LED光源色溫對(duì)隧道照明入口段和中間段的影響

劉英嬰 張青文 胡英奎

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045;2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

1 引言

我國屬于多山地國家，經(jīng)濟(jì)的騰飛帶動(dòng)高速公路的快速發(fā)展需要建設(shè)大量的隧道。由于隧道照明的特殊性——白天黑夜均需要照明，隧道照明會(huì)比道路照明消耗更多的電能;在白天，駕車經(jīng)過隧道的入口段和中間段時(shí)的視覺適應(yīng)和照明要求截然不同，隧道照明質(zhì)量的好壞將直接影響行車安全。隧道照明研究如果跟不上公路隧道建設(shè)的高速發(fā)展，所引發(fā)的交通事故和高能耗必然日益嚴(yán)重。但是，目前現(xiàn)行有關(guān)的公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［1］均是參照國際照明委員會(huì)CIE上個(gè)世紀(jì)明視覺光度學(xué)和色度學(xué)系統(tǒng)制訂的，而且只考慮了隧道路面的亮度或者照度水平，而沒有考慮光源的色溫和光譜分布對(duì)照明效果的影響。特別是新型光源LED的研究，已成為全世界研究的“熱點(diǎn)”，我國也正在積極地加以推廣和應(yīng)用［1］。2002年美國布朗 (Brown)大學(xué)的 David Berson等學(xué)者在人眼視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第3種感光細(xì)胞——神經(jīng)結(jié)細(xì)胞，它能由進(jìn)入人眼的輻射所產(chǎn)生的生物效應(yīng)而獲得對(duì)外界的認(rèn)識(shí)，并稱為cirtopic［4］。它具有與明視覺、中間視覺和暗視覺不同的光譜響應(yīng)特性，其中瞳孔大小隨光照變化是一種重要的光生物效應(yīng)［4］，而瞳孔大小變化與視覺功效密切相關(guān)。近幾年的研究成果表明［5］、［6］，光源的色溫及光譜功率分布SPD對(duì)視覺功效與光生物效應(yīng)均有直接影響。因此，為了正確評(píng)價(jià)光源色溫對(duì)隧道入口段和中間段照明的影響，需要進(jìn)行視覺功效與光生物效應(yīng)的綜合研究，以提出適用于隧道照明不同區(qū)段的光源，進(jìn)而使隧道照明的設(shè)計(jì)與實(shí)施更加符合人眼視看的實(shí)際情況，最終利于實(shí)現(xiàn)隧道照明的安全節(jié)能。

2 隧道入口段和中間段的視覺特點(diǎn)

隧道的產(chǎn)生正是因?yàn)榈缆沸枰┰綄?shí)體，因此它的兩側(cè)和頂部是封閉的，只有在隧道的兩端洞口能接受到自然光的照射。這種特殊的構(gòu)造會(huì)造成隧道入口段和中間段的亮度差異，人眼為了適應(yīng)不同的亮度差異會(huì)產(chǎn)生不同的視覺問題，因此隧道入口段和中間段具有不同的視覺特點(diǎn)。

在白天，當(dāng)駕駛員接近隧道入口段時(shí)，由于隧道洞口外的亮度很高，駕駛員看到的將是一個(gè)黑洞，這是“黑洞”現(xiàn)象。從明亮的隧道外進(jìn)入黑暗的隧道內(nèi)屬于暗適應(yīng)，人眼不能馬上感知空間的詳細(xì)情況，即產(chǎn)生“適應(yīng)的滯后現(xiàn)象”。這是由于人眼的視覺系統(tǒng)暗適應(yīng)時(shí)間比明適應(yīng)長。在暗適應(yīng)過程中，眼睛從明到暗，開始靈敏度很低，然后逐漸增加，最后達(dá)到穩(wěn)定和清晰。雖然人眼的視覺系統(tǒng)能適應(yīng)周圍環(huán)境亮度的巨大下降，但是這個(gè)適應(yīng)時(shí)間的長短取決于亮度降低的量級(jí)。亮度差異越大，適應(yīng)需要時(shí)間越長。這表示在一定的行車速度下，隧道內(nèi)外亮度差異越大，駕駛員需要的視覺適應(yīng)距離越長。

