光源光色对隧道照明效果的影响

刘英婴，翁 季，陈建忠，陈仲林

（1.重庆大学 建筑城规学院；教育部山地城镇建设与新技术重点实验室，重庆 400045；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

在照明对视觉功效影响的研究中，20世纪几乎都集中在照明的数量，也就是照度（亮度）水平对于视觉敏锐度或对比敏感度的影响，而研究光源的光谱（光色）对于视觉功效的影响者却是凤毛麟角［1］。较早涉及这个问题的Smith等［2］系统地研究了照明水平和光谱这两者的作用，使用了冷白色荧光灯，金卤灯和高压钠灯3种光源进行比较，实验结果表明，光源光谱对于作业效能或难度的评价并无统计上显著的影响。Berman［3］发现视网膜上的杆体细胞对于瞳孔大小以及在一般室内照明条件下感知的亮度，具有显著的影响，并且也是感知白色光的视亮度的主要决定因素。他们为此进行了一系列研究以证实光的光谱对于非彩色的视觉效能具有显著的作用。上世纪末，迪伦·姜［4］总结了各国独立进行的研究实验证实了光色极大地影响着人类视觉的适应能力。研究结果表明在低照明水平下蓝／绿色光源的有效光输出会增加，而与此对应的黄色光源的有效光输出会下降。2002年，美国布朗（Brown）大学的学者David Berson在人眼视网膜上发现了第3种感光细胞——神经结细胞，确认了人眼的非视觉效应，并称为 Cirtopic［5－6］。Cirtopic具有与明视觉、中间视觉和暗视觉不同的光谱响应特性，其中瞳孔大小随光照变化是一种重要的光生物效应，而瞳孔大小变化与视觉功效密切相关［7－8］。此后，张青文等［9］进行了光源色温对隧道及道路照明视觉功效影响的研究，研究成果表明用高色温的紧凑型荧光灯照明能缩短反应时间，而低色温的紧凑型荧光灯则会延长反应时间。进入21世纪以来，LED光源及其光色研究已逐渐成为照明研究的新“热点”［10］，新型光源在隧道照明中的应用也成为照明研究的发展方向。但是，目前现行有关的公路隧道照明设计规范和标准［11－12］均是参照国际照明委员会（CIE）上个世纪明视觉光度学和色度学系统制订的，只考虑了隧道照明的亮度水平，没有考虑光源的光色对照明水平的影响，更没有考虑光生物效应对实际视觉效果的影响，特别是对于新型光源LED的光色研究还很不深入。本文正是针对以上问题，采用视觉功效的实验方法，将不同色温的LED光源与传统隧道照明光源高压钠灯、金卤灯相比较，结合光生物效应的研究成果，深入探讨光源光色对隧道照明的影响。通过研究以提出适用于隧道照明特点的光源，进而为制定更加科学合理的隧道照明设计规范标准提供理论依据，最终利于实现隧道照明的安全与节能。

1 光源光色与反应时间实验

反应时间是衡量驾驶员视觉功效的一个重要指标。反应时间实验旨在模拟隧道照明的驾驶环境，测量人眼在隧道照明条件下观测视标的反应时间以及瞳孔的大小，来获得光源色温与反应时间和瞳孔大小之间的变化关系。

1.1 实验方案及步骤

实验中用随机出现的圆斑作为目标，以模拟隧道照明中可能出现的障碍物。圆斑直径为26mm，相对受测者的眼睛为2°视场左右。实验采用7种光源：150W 高压钠灯（HPS）、150W 金卤灯（MH）、5种色温的LED灯提供背景亮度和目标亮度。因为由同一种光源提供光亮度，所以目标亮度和背景亮度具有相同的光谱分布，不存在颜色对比。为了与实际的遂道照明视看环境相符，实验通过调整目标的不同灰度（反射比），来达到不同的负对比值。为了保证既有中央视觉又有周边视觉，目标可以在轴线或非轴线上出现。实验时受测者一旦发现目标，立即以最快的反应按下按钮，由电子计时仪记录其反应时间。与此同时，受测者戴上iView X眼动仪，记录下每次反应时间段对应的瞳孔变化值。

