基于視覺功效法及行人穿行情況下的LED道路照明功效研究

宋佳音 馬劍 劉 剛

(天津大學天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

1 緒論

夜間功能照明是機動車安全行駛的重要保障，而道路照明的光源也經(jīng)歷了一系列的更迭，從煤油燈到高壓鈉燈和LED燈。LED作為新型的功能照明光源，其發(fā)光原理和特性都與之前的光源不盡相同;另外道路照明處于中間視覺范圍內(nèi)，而中間視覺下的人眼光視效率曲線尚處于缺失狀態(tài)，所以針對這種新型光源在中間視覺下的光視效率研究變得尤為重要。自從上世紀80年代開始國際照明界對中間視覺下的人眼光視效率研究越來越重視，CIE對此成立了專門的委員會。本世紀初以來我國開展了針對中間視覺的大量研究，其中重慶大學、浙江大學取得的研究成果最為突出，重慶大學完成了針對高壓鈉燈和金鹵燈的光譜效率研究，得到了反應時間與背景亮度之間的光視效率曲線，浙江大學則完成了不同單色光照明下人眼反應時間與背景亮度之間的光視效率曲線研究［1～11］。這些研究都采用的是基于反應時間或者探測率的視覺功效法，這種方法也是中間視覺下研究的最主要方法之一。我國現(xiàn)行的道路照明設計標準中對道路亮度、照度的規(guī)定是根據(jù)明視覺光視效率規(guī)律進行規(guī)定的，而在中間視覺條件下光視效率曲線發(fā)生變化，所以針對LED這種新型光源在中間視覺下的光視效率研究對于實際工程和相關(guān)照明標準的制定都有著十分重要的意義。

2 實驗過程

本“道路照明反應時間測試系統(tǒng)”根據(jù)小孔成像原理進行設計，采用1∶10縮尺模型對實際道路進行模擬，模型道路長10m、寬2m。實驗平臺可使用不同光源對道路光環(huán)境實驗室還原，根據(jù)不同的光源可以將路面亮度在0.001至10cd/m2之間進行調(diào)節(jié)。障礙物使用1∶10縮尺人形模型去模擬1.7m高成年人，人形模型通過使用不同灰度來得到不同的對比度，障礙物采取隨機從道路兩側(cè)向中間以不同速度運動的形式出現(xiàn)，以此模擬夜間道路中行人穿行的情況，人形模型如圖1所示。觀察者在道路模型一端通過不同視場角的觀察孔進行測試，在不同的道路亮度環(huán)境中記錄下障礙物從運動到被發(fā)現(xiàn)的反應時間，實驗平臺示意圖如圖2所示。

圖1 人形模型示意 (作者自繪)Fig.1 Person model

圖2 實驗平臺示意圖 (作者自繪)Fig.2 Experimental table

本實驗平臺每次可以對一名被試者進行測試，測試時需要兩名工作人員共同完成，其中一名工作人員負責實驗平臺道路縮尺模型中的光環(huán)境檢測和燈具調(diào)光，另一名工作人員負責實驗過程中的數(shù)據(jù)記錄、改變障礙物運動速度和故障排除等，實驗用燈具如圖3所示。當實驗開始后，被試者需提前五分鐘進入試驗區(qū)域進行環(huán)境的適應。當適應環(huán)境后，啟動實驗平臺照明系統(tǒng)并將光環(huán)境調(diào)節(jié)至實驗要求，被試者要求在當前測試光環(huán)境下適應一分鐘，之后開始實驗。當被試者第一次按下按鍵后的五秒內(nèi)步進電機隨機啟動開始帶動障礙物進行勻速運動，同時計時器開始計時。被試者發(fā)現(xiàn)障礙物并再次按下按鍵時，步進電機停止運動同時計時器停止計時。這時，由工作人員記錄下顯示面板中顯示的時間并提示被試者進行復位操作。復位后將可以進行下一次測試。實驗整個過程由被試者自行操作，實驗時照片如圖4所示。

