光源光色對(duì)隧道照明效果的影響

劉英嬰，翁 季，陳建忠，陳仲林

（1.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；教育部山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

在照明對(duì)視覺(jué)功效影響的研究中，20世紀(jì)幾乎都集中在照明的數(shù)量，也就是照度（亮度）水平對(duì)于視覺(jué)敏銳度或?qū)Ρ让舾卸鹊挠绊?，而研究光源的光譜（光色）對(duì)于視覺(jué)功效的影響者卻是鳳毛麟角［1］。較早涉及這個(gè)問(wèn)題的Smith等［2］系統(tǒng)地研究了照明水平和光譜這兩者的作用，使用了冷白色熒光燈，金鹵燈和高壓鈉燈3種光源進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光源光譜對(duì)于作業(yè)效能或難度的評(píng)價(jià)并無(wú)統(tǒng)計(jì)上顯著的影響。Berman［3］發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上的桿體細(xì)胞對(duì)于瞳孔大小以及在一般室內(nèi)照明條件下感知的亮度，具有顯著的影響，并且也是感知白色光的視亮度的主要決定因素。他們?yōu)榇诉M(jìn)行了一系列研究以證實(shí)光的光譜對(duì)于非彩色的視覺(jué)效能具有顯著的作用。上世紀(jì)末，迪倫·姜［4］總結(jié)了各國(guó)獨(dú)立進(jìn)行的研究實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光色極大地影響著人類(lèi)視覺(jué)的適應(yīng)能力。研究結(jié)果表明在低照明水平下藍(lán)／綠色光源的有效光輸出會(huì)增加，而與此對(duì)應(yīng)的黃色光源的有效光輸出會(huì)下降。2002年，美國(guó)布朗（Brown）大學(xué)的學(xué)者David Berson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，確認(rèn)了人眼的非視覺(jué)效應(yīng)，并稱(chēng)為 Cirtopic［5－6］。Cirtopic具有與明視覺(jué)、中間視覺(jué)和暗視覺(jué)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)，而瞳孔大小變化與視覺(jué)功效密切相關(guān)［7－8］。此后，張青文等［9］進(jìn)行了光源色溫對(duì)隧道及道路照明視覺(jué)功效影響的研究，研究成果表明用高色溫的緊湊型熒光燈照明能縮短反應(yīng)時(shí)間，而低色溫的緊湊型熒光燈則會(huì)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，LED光源及其光色研究已逐漸成為照明研究的新“熱點(diǎn)”［10］，新型光源在隧道照明中的應(yīng)用也成為照明研究的發(fā)展方向。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)［11－12］均是參照國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）上個(gè)世紀(jì)明視覺(jué)光度學(xué)和色度學(xué)系統(tǒng)制訂的，只考慮了隧道照明的亮度水平，沒(méi)有考慮光源的光色對(duì)照明水平的影響，更沒(méi)有考慮光生物效應(yīng)對(duì)實(shí)際視覺(jué)效果的影響，特別是對(duì)于新型光源LED的光色研究還很不深入。本文正是針對(duì)以上問(wèn)題，采用視覺(jué)功效的實(shí)驗(yàn)方法，將不同色溫的LED光源與傳統(tǒng)隧道照明光源高壓鈉燈、金鹵燈相比較，結(jié)合光生物效應(yīng)的研究成果，深入探討光源光色對(duì)隧道照明的影響。通過(guò)研究以提出適用于隧道照明特點(diǎn)的光源，進(jìn)而為制定更加科學(xué)合理的隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)，最終利于實(shí)現(xiàn)隧道照明的安全與節(jié)能。

1 光源光色與反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

反應(yīng)時(shí)間是衡量駕駛員視覺(jué)功效的一個(gè)重要指標(biāo)。反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)旨在模擬隧道照明的駕駛環(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)間以及瞳孔的大小，來(lái)獲得光源色溫與反應(yīng)時(shí)間和瞳孔大小之間的變化關(guān)系。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

