розроблена з градієнтною кривою спаду на основі значень скотопічного просвіту.
Порівняльна таблиця технічних параметрів
| Розмір вимірювання | Система фотопічного просвіту | Система скотопічного просвіту |
|---|---|---|
| Еталонний стандарт | Функція CIE 1931 V(λ). | Функція CIE 1951 V'(λ). |
| Пікова довжина хвилі | 555 нм | 507 нм |
| Застосовна яскравість | >3 кд/м² | <0.01 cd/m² |
| Тип клітини | Колбочки | Паличкові клітини |
| Вимірювальний інструмент | Фотометр Л-1000 | Темна-адаптована система зондів |
| Спектральне зважування | Підкреслює жовто-зелений спектр | Підкреслює синій-зелений спектр |
| Інженерне застосування | Внутрішнє робоче освітлення | Освітлення доріг і тунелів |
| Стандартний документ | ISO/CIE 19476 | CIE 198:2011 |
Інженерне застосування співвідношення S/P
Співвідношення S/P визначається як відношення скотопічних люменів джерела світла до його фотопічних люменів. Цей параметр має практичне значення в дизайні мезопічного освітлення. Відповідно до CIE 191:2010, мезопічне середовище коливається від 0,01 до 3 кд/м², що відповідає міському вуличному освітленню та парковочним зонам.
Джерела світла з високим співвідношенням S/P забезпечують вищі візуально ефективні люмени для того самого світлового потоку. У інженерній практиці світлодіодні джерела світла з коефіцієнтом S/P вище 1,2 можуть зменшити щільність потужності освітлення доріг на 15-20%, зберігаючи еквівалентну візуальну видимість.
Технологія спектральної оптимізації
Налаштування комбінацій довжин хвиль світлодіодного чіпа та співвідношення люмінофорів дозволяє точно контролювати співвідношення S/P джерела світла. Використовуючи 450-нм блакитні мікросхеми з вузькими люмінофорами-FWHM, можна досягти оптимізованих спектрів із співвідношенням S/P 1,3-1,5. Такі джерела світла в освітленні доріг можуть скоротити час реакції водія на 0,2-0,3 секунди.
Сценарії промислового застосування
Дизайн дорожнього освітлення
Відповідно до стандарту CJJ45-2015, освітлення для швидкісних доріг має комплексно враховувати параметри фотопічної освітленості та скотопічної яскравості. У процесі проектування використовуються мезопічні фотометричні моделі для оптимізації енергоефективності шляхом коригування співвідношення S/P. Фактичні дані проекту показують, що використання світлодіодних вуличних ліхтарів із співвідношенням S/P 1,4 зменшує споживання електроенергії системою на 18%, зберігаючи при цьому ту саму візуальну видимість.
Контроль освітлення тунелів
Освітлення тунелю проектується окремо для зони входу, зони переходу, зони інтер'єру та зони виходу. Освітлення в перехідній зоні має ґрунтуватися на параметрах скотопічного просвіту, щоб встановити криву спаду яскравості відповідно до моделі експоненціальної функції. Поточні специфікації вимагають, щоб швидкість зменшення яскравості в межах довжини перехідної зони не перевищувала 1:10.
Освітлення промислової безпеки
Освітлення в небезпечних робочих зонах повинно відповідати вимогам як до фотопічної освітленості, так і до скотопічного контрасту. Відповідно до GB/T 26189-2010, системи освітлення в робочих зонах із високим-ризиком повинні мати коефіцієнт S/P не нижче 1,2, щоб забезпечити здатність розпізнавати перешкоди в умовах слабкого освітлення.
FAQ
Метод вимірювання скотопічних просвітів
Скотопічне вимірювання просвіту повинно проводитися в темній кімнаті, при цьому зонди проходять 30-хвилинну темнову адаптацію. Спектральну характеристику вимірювальної системи необхідно відкалібрувати за функцією V'(λ) з вимогою до невизначеності калібрування, що дорівнює або менше 5%.
Стандартний діапазон для співвідношення S/P
Співвідношення S/P для світлодіодних джерел загального освітлення становить від 0,8 до 1,5. Рекомендується, щоб джерела, призначені для освітлення доріг, мали співвідношення S/P від 1,2 до 1,4. Джерела нижче 0,9 не підходять для мезопічних середовищ.
Коефіцієнт перетворення інженерних застосувань
У мезопічних середовищах коефіцієнт перерахунку між фотопічною освітленістю та скотопічною яскравістю становить 0,8-1,2, при цьому конкретне значення залежить від рівнів навколишнього освітлення та спектрального розподілу джерела світла.
Вимоги до сертифікації засобів вимірювальної техніки
Прилади для скотопічного вимірювання повинні мати сертифікат CNAS. Сертифікати калібрування повинні містити дані про відповідність V'(λ). Дрейф приладу необхідно контролювати в межах 3% протягом річного циклу калібрування.
Перевірка стандартної відповідності
Пропозиції щодо дизайну освітлення мають надсилатися разом із-звітами про лабораторні випробування третьої сторони. Звіти мають містити спектральний розподіл потужності джерела світла, співвідношення S/P і розраховані дані мезопічної яскравості.
Посилання на технічний стандарт
CIE 1931 Стандартний колориметричний спостерігач Спектральні тристимульні значення
CIE 1951 Scotopic Spectral Luminous Efficiency Function
ISO/CIE 19476:2014 Специфікація калібрування фотометра
CIE 191:2010 Рекомендована система для мезопічної фотометрії
JTG/T D70/2-01-2014 Детальні правила проектування освітлення тунелів шосе