圖3 實驗用LED燈具圖片 (作者自繪)Fig.3 LED lamp

圖4 實驗工作照片F(xiàn)ig.4 Experimental working scence

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本實驗總樣本數(shù)為20，測試中共針對4種光源在0.001～3.2cd/m2范圍內(nèi)8組路面亮度等級進行測試。測試時的障礙物視標對比度為C=0.3、0.4、0.5，每個視標對比度在每個亮度等級測試3次。實驗時統(tǒng)一采用2°視場角進行測試。所有測試共得到23040個數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較大，使用削減平均值法針對這些數(shù)據(jù)進行處理，之后對處理后的數(shù)據(jù)進行回歸分析。

根據(jù)實驗所得到的數(shù)據(jù)得到20個樣本在對比度為0.5、0.4、0.3時不同路面亮度對應的反應時間，如表1所示。

表1 4種光源在三種對比度下的反應時間Table 1 Reaction time under three kinds of C for the four light source

由表1可以看出三種對比度下的實驗結(jié)果都具有隨路面亮度的增加反應時間呈減小的趨勢;對比度取C1=0.5、C2=0.4、C3=0.3整體反應時間相對比，依次呈減小的趨勢 (圖5、圖6、圖7)。在道路照明中，由于路面顏色多以深灰色為主，所以提高對比度最簡單的方式就是提高目標的反射率進而提高目標的亮度。以C2=0.4時反應時間為例，LED1為3種LED產(chǎn)品中反應時間最長，但LED1的整體反應時間比高壓鈉燈小了12.2%，而在反應時間相差最大處即路面亮度0.001cd/m2處LED1的反應時間要比高壓鈉燈小了21.1%。LED3為3種LED產(chǎn)品中反應時間最小，LED3的整體反應時間要比高壓鈉燈小29.3%，在路面亮度0.001cd/m2處LED3的反應時間要比高壓鈉燈小了38.8%。在三種對比度試驗中在相同路面亮度水平下LED的反應時間整體低于高壓鈉燈，所以可以證明LED在中間視覺下所引起視覺功效的特性要高于高壓鈉燈，在使用LED燈時要達到與高壓鈉燈同等的反應時間其所需的路面亮度更低。而對三個LED燈產(chǎn)品進行對比分析，在三個對比度試驗中均有LED1至LED3整體反應時間呈減小的趨勢。其中LED1在三個產(chǎn)品中的整體反應時間最長，而LED2和LED3的反應時間整體較為接近，LED3的反應時間比LED2整體略小。通過spss軟件對數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到4種光源不同對比度下的反應時間y與路面亮度x之間的函數(shù)關(guān)系式。如表2所示。

圖5 C1=0.5時路面亮度與反應時間關(guān)系Fig.5 Relation between road luminance and reaction time when C1=0.5

圖6 C2=0.4時路面亮度與反應時間關(guān)系Fig.6 Relation between road luminance and reaction time when C2=0.4

圖7 C3=0.3時路面亮度與反應時間關(guān)系Fig.7 Relation between road luminance and reaction time when C3=0.3

表2 3種對比度下反應時間y與路面亮度x的擬合函數(shù)關(guān)系式Table 2 Fitting function of y and x

4 光源光譜對反應時間影響研究

通過對4種光源特性的測試結(jié)果和之前反應時間測試結(jié)果進行對比研究，得到影響反應時間的機理。經(jīng)過測試得到4種光源的光譜，如圖8所示。提取光源測試結(jié)果的主要參數(shù)進行整理，得到表3，根據(jù)主要參數(shù)和對比度為0.4時的反應時間逐項進行對比研究。