實(shí)驗(yàn)中用隨機(jī)出現(xiàn)的圓斑作為目標(biāo)，以模擬隧道照明中可能出現(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。實(shí)驗(yàn)采用7種光源：150W 高壓鈉燈（HPS）、150W 金鹵燈（MH）、5種色溫的LED燈提供背景亮度和目標(biāo)亮度。因?yàn)橛赏环N光源提供光亮度，所以目標(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。為了與實(shí)際的遂道照明視看環(huán)境相符，實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整目標(biāo)的不同灰度（反射比），來(lái)達(dá)到不同的負(fù)對(duì)比值。為了保證既有中央視覺(jué)又有周邊視覺(jué)，目標(biāo)可以在軸線(xiàn)或非軸線(xiàn)上出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)受測(cè)者一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即以最快的反應(yīng)按下按鈕，由電子計(jì)時(shí)儀記錄其反應(yīng)時(shí)間。與此同時(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。

參與實(shí)驗(yàn)的一共有5名受測(cè)者（年齡20～24歲，3男2女），所有的受測(cè)者都擁有正常的色覺(jué)和矯正視力。在開(kāi)始每組實(shí)驗(yàn)前，受測(cè)者首先戴上iView X眼動(dòng)儀進(jìn)行瞳孔校正。因?yàn)槿搜蹖?duì)亮適應(yīng)的時(shí)間要短一些，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)背景亮度是從暗到亮進(jìn)行的。受測(cè)者用30min來(lái)適應(yīng)較暗的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)3種不同的視標(biāo)對(duì)比度，每一種對(duì)比度下測(cè)試3個(gè)背景亮度的反應(yīng)時(shí)間。每一種背景亮度下測(cè)試15次反應(yīng)時(shí)間，即在3個(gè)視標(biāo)偏心角0°（軸線(xiàn)）、10°（從0°水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）、－10°（從0°水平逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）位置上隨機(jī)各測(cè)試5次。在每一次實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)物出現(xiàn)后如果受測(cè)者無(wú)反應(yīng)，目標(biāo)物在持續(xù)出現(xiàn)2s后消失。在每種亮度條件開(kāi)始前受測(cè)者有1min的適應(yīng)時(shí)間。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)中提出了在遂道照明條件下4個(gè)影響視覺(jué)功效的變量（Lb、C、θ、TCP）作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

背景亮度Lb：依據(jù)隧道照明的特點(diǎn)，不同照明區(qū)段的最低亮度值不同，確定了3個(gè)背景亮度值，分別代表是：入口段80cd／m2，過(guò)渡段45cd／m2，中間段4.5cd／m2。

視標(biāo)對(duì)比度C：由于在隧道照明中最常出現(xiàn)亮背景下觀察暗目標(biāo)，因此亮度對(duì)比值應(yīng)采取負(fù)數(shù)，即目標(biāo)亮度小于背景亮度。而目前的隧道照明研究均采用的是正對(duì)比，所以需要對(duì)其進(jìn)行修正。根據(jù)一般遂道照明標(biāo)準(zhǔn)的亮度對(duì)比設(shè)置3種對(duì)比度，其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)亮度見(jiàn)表2示。

目標(biāo)隨機(jī)出現(xiàn)的位置造成不同的視標(biāo)偏心角，分為視軸和非視軸2種，對(duì)應(yīng)于中央視覺(jué)和周邊視覺(jué)。

表2 不同對(duì)比度對(duì)應(yīng)的目標(biāo)亮度Ltcd／m2

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光源光色與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系

反應(yīng)時(shí)間是指對(duì)于每種測(cè)試條件下，從視標(biāo)出現(xiàn)（電子快門(mén)打開(kāi)）到受測(cè)者按下按鈕的時(shí)間之差。對(duì)所有受測(cè)者在不同照明條件下的反應(yīng)時(shí)間取平均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 7種光源色溫條件下的反應(yīng)時(shí)間 ms

7種光源對(duì)于3種對(duì)比度，在背景亮度為L(zhǎng)b＝80、45、4.5cd／m2的反應(yīng)時(shí)間如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 Lb＝80cd／m2反應(yīng)時(shí)間

