LED光源光譜對(duì)隧道出口段明適應(yīng)的影響

董麗麗，秦 歌，陳 烊，尚雄飛，許文海

大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)高速公路隧道數(shù)量在近年來不斷增加，隨之而來的安全問題越來越引起人們的關(guān)注。 調(diào)查表明，隧道出入口路段交通事故發(fā)生率較高[1]。 當(dāng)駕駛員在白晝開車駛離隧道時(shí)，由于洞內(nèi)外亮度變化劇烈，會(huì)產(chǎn)生“白洞效應(yīng)”，出現(xiàn)強(qiáng)烈的眩光而感到眼睛不適，甚至可能直接閉上雙眼，從而無法看清隧道外的道路情況，誘發(fā)交通事故。 而明適應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短直接決定了事故發(fā)生的可能性。 杜志剛等利用眼動(dòng)儀系統(tǒng)在26座實(shí)際隧道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到隧道長(zhǎng)度與視覺明暗適應(yīng)時(shí)間的定量關(guān)系，認(rèn)為暗適應(yīng)時(shí)間一般不超過23 s，明適應(yīng)時(shí)間不超過13s[2]。 肖堯等針對(duì)隧道出口亮度過渡不合理的環(huán)境現(xiàn)狀，利用DIALUX軟件仿真，提出基于防眩原理的漸變圖層設(shè)計(jì)方案來提升視覺舒適性，降低事故發(fā)生的概率[1]。 閻瑩等在13座隧道進(jìn)行瞳孔面積變化的實(shí)驗(yàn)，得出了瞳孔面積與環(huán)境照度的關(guān)系，提出了隧道環(huán)境照度的推薦值[3]。

LED作為一種新型光源，因其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種照明場(chǎng)所，在隧道照明中也得到了應(yīng)用。 由于傳統(tǒng)照明光源(高壓鈉燈等)特性的限制，各國(guó)以及CIE的隧道照明標(biāo)準(zhǔn)中都只對(duì)隧道各段的亮度、長(zhǎng)度和亮度的均勻性進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)于光源光譜的選擇考慮不足[4]。 而色溫作為L(zhǎng)ED光源光譜的主要特性之一，它對(duì)于人眼視覺效果的影響是不容忽視的。 美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院照明研究中心的Rea等研究了光源光譜與人眼視亮度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)照度在0.2～2 Footcandle(fc)范圍時(shí)，感知亮度隨著光源中藍(lán)光(450 nm)成分的增加而變大[5]。 Bullough等研究了光源光譜特性對(duì)室外場(chǎng)景亮度感知的影響。 選用了2種LED作為測(cè)試光源，分別是： 由琥珀色LED產(chǎn)生的黃色光源(1 627 K)以及由紅色和藍(lán)色LED組合產(chǎn)生的紫紅色光源(1 418 K)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 在兩種亮度水平下，包含藍(lán)光的紫紅色光源產(chǎn)生的視亮度均明顯高于黃色光源[6]。 魯玉紅等以30名視力正常的學(xué)生為研究對(duì)象，采用劑量作業(yè)法、生理參數(shù)法和疲勞評(píng)價(jià)法研究了人體在峰值波長(zhǎng)分別為468，457，453 nm的藍(lán)光LED照明下的光生物節(jié)律效應(yīng), 認(rèn)為在3種峰值波長(zhǎng)藍(lán)光中，468 nm的藍(lán)光對(duì)人體光生物節(jié)律影響最大[7]。 楊勇等研究了相同背景亮度條件下不同色溫LED對(duì)應(yīng)的視認(rèn)反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)高色溫白光LED對(duì)應(yīng)的視認(rèn)反應(yīng)時(shí)間最短。 金懷忠和金尚忠等研究了不同色溫的白光LED對(duì)街道照明的適用性，發(fā)現(xiàn)色溫較低的LED更適合用于道路照明[8]。 饒豐等研究了不同色溫LED照明時(shí)節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化規(guī)律，認(rèn)為在同一色溫LED照明時(shí)，節(jié)律效應(yīng)隨著年齡的增加而減?。?LED色溫不同時(shí)，青年人節(jié)律因子的變化較大，老年人則變化較小[9]。

綜上所述，目前對(duì)于隧道明適應(yīng)的研究很少，即使有，也是基于瞳孔面積的變化，對(duì)亮度的影響進(jìn)行研究，并未考慮光譜的影響。 本工作模擬隧道的照明環(huán)境，利用7種不同色溫的大功率LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取人眼在不同色溫下的明適應(yīng)時(shí)間。 結(jié)合明適應(yīng)的機(jī)理分析，對(duì)隧道出口段光源的選擇提供建議值。

1 LED的特性

1.1 LED色溫

目前使用的大功率LED燈，大多數(shù)是基于藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉的原理制造的，通過調(diào)節(jié)黃色熒光粉的含量來得到不同色溫的LED。 市場(chǎng)上常見的LED的色溫范圍為2 700～7 000 K。 選取3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 700和6 500 K，7種色溫的LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。 以4 500 K色溫為例，表1給出了第三方測(cè)試的特性參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)用LED