在隧道的中間段，由于相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)，汽車廢氣和灰塵不容易及時(shí)排散，積聚會(huì)形成煙霧，影響駕駛員的可見度。中間段還存在中間視覺效應(yīng)的影響。從明視覺過渡到暗視覺的過程中，人眼的光譜靈敏度是逐漸變化的，整個(gè)光譜靈敏度曲線逐漸由長波向短波方向推移。人眼對(duì)黃色光和紅色光(貧含暗視覺光譜)的靈敏度隨適應(yīng)亮度下降而顯著降低，而對(duì)藍(lán)綠色光 (富含暗視覺光譜)的反應(yīng)卻大大提高。這就是為什么在黃昏亮度較低時(shí)，我們感覺短波方向的藍(lán)光和綠光很明亮;而在亮度很高的白天，波長較長的紅光則顯得明亮。另外，藍(lán)綠色光會(huì)抑制人體內(nèi)褪黑素的分泌，提高機(jī)體的反應(yīng)能力，影響人眼的瞳孔大小，這會(huì)直接影響到駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，即對(duì)視覺功效產(chǎn)生影響。

3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)旨在模擬隧道入口段和中間段的視看環(huán)境，測(cè)量人眼在隧道照明條件下觀測(cè)視標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間以及瞳孔的變化，來獲得反應(yīng)時(shí)間和瞳孔大小與隧道照明因數(shù) (實(shí)驗(yàn)參數(shù))之間的變化關(guān)系。采用七種光源——150W高壓鈉燈 (以下簡稱HPS)和150W金屬鹵化物燈 (以下簡稱MH)以及5種色溫的LED光源。用隨機(jī)出現(xiàn)的圓斑模擬駕車行使中可能出現(xiàn)的障礙物，圓斑直徑為26mm，相對(duì)受測(cè)者的眼睛為2°視場(chǎng)左右。圓斑可以在軸線和非軸線上出現(xiàn)，以保證不僅有中央視覺，而且有周邊視覺，與實(shí)際的遂道照明視看環(huán)境相符。圓斑作為測(cè)試的視標(biāo)，其亮度與背景亮度由同一種光源提供，以保證視標(biāo)亮度和背景亮度具有相同的光譜分布，不存在顏色對(duì)比。視標(biāo)亮度可以任意調(diào)節(jié)與背景亮度成不同的負(fù)對(duì)比。受測(cè)者在特定的視看條件下 (由不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定)，一旦發(fā)現(xiàn)視標(biāo)立即按下按鈕，由電子計(jì)時(shí)儀記錄其反應(yīng)時(shí)間;同時(shí)受測(cè)者戴上iView X眼動(dòng)儀，記錄下每次反應(yīng)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值。在受測(cè)者開始每組實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)眼動(dòng)儀進(jìn)行瞳孔校正，然后用30分鐘來適應(yīng)較暗的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，見圖1。

圖1 反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.1 Experimental text of response time

一共有5名受測(cè)者 (年齡20～24歲，3男2女)參與實(shí)驗(yàn)，所有的受測(cè)者都擁有正常的色覺和矯正視力。實(shí)驗(yàn)采用2種不同的背景亮度，分別對(duì)應(yīng)于隧道的入口段和中間段。每一種背景亮度條件下測(cè)試3種對(duì)比度和15個(gè)目標(biāo)物位置 (其中0°、10°、－10°視角各5個(gè))。每個(gè)受測(cè)者每種光源觀測(cè)90個(gè)數(shù)據(jù):3個(gè)視標(biāo)對(duì)比度×15個(gè)目標(biāo)物位置×2個(gè)背景亮度=90個(gè)，一共七種光源。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置Table 1 Setting experimental datas