圖2 Lb＝45cd／m2反應(yīng)時(shí)間

圖3 Lb＝4.5cd／m2 反應(yīng)時(shí)間

分析上述3圖可以看出，在較高的背景亮度Lb＝80、45cd／m2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間最短的是 LED4。LED4的色溫為5128K，是7種光源中色溫最高的。其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間比最長(zhǎng)的金鹵燈縮短了28%以上，說(shuō)明高色溫的LED光源在較高的照明水平條件下視覺(jué)功效最高。金鹵燈的色溫為2739K，在7種光源中色溫并不是最低的。色溫為2432K的LED2，雖然色溫值與金鹵燈相近，但是在較高照明水平下的反應(yīng)時(shí)間卻比金鹵燈平均縮短了18%，而在中間視覺(jué)照明水平時(shí)兩者卻很接近。這說(shuō)明視覺(jué)功效不僅與光源的色溫和照明水平有關(guān)，而且與光源的光譜能量分布SPD密切相關(guān)，見(jiàn)圖4所示。比較圖4（a）、（b），可以看出LED2的相對(duì)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450nm左右有一個(gè)明顯的突起。這個(gè)比較說(shuō)明了即使色溫接近的光源由于光譜分布不同，對(duì)于人眼視覺(jué)功效的影響也顯著不同。選擇SPD連續(xù)性較好且富含短波較多的光源，在較高的照明水平下可以提高視覺(jué)功效。在背景亮度Lb＝4.5cd／m2時(shí)，反應(yīng)時(shí)間最短的是LED3。LED3色溫為3683K，屬于中間色溫，其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間比最長(zhǎng)的高壓鈉燈縮短了20%以上，說(shuō)明中間色溫的LED光源在中間視覺(jué)的照明水平下視覺(jué)功效最高。

圖4 MH與LED2相對(duì)光譜能量分布比較

2.2 光源光色與瞳孔變化關(guān)系

瞳孔變化值是與每次反應(yīng)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的。iView X眼動(dòng)儀會(huì)自動(dòng)記錄下受測(cè)者在每種測(cè)試條件下每隔20ms的瞳孔面積。將受測(cè)者按下按鈕時(shí)的瞳孔面積A2減去視標(biāo)出現(xiàn)（電子快門(mén)打開(kāi)）時(shí)的瞳孔面積A1的差值，即為瞳孔變化值。

對(duì)所有受測(cè)者在不同照明條件下的瞳孔變化值取平均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 7種光源色溫條件下的瞳孔變化值mm2

從表4可以看出，除了LED4，其它光源的瞳孔變化值隨著背景亮度的減小而減小，說(shuō)明瞳孔在視看目標(biāo)時(shí)隨著背景亮度的減小收縮得越明顯。但是LED4卻相反，在背景亮度最大時(shí)瞳孔變化值最?。ㄘ?fù)值），即在高亮度水平下瞳孔收縮得越突出。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)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高色溫的光源在高亮度水平下光生物效應(yīng)越明顯。

在背景亮度Lb＝80、45cd／m2時(shí)，除了LED4以外，其它光源的瞳孔變化值都為正值。說(shuō)明在較高的照明水平下，由于入射光很強(qiáng)，為了控制進(jìn)入視網(wǎng)膜光線(xiàn)的強(qiáng)度，人眼的瞳孔先是收縮的。當(dāng)視標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，人眼為了調(diào)節(jié)進(jìn)光量瞳孔會(huì)自動(dòng)放大。但是在LED4的照明條件下，瞳孔變化值卻為負(fù)值，說(shuō)明LED4在較高的照明條件下仍會(huì)使人眼的瞳孔收縮，這充分說(shuō)明高色溫的光源在較高的照明水平下具有更明顯的光生物效應(yīng)。前面提到瞳孔收縮有利于提高視覺(jué)功效，這與圖1、圖2中對(duì)應(yīng)的LED4反應(yīng)時(shí)間最短是相吻合的。而金鹵燈在較高照明水平下對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值都是最大（正值），說(shuō)明金鹵燈使人眼的瞳孔在較高照明水平下放大得最大，這樣不利于提高視覺(jué)功效，這與圖1、圖2中對(duì)應(yīng)的MH反應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)也相吻合。

在背景亮度Lb＝4.5cd／m2時(shí)，除了MH和HPS對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值為正值，所有的LED燈對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值都為負(fù)值。說(shuō)明在中間視覺(jué)的照明水平下，LED燈會(huì)使人眼瞳孔收縮，而金鹵燈和高壓鈉燈卻會(huì)使瞳孔放大，其光生物效應(yīng)明顯比LED燈弱，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間也比LED燈長(zhǎng)，如圖3所示。在所有LED燈中，色溫為3686K的LED3的瞳孔變化值最?。ㄘ?fù)值），表明在中間視覺(jué)的的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收縮得最顯著，光生物效應(yīng)最強(qiáng)，這與圖3中顯示的LED3的反應(yīng)時(shí)間最短相吻合。

