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工研院超越照明研究所在《Building and Environment》上发表学术论文
发布时间:2022-09-20        浏览次数:642

        近日,复旦大学工程与应用技术研究院(以下简称“工研院”)超越照明研究所健康照明与光品质课题组博士生胡治国、硕士生张鹏聪为共同一作的题为“The impact of melanopic illuminance and CCT on spatial brightness perception of illuminated interiors and energy-saving implications”(视黑素等效照度和相关色温对室内空间视亮度感知的影响及其节能意义)的学术论文在国际学术期刊《Building and Environment》(中科院工程技术1区TOP,JCR Q1)上在线发表。复旦大学工研院戴奇研究员为通讯作者。


论文简介

       传统的室内照明旨在提高视觉功效,这往往需要通过提供较高的水平工作面照度来实现。近年来,随着科技的进步和工作方式的改变,需要较高水平工作面照度的视觉任务逐渐减少:复杂困难的精细工作可由自动化技术完成,纸质作业也逐渐被自发光屏幕的电子作业方式所取代。而仅考虑提高水平工作面照度、忽视整体空间明亮程度感知,这不仅对光环境品质的提升作用有限且不利于节能。因此,现代室内照明越来越重视空间明亮程度的外观表现。空间的明亮程度(即空间视亮度)受到照明的光谱功率分布(Spectral power distribution, SPD)的影响,然而,基于明视觉光谱光视效率V(lambda)函数定义的传统光度学指标(诸如照度、亮度等)不适用于空间视亮度的量化评价,探究照明光谱层面对空间视亮度的影响要素,对于提高建筑环境照明(约占全球电力能耗的20%)的能效具有重要意义。


本文主要工作

       在本工作中,研究团队在无窗实验室空间中开展了一系列空间视亮度评价实验,该空间安装了多个由团队自主研发的10通道光谱连续可调、基于多色混光算法光参数独立可控的LED灯具,在视线方向上为观察者提供光谱精准设计的间接光。通过精准控制各项关键光谱参数:包括明视觉照度(photopic illuminance)、S型视锥细胞等效照度(cyanopic illuminance)、视黑素等效照度(melanopic illuminance)和相关色温(CCT)等,可实现在相同明视觉照度(100 lx)、S型视锥细胞等效照度、相近色温(4000 K)条件下,多种具有不同视黑素等效照度的同色异谱光谱方案。研究团队创新性地提出了一种比较不同照明光谱条件下空间视亮度感知差异的心理物理学量化评价方法。实验结果表明,在相同照度/亮度、不同照明光谱组成下,人眼所感知的空间视亮度可具有极大差异:为达到相同空间视亮度,不同照明光谱所需的照度可相差40%以上,而通常认为仅参与非视觉效应的视黑素等效照度对空间视亮度的感知具有重要的正向贡献(如图1所示)。此外,研究发现,视黑素等效照度和相关色温对空间视亮度感知的影响存在不同的光照强度依赖行为(如图2所示):在较低照度条件时,相关色温的影响占据主要作用;而在较高照度条件下,视黑素等效照度的作用占据主导地位。更进一步,如图3所示,在固定的明视觉照度强度下,M/P比值(视黑素等效照度与明视觉照度的比率)与空间视亮度的感知具有明显的正相关关系,因此它可作为评价照明光谱能否有效提供空间视亮度感知的重要参数。这项研究成果的应用可有效提高建筑室内空间照明的能源利用效率。

图1 实验结果:在相近色温(4000K)、相同明视觉照度(100 lx)和S型视锥细胞等效照度下,不同视黑素等效照度对空间视亮度的感知具有显著影响,且呈正相关关系:相同照度下,随着视黑素等效照度的提高,感受到的空间视亮度更高

图2 实验结果:在相同明视觉照度(100 lx)条件下,不同色温与视黑素等效照度对空间视亮度感知的影响存在不同的光照强度依赖行为:在较低照度条件时,相关色温的影响占据主要作用;而在较高照度条件下,视黑素等效照度的作用占据主导地位

图3 实验结果:M/P比值与照明光谱的空间视亮度感知之间呈正相关关系


结论

       本研究工作提出了一种比较不同照明光谱条件下空间视亮度感知差异的心理物理学量化评价方法,论证了传统上认为只负责光的非视觉效应的ipRGC感光细胞刺激(视黑素等效照度melanopic illuminance)对空间视亮度感知具有重要的正向作用,这为今后建筑室内照明中能源利用效率的提升以及空间明亮感光环境品质的提升提供了新思路。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.b uildenv.2022.109524