圖8 4種光源光譜Fig.8 Light source spectrum

表3 反應時間與4種光源參數(shù)對比Table 3 Reaction time and light source parameter

4.1 色溫對反應時間的影響

由表3的數(shù)據(jù)可見雖然高壓鈉燈與LED1的色溫相差很小，但是他們之間在低路面亮度(0.001cd/m2)環(huán)境中的反應時間相差卻很大，而LED1與LED2和LED2與LED3之間在低路面亮度(0.001cd/m2)時反應時間的差異遠遠不及色溫的差異。4種光源都具有反應時間隨色溫上升而減小的趨勢，但色溫和反應時間的關(guān)系并不是嚴謹?shù)某示€性函數(shù)的關(guān)系。因此可以推斷高壓鈉燈與LED燈之間反應時間的差距并不僅僅是因為色溫的差異而導致的，或許有其他因素影響著被試者的視覺功效。

4.2 顯色性對反應時間的影響

由表3可以看到高壓鈉燈的顯色性最低只有20%，而色溫與其相近的LED1的顯色性可以達到73%。隨著顯色性的大幅提高，可以看到在低路面亮度等級 (0.001cd/m2)時的反應時間LED1要比高壓鈉燈減小114.4ms，在中高路面亮度等級 (0.1cd/m2)和高路面亮度等級 (3.2cd/m2)時的反應時間則比高壓鈉燈略小。3種LED燈的顯色性相差不大，最小的LED1與最大的LED3相差只有3.5%。相應三種LED燈在低、中、高三種路面亮度等級下反應時間相差也不大，在相差最大的低路面亮度 (0.001cd/m2)下LED1與LED2反應時間相差48.99ms，LED2與LED3之間相差只有19.98ms;而在中、高路面亮度等級下反應時間更是相差無幾，甚至在高路面亮度等級下LED2的反應時間比LED3還小0.44ms。反應時間表現(xiàn)出來的規(guī)律與4種光源顯色性的差異吻合，可見光源顯色性與反應時間之間的關(guān)系更為密切，而且這個規(guī)律在低路面亮度的環(huán)境中更適用，而在中、高路面亮度的環(huán)境中這個規(guī)律雖然還存在但是隨著路面亮度的提高這個規(guī)律在被削弱。

4.3 光源光譜對反應時間影響

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，對光源顯色性產(chǎn)生正影響的450nm和540nm波長處高壓鈉燈的相對光譜缺失，也就是高壓鈉燈內(nèi)缺少藍色和綠色波長光的成份，這些是在低亮度等級 (0.001cd/m2)下LED1的反應時間遠遠小于高壓鈉燈的主要原因。隨著路面亮度等級的提高，450nm和540nm波長光的能量多少對反應時間影響在減弱。

另外通過對3種LED光譜對比發(fā)現(xiàn)，450nm波長處能量值越大反應時間越短，580nm波長處能量值越大反應時間越長。這種規(guī)律在低路面亮度等級(0.001cd/m2)下十分突出，而隨著路面亮度的增加，在中路面亮度等級 (0.1cd/m2)和高路面亮度等級 (3.2cd/m2)這種趨勢在降低。

5 結(jié)論

通過對反應時間的測試數(shù)據(jù)的分析可以得到，在0.001～3.2cd/m2的路面亮度范圍內(nèi)，LED的反應時間整體小于高壓鈉燈，可見LED燈的視覺效率要明顯高于高壓鈉燈。而且隨著對比度的變大，4種光源的反應時間整體在降低。

通過spass軟件對反應時間與路面亮度的關(guān)系進行擬和分析，得到不同對比度下的反應時間y與路面亮度x之間的函數(shù)關(guān)系式，且擬合關(guān)系很好。

根據(jù)4種光源的光譜特性與反應時間之間的對比研究發(fā)現(xiàn)，光源顯色性對反應時間的影響較色溫更為密切。且對光源顯色性有主要影響的450nm、540nm波長能量對反應時間同樣產(chǎn)生正影響，而580nm波長能量對反應時間產(chǎn)生負影響，但這些影響隨著路面亮度等級的提高在降低。

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