3 光源光色對(duì)隧道照明效果的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，光源的色溫和光譜分布與反應(yīng)時(shí)間和瞳孔大小是密切相關(guān)的，并且與照明水平也是有關(guān)系的。3種照明水平由高到低分別對(duì)應(yīng)的是隧道照明的入口段、過(guò)渡段、中間段。在入口段和過(guò)渡段照明水平較高時(shí)，高色溫5128K的LED4的反應(yīng)時(shí)間最短，表明視覺(jué)功效最高；與此對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值也最?。ㄘ?fù)值），說(shuō)明瞳孔收縮有利于提高視覺(jué)功效，光生物效應(yīng)最顯著。而中間段屬于中間視覺(jué)水平，中間色溫3686K的LED3的反應(yīng)時(shí)間最短，視覺(jué)功效最高；與此對(duì)應(yīng)的瞳孔變化值也最?。ㄘ?fù)值），說(shuō)明中間色溫在中間段的光生物效應(yīng)最顯著。

圖5 LED4與LED3光譜能量分布比較

分析比較LED4和LED3的光譜能量分布圖可以發(fā)現(xiàn)，如圖5所示，LED4和LED3的光譜分布寬度及連續(xù)性都較好，明顯優(yōu)于金鹵燈（見(jiàn)圖4）。LED4的最高峰值在460nm附近，正好處于光生物效應(yīng)Cirtopic的峰值敏感度區(qū)域［7］，且輻射量數(shù)值達(dá)到1.5×10－3，明顯偏向短波方向。另一個(gè)突起位于560nm附近，但是輻射量數(shù)值只有1×10－3。LED4的光譜分布明顯向藍(lán)綠光方向積聚，這充分證實(shí)了Berman關(guān)于Cirtopic的最大光譜靈敏度處于藍(lán)色光區(qū)域內(nèi)，并且在高照明水平時(shí)很活躍［8］，即光源中藍(lán)綠光成份含量越多高照明水平時(shí)光生物效應(yīng)越顯著。而LED3的最高峰值在580nm附近，向長(zhǎng)波方向偏移，雖然在460nm附近也有一個(gè)突起，但輻射量數(shù)值只達(dá)到了6×10－4，不到LED4的一半。LED3的光譜分布明顯向黃綠光方向積聚，在中間視覺(jué)的照明水平時(shí)具有較明顯的光生物效應(yīng)。LED4和LED3的光譜能量分布的不同不僅決定了兩者色溫的不同，而且對(duì)不同照明水平時(shí)的反應(yīng)時(shí)間與瞳孔大小的影響也顯著不同。反應(yīng)時(shí)間是視覺(jué)功效的重要指標(biāo)，而瞳孔大小是光生物效應(yīng)的本質(zhì)表現(xiàn)。研究光源光色對(duì)隧道照明的影響正是基于光源的色溫和光譜分布對(duì)視覺(jué)功效和光生物效應(yīng)的綜合影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合以上的分析和研究，色溫在5000K左右，光譜分布偏向藍(lán)綠光的LED4最適宜隧道照明的入口段和過(guò)渡段；而色溫在3500K左右，光譜分布偏向黃綠光的LED3最適宜隧道照明的中間段。

在隧道照明研究中，光源的光色是一個(gè)不可忽略的重要因素。在隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定中如果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(jué)功效和光生物效應(yīng)的影響，其結(jié)果必然是不能科學(xué)地評(píng)價(jià)隧道照明水平和隧道照明光源，造成能源的浪費(fèi)和交通安全問(wèn)題。相信隨著這方面研究的不斷深入，在未來(lái)的隧道照明設(shè)計(jì)和實(shí)施中，可以更合理地選擇適用隧道照明各區(qū)段的光源。在今后制定隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)能更加科學(xué)地確定隧道照明水平，在保證安全的同時(shí)促進(jìn)隧道照明節(jié)能，從而解決隧道照明中節(jié)能與安全的矛盾。

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