表2給出了7種色溫的LED在不同亮度下的色溫值。 從表2可以看出，在不同亮度下，色溫值有所波動(dòng)，但波動(dòng)較小。

1.2 光譜特性

使用柯美能達(dá)CS-2000分光輻射計(jì)測(cè)量7種色溫的光譜功率分布如圖2所示。 光譜功率分布描述了光在不同波長(zhǎng)處的輻射能量。 所有曲線均是在12 cd·m-2的亮度條件下測(cè)量，其他亮度下，它們之間的比例不變，趨勢(shì)相同。

表1 LED的特性參數(shù)

表2 不同亮度下、不同色溫LED的相關(guān)色溫測(cè)量值

圖2 不同色溫的LED的光譜功率分布

從圖2可以看出，LED的光譜呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜含量差異明顯。

當(dāng)駕駛員駛離隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)外亮度差明顯，會(huì)產(chǎn)生明適應(yīng)。 明適應(yīng)的能力主要與兩個(gè)因素有關(guān)，一是瞳孔面積的變化，當(dāng)駛離隧道時(shí)，瞳孔面積會(huì)縮小，來減少進(jìn)入人眼的光量； 二是感光色素的光化學(xué)反應(yīng)。

人眼視網(wǎng)膜上存在兩種感光細(xì)胞，分別為視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞[10]。 它們的視覺功效各不相同，前者在明視覺起作用，用來辨別顏色； 后者在暗視覺起作用，能夠分辨微弱的光。 視錐細(xì)胞中的感光色素包括感藍(lán)色素、感紅色素、感綠色素，視桿細(xì)胞中的感光色素主要是視紫紅質(zhì)。

圖3 視紫紅質(zhì)的相對(duì)光譜吸收曲線

圖3給出了視紫紅質(zhì)的相對(duì)光譜吸收曲線。 從圖3可以看出，視紫紅質(zhì)對(duì)大于620 nm的紅光是不敏感的。 所以，大于620 nm的紅光含量越多，越有利于視紫紅質(zhì)的合成。

當(dāng)車輛在隧道中行駛時(shí)，視桿細(xì)胞在暗處蓄積了大量的視紫紅質(zhì)，駛出隧道時(shí)，由于洞外光線很強(qiáng)，視紫紅質(zhì)迅速分解，會(huì)產(chǎn)生耀眼的光感，駕駛員出現(xiàn)短暫的失明。 只有在較多的視紫紅質(zhì)迅速分解之后，對(duì)光較不敏感的視錐色素才能在亮處感光而恢復(fù)視覺。

圖4 不同色溫的LED大于620 nm的光的含量

Fig.4Theamountoflightwiththewavelengthlongerthan620nmemittedfromtheLEDwithdifferentcorrelatedcolourtemperatures

圖4給出了實(shí)驗(yàn)用的不同色溫的LED，在不同亮度下，大于620 nm的紅光的含量。

從圖4可以看出，不同色溫的LED的大于620 nm的紅光含量有明顯的差異，且色溫越大，紅光含量越少。

視紫紅質(zhì)的合成又與大于620 nm的紅光的含量有關(guān)，含量越多，越有利于視紫紅質(zhì)的合成。 而色溫主要通過影響視紫紅質(zhì)的合成，進(jìn)而影響明適應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)短。 因此，在亮度相同時(shí)，色溫越大，越不利于視紫紅質(zhì)的合成，明適應(yīng)時(shí)間也越小。

不同色溫的LED具有不同的光譜特性，對(duì)于明適應(yīng)的影響也是不同的，因此，研究光源色溫對(duì)明適應(yīng)的影響很有必要。

2 實(shí)驗(yàn)部分

為了研究光源光譜對(duì)明適應(yīng)的影響，使用7種色溫的LED作為照明光源，以人眼可識(shí)別的字母“E”為目標(biāo)，將明適應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

選取視覺功能正常、矯正視力1.0以上、且無色盲、色弱等其他眼部疾病的30人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了能夠模擬隧道照明的真實(shí)情況，在長(zhǎng)9 m，高2.8 m，寬5 m的模擬隧道內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 模擬隧道

實(shí)驗(yàn)總共126種情況。 根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定的隧道出口段亮度值，選取3組亮度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為4，8和12 cd·m-2。 通過DIALux軟件仿真，在保證均勻度和亮度的情況下，將燈具安裝于2.0和2.4 m高的位置，選擇15°，20°和25°, 3種安裝角度[11]。

模擬太陽(yáng)光的光源亮度為5 000 cd·m-2，是隧道洞外亮度的典型值。

圖6給出了不同安裝角度下，色溫的測(cè)量值。 圖7給出了不同安裝高度下，色溫的測(cè)量值。 從圖6、圖7可以看出，安裝角度和高度不同時(shí)，色溫差異很小。