4 光源色溫與反應(yīng)時(shí)間研究

反應(yīng)時(shí)間是指對(duì)于每一種測(cè)試條件下，從視標(biāo)出現(xiàn) (電子快門打開)到受測(cè)者按下按鈕時(shí)的時(shí)間之差。對(duì)所有受測(cè)者完成的反應(yīng)時(shí)間取平均值，計(jì)算結(jié)果見表2。

分析表2可以看出，在背景亮度為Lb=80cd/m2時(shí)，對(duì)應(yīng)于隧道照明的入口段，LED4的反應(yīng)時(shí)間最短，MH反應(yīng)時(shí)間最長。表明色溫為5128K的LED4在入口段的照明水平下視覺功效最高，色溫為2739K的MH的視覺功效最低;在背景亮度為Lb=4.5 cd/m2時(shí)，對(duì)應(yīng)于隧道照明的中間段，反應(yīng)時(shí)間最短的是LED3，反應(yīng)時(shí)間最長的是HPS。表明色溫為3683K的LED3在中間段的照明水平下視覺功效最高，色溫為1919K的HPS的視覺功效最低。

LED4的色溫是七種光源中色溫最高的，通過反應(yīng)時(shí)間對(duì)比說明了視覺功效與光源色溫密切相關(guān):當(dāng)照明水平較高時(shí)，高色溫光源的視覺功效明顯高于低色溫的光源;與此同時(shí)，金鹵燈和LED2的色溫同樣在2500K左右，但色溫為2432K的LED2在入口段的反應(yīng)時(shí)間卻遠(yuǎn)小于金鹵燈，這充分說明視覺功效不僅與光源色溫相關(guān)，而且與光源的光譜能量分布SPD相關(guān)，見圖2。從圖2中可以看出LED2的光譜能量分布SPD的連續(xù)性明顯要好于金鹵燈，而且在短波450納米左右有一個(gè)明顯的突起，進(jìn)一步說明了色溫相似而光譜能量分布不同的光源對(duì)照明效果的影響不同。在較高的照明水平下，選擇高色溫且富含短波較多的LED光源，可以提高視覺功效。

表2 七種色溫光源條件下的反應(yīng)時(shí)間 (毫秒)Table 2 Response time(ms)under the light sources condition with 7 kinds of color temperature

而隧道中間段亮度水平為4.5cd/m2，屬于中間視覺水平。LED3的色溫為3683K，屬于中間色溫，表明在中間視覺照明水平下中間色溫的LED光源的視覺功效最高。

在現(xiàn)行隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中，安全停車視距是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)車速一定時(shí)，安全停車視距取決于駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。在入口段，除了LED2和LED3，LED光源的反應(yīng)時(shí)間都要比MH和HPS短;在中間段，所有LED光源的反應(yīng)時(shí)間都要比MH和HPS短，這說明LED光源應(yīng)用于隧道照明可以產(chǎn)生較好的視覺功效。

圖2 MH與LED2光譜能量分布比較Fig.2 Spectral energy distribution comparison of MH and LED2

5 光源色溫與瞳孔變化研究

當(dāng)目標(biāo)的亮度、亮度對(duì)比和視角相同時(shí)，人眼視覺功效好壞是由瞳孔大小確定的:如果照明光源的輻射光譜使人眼的瞳孔收縮得多，視看目標(biāo)就感到清晰，朦朧感少，具有較好的視覺功效;反之，視覺功效就差。瞳孔變化值是與每次反應(yīng)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的。視標(biāo)出現(xiàn)時(shí)受測(cè)者的瞳孔面積為A1，發(fā)現(xiàn)視標(biāo)受測(cè)者按下按鈕時(shí)的瞳孔面積為A2，A2減去A1的差值即為瞳孔變化值。對(duì)所有受測(cè)者的瞳孔變化值取平均值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 七種色溫光源條件下的瞳孔變化值 (mm2)Table 3 Pupil size variation(mm2)under the light sources condition with 7 kinds of color temperatur