参与实验的一共有5名受测者（年龄20～24岁，3男2女），所有的受测者都拥有正常的色觉和矫正视力。在开始每组实验前，受测者首先戴上iView X眼动仪进行瞳孔校正。因为人眼对亮适应的时间要短一些，所以实验时背景亮度是从暗到亮进行的。受测者用30min来适应较暗的实验环境。实验中出现3种不同的视标对比度，每一种对比度下测试3个背景亮度的反应时间。每一种背景亮度下测试15次反应时间，即在3个视标偏心角0°（轴线）、10°（从0°水平顺时针旋转）、－10°（从0°水平逆时针旋转）位置上随机各测试5次。在每一次实验中，目标物出现后如果受测者无反应，目标物在持续出现2s后消失。在每种亮度条件开始前受测者有1min的适应时间。

1.2 实验参数确定

实验中提出了在遂道照明条件下4个影响视觉功效的变量（Lb、C、θ、TCP）作为实验参数，见表1。

表1 实验参数的设置

背景亮度Lb：依据隧道照明的特点，不同照明区段的最低亮度值不同，确定了3个背景亮度值，分别代表是：入口段80cd／m2，过渡段45cd／m2，中间段4.5cd／m2。

视标对比度C：由于在隧道照明中最常出现亮背景下观察暗目标，因此亮度对比值应采取负数，即目标亮度小于背景亮度。而目前的隧道照明研究均采用的是正对比，所以需要对其进行修正。根据一般遂道照明标准的亮度对比设置3种对比度，其对应的目标亮度见表2示。

目标随机出现的位置造成不同的视标偏心角，分为视轴和非视轴2种，对应于中央视觉和周边视觉。

表2 不同对比度对应的目标亮度Ltcd／m2

2 实验结果与分析

2.1 光源光色与反应时间关系

反应时间是指对于每种测试条件下，从视标出现（电子快门打开）到受测者按下按钮的时间之差。对所有受测者在不同照明条件下的反应时间取平均值，计算结果见表3。

表3 7种光源色温条件下的反应时间 ms

7种光源对于3种对比度，在背景亮度为Lb＝80、45、4.5cd／m2的反应时间如图1、图2、图3所示。

图1 Lb＝80cd／m2反应时间

图2 Lb＝45cd／m2反应时间

图3 Lb＝4.5cd／m2 反应时间

分析上述3图可以看出，在较高的背景亮度Lb＝80、45cd／m2时，反应时间最短的是 LED4。LED4的色温为5128K，是7种光源中色温最高的。其对应的反应时间比最长的金卤灯缩短了28%以上，说明高色温的LED光源在较高的照明水平条件下视觉功效最高。金卤灯的色温为2739K，在7种光源中色温并不是最低的。色温为2432K的LED2，虽然色温值与金卤灯相近，但是在较高照明水平下的反应时间却比金卤灯平均缩短了18%，而在中间视觉照明水平时两者却很接近。这说明视觉功效不仅与光源的色温和照明水平有关，而且与光源的光谱能量分布SPD密切相关，见图4所示。比较图4（a）、（b），可以看出LED2的相对光谱能量分布SPD的连续性明显要好于金卤灯，而且在短波450nm左右有一个明显的突起。这个比较说明了即使色温接近的光源由于光谱分布不同，对于人眼视觉功效的影响也显著不同。选择SPD连续性较好且富含短波较多的光源，在较高的照明水平下可以提高视觉功效。在背景亮度Lb＝4.5cd／m2时，反应时间最短的是LED3。LED3色温为3683K，属于中间色温，其对应的反应时间比最长的高压钠灯缩短了20%以上，说明中间色温的LED光源在中间视觉的照明水平下视觉功效最高。

图4 MH与LED2相对光谱能量分布比较

2.2 光源光色与瞳孔变化关系

瞳孔变化值是与每次反应时间段相对应的。iView X眼动仪会自动记录下受测者在每种测试条件下每隔20ms的瞳孔面积。将受测者按下按钮时的瞳孔面积A2减去视标出现（电子快门打开）时的瞳孔面积A1的差值，即为瞳孔变化值。

对所有受测者在不同照明条件下的瞳孔变化值取平均值，计算结果见表4。

表4 7种光源色温条件下的瞳孔变化值mm2

从表4可以看出，除了LED4，其它光源的瞳孔变化值随着背景亮度的减小而减小，说明瞳孔在视看目标时随着背景亮度的减小收缩得越明显。但是LED4却相反，在背景亮度最大时瞳孔变化值最小（负值），即在高亮度水平下瞳孔收缩得越突出。前面提到瞳孔大小随光照变化是一种重要的光生物效应，这个实验结果表明高色温的光源在高亮度水平下光生物效应越明显。