圖6 不同安裝角度下，色溫的測(cè)量值

圖7 不同安裝高度下，色溫的測(cè)量值

如圖8所示，是實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。 它由模擬太陽(yáng)光源、不同色溫的實(shí)驗(yàn)LED、調(diào)光控制器、目標(biāo)E、計(jì)時(shí)器和手機(jī)組成。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

使用色溫為6 700 K的LED模擬太陽(yáng)光源，亮度可達(dá)10 000 cd·m-2，它的光譜與太陽(yáng)光譜不同，但亮度足夠大，就目前的光源而言，還沒有亮度和光譜都接近太陽(yáng)光的； 實(shí)驗(yàn)LED包括7種色溫，兩個(gè)1組，共14個(gè)LED，每次更換不同色溫的LED時(shí)，保證其位置不變； 調(diào)光控制器用于調(diào)節(jié)不同的亮度以滿足實(shí)驗(yàn)要求； 目標(biāo)E距離觀察者2 m，高1.5 m，尺寸是正常人眼可識(shí)別的大??； 計(jì)時(shí)器用來測(cè)量明適應(yīng)時(shí)間，精度可以達(dá)到1 ms； 手機(jī)播放背景噪聲，用來模擬車輛進(jìn)入隧道時(shí)的實(shí)際情況。

圖9為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程在暗室中進(jìn)行，避免外部雜光的干擾[12]。

在開始實(shí)驗(yàn)之前，每個(gè)被測(cè)試者坐在指定的位置進(jìn)行2 min的光適應(yīng)，并被告知相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作方法，打開手機(jī)播放背景噪聲。

在充分光適應(yīng)后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)LED，打開模擬太陽(yáng)光光源，與此同時(shí)，被測(cè)試者按下手中的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。 當(dāng)能夠正確識(shí)別隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)E的方向時(shí)，按下計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，研究人員記錄明適應(yīng)時(shí)間。

最后變換燈具的安裝角度和高度。 當(dāng)一組色溫的實(shí)驗(yàn)LED做完后，更換其他色溫的實(shí)驗(yàn)LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 30名被測(cè)試者按照同樣的步驟依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖9 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)得到了7種色溫，3種亮度、2個(gè)高度、3個(gè)角度條件下，30名被測(cè)試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 去除異常數(shù)據(jù)后求平均，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同色溫的明適應(yīng)時(shí)間

從圖10中可以看出，隨著亮度的增大，明適應(yīng)時(shí)間減小。 在亮度相同時(shí)，色溫越大，明適應(yīng)時(shí)間越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)表3中的明適應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾森(Pearson)相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。 從表3可以看出，明適應(yīng)時(shí)間與光源亮度的相關(guān)系數(shù)為-0.766，相應(yīng)的顯著性(雙側(cè))值為0。 這表明明適應(yīng)時(shí)間對(duì)光源亮度在99%的水平上是有顯著影響的，且因?yàn)橄嚓P(guān)系數(shù)小于0，所以光源亮度與反應(yīng)時(shí)間之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。 明適應(yīng)時(shí)間與光源色溫的相關(guān)系數(shù)為-0.593，相應(yīng)的顯著性(雙側(cè))值為0.005。 這表明明適應(yīng)時(shí)間對(duì)光源亮度在99%的水平上是有顯著影響的，且因?yàn)橄嚓P(guān)系數(shù)小于0，所以光源色溫與明適應(yīng)時(shí)間之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖11是不同安裝角度時(shí)的明適應(yīng)時(shí)間。 從圖11可以看出，角度的改變對(duì)明適應(yīng)的影響可以忽略。

表3 光源色溫與反應(yīng)時(shí)間之間的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析

**Significant at 0.01 level

圖11 不同安裝角度時(shí)的明適應(yīng)時(shí)間

圖12是不同安裝高度時(shí)的明適應(yīng)時(shí)間。 從圖12可以看出，高度的改變對(duì)明適應(yīng)的影響也是很小的。

圖12 不同安裝高度時(shí)的明適應(yīng)時(shí)間

4 結(jié) 論

結(jié)合理論分析與實(shí)驗(yàn)，研究了不同LED光源光譜對(duì)隧道出口段明適應(yīng)的影響。 從明適應(yīng)機(jī)理的角度出發(fā)，測(cè)量了30名被測(cè)試者在7種色溫、3個(gè)隧道出口段亮度、3種安裝角度和2種安裝高度條件下的明適應(yīng)時(shí)間。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析可知，隧道出口段亮度越大，明適應(yīng)時(shí)間越?。?在亮度相同時(shí)，明適應(yīng)時(shí)間隨著色溫的增大而減??； 不同燈具安裝角度和安裝高度下的明適應(yīng)時(shí)間差異很小，改變安裝角度和高度，并不能有效減小明適應(yīng)的影響。

從明適應(yīng)的角度出發(fā)，分析了不同色溫LED燈的光譜的影響，為隧道照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用中出口段LED光源的選擇提供數(shù)據(jù)和理論支撐。