從表3可以看出，隨著背景亮度的減小——從隧道入口段到中間段，除了LED4，其他色溫光源對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值都在減小，說明瞳孔隨著背景亮度的減小在視看目標(biāo)時(shí)逐漸收縮。前面提到瞳孔大小隨光照變化是一種重要的光生物效應(yīng)，說明越是低亮度水平下瞳孔為了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)收縮得越厲害，光生物效應(yīng)越明顯。

在背景亮度為Lb=80 cd/m2時(shí)，除了LED4以外其他光源的瞳孔變化值都為正值。說明在高亮度背景下，由于入射光很強(qiáng)為了控制進(jìn)入視網(wǎng)膜光線的強(qiáng)度人眼的瞳孔先是收縮的，隨著視標(biāo)的出現(xiàn)，人眼瞳孔會(huì)自動(dòng)放大來調(diào)節(jié)進(jìn)光量。但是在LED4的照明條件下，瞳孔變化值卻為負(fù)值，說明LED4在入口段照明條件下仍會(huì)使人眼的瞳孔收縮，具有明顯的光生物效應(yīng)。比較LED4和LED3的光譜能量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，LED4光譜的最高峰值在460納米附近，正好處于光生物效應(yīng)cirtopic的峰值敏感度區(qū)域［7］，并且其輻射值是LED3的一倍多;而在長波方向，LED3的相對(duì)能量分布比LED4要多。這充分說明了光生物效應(yīng)與光源中藍(lán)綠光成份含量多少有直接關(guān)系，而且與瞳孔大小有很好的相關(guān)關(guān)系。瞳孔收縮有利于提高視覺功效，這與入口段反應(yīng)時(shí)間LED4最短相吻合。而MH對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值最大 (正值)，說明瞳孔放大的最大，這樣不利于提高視覺功效，與入口段反應(yīng)時(shí)間MH最長也相吻合。

在背景亮度為Lb=4.5 cd/m2時(shí)，即隧道中間段，除了MH和HPS對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值為正值，所有的LED光源對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值都為負(fù)值。說明在中間視覺亮度水平下，LED光源的光生物效應(yīng)明顯比MH和HPS要強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間也明顯比MH和HPS短，如表3所示。在所有LED光源中，色溫為3686K的LED3的瞳孔變化值最小 (負(fù)值)，表明在中間視覺的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收縮得最厲害，光生物效應(yīng)最強(qiáng)，這與中間段LED3的反應(yīng)時(shí)間最短相吻合。

圖3 LED4與LED3光譜能量分布比較Fig.3 Spectral energy distribution comparison of LED4 and LED3

6 結(jié)語

通過以上的研究結(jié)果分析，光源的色溫和光譜分布與視覺功效和光生物效應(yīng)都是密切相關(guān)的。綜合視覺功效和光生物效應(yīng)的影響，色溫在5000K左右，光譜分布偏向藍(lán)綠光的LED4光源最適宜隧道的入口段照明;而色溫在3600K左右，光譜分布偏向黃綠光的的LED3光源最適宜隧道中間段照明。

由此可見，在隧道照明研究中，光源的色溫和光譜分布是一個(gè)不可忽略的重要因素。而目前的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都只考慮隧道路面的亮度或者照度水平，而不考慮光源的色溫和光譜分布對(duì)視覺效果的影響，其結(jié)果必然導(dǎo)致不能科學(xué)地評(píng)價(jià)隧道照明光源和照明水平，造成能源的浪費(fèi)和交通安全問題。由于LED光源的色溫可以人為的調(diào)節(jié)，因此其在隧道照明中的應(yīng)用具有很好的優(yōu)勢(shì)。對(duì)LED光源的色溫和光譜分布還有待進(jìn)一步研究，相信隨著這方面研究的不斷深入，在未來的隧道照明設(shè)計(jì)和實(shí)施中，LED光源可以更好的應(yīng)用于隧道照明，從而解決隧道照明中節(jié)能與安全的矛盾，實(shí)現(xiàn)綠色照明。

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