在背景亮度Lb＝80、45cd／m2时，除了LED4以外，其它光源的瞳孔变化值都为正值。说明在较高的照明水平下，由于入射光很强，为了控制进入视网膜光线的强度，人眼的瞳孔先是收缩的。当视标出现时，人眼为了调节进光量瞳孔会自动放大。但是在LED4的照明条件下，瞳孔变化值却为负值，说明LED4在较高的照明条件下仍会使人眼的瞳孔收缩，这充分说明高色温的光源在较高的照明水平下具有更明显的光生物效应。前面提到瞳孔收缩有利于提高视觉功效，这与图1、图2中对应的LED4反应时间最短是相吻合的。而金卤灯在较高照明水平下对应的瞳孔变化值都是最大（正值），说明金卤灯使人眼的瞳孔在较高照明水平下放大得最大，这样不利于提高视觉功效，这与图1、图2中对应的MH反应时间最长也相吻合。

在背景亮度Lb＝4.5cd／m2时，除了MH和HPS对应的瞳孔变化值为正值，所有的LED灯对应的瞳孔变化值都为负值。说明在中间视觉的照明水平下，LED灯会使人眼瞳孔收缩，而金卤灯和高压钠灯却会使瞳孔放大，其光生物效应明显比LED灯弱，对应的反应时间也比LED灯长，如图3所示。在所有LED灯中，色温为3686K的LED3的瞳孔变化值最小（负值），表明在中间视觉的的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收缩得最显著，光生物效应最强，这与图3中显示的LED3的反应时间最短相吻合。

3 光源光色对隧道照明效果的影响

通过实验结果分析，光源的色温和光谱分布与反应时间和瞳孔大小是密切相关的，并且与照明水平也是有关系的。3种照明水平由高到低分别对应的是隧道照明的入口段、过渡段、中间段。在入口段和过渡段照明水平较高时，高色温5128K的LED4的反应时间最短，表明视觉功效最高；与此对应的瞳孔变化值也最小（负值），说明瞳孔收缩有利于提高视觉功效，光生物效应最显著。而中间段属于中间视觉水平，中间色温3686K的LED3的反应时间最短，视觉功效最高；与此对应的瞳孔变化值也最小（负值），说明中间色温在中间段的光生物效应最显著。

图5 LED4与LED3光谱能量分布比较

分析比较LED4和LED3的光谱能量分布图可以发现，如图5所示，LED4和LED3的光谱分布宽度及连续性都较好，明显优于金卤灯（见图4）。LED4的最高峰值在460nm附近，正好处于光生物效应Cirtopic的峰值敏感度区域［7］，且辐射量数值达到1.5×10－3，明显偏向短波方向。另一个突起位于560nm附近，但是辐射量数值只有1×10－3。LED4的光谱分布明显向蓝绿光方向积聚，这充分证实了Berman关于Cirtopic的最大光谱灵敏度处于蓝色光区域内，并且在高照明水平时很活跃［8］，即光源中蓝绿光成份含量越多高照明水平时光生物效应越显著。而LED3的最高峰值在580nm附近，向长波方向偏移，虽然在460nm附近也有一个突起，但辐射量数值只达到了6×10－4，不到LED4的一半。LED3的光谱分布明显向黄绿光方向积聚，在中间视觉的照明水平时具有较明显的光生物效应。LED4和LED3的光谱能量分布的不同不仅决定了两者色温的不同，而且对不同照明水平时的反应时间与瞳孔大小的影响也显著不同。反应时间是视觉功效的重要指标，而瞳孔大小是光生物效应的本质表现。研究光源光色对隧道照明的影响正是基于光源的色温和光谱分布对视觉功效和光生物效应的综合影响。

4 结 语

综合以上的分析和研究，色温在5000K左右，光谱分布偏向蓝绿光的LED4最适宜隧道照明的入口段和过渡段；而色温在3500K左右，光谱分布偏向黄绿光的LED3最适宜隧道照明的中间段。

在隧道照明研究中，光源的光色是一个不可忽略的重要因素。在隧道照明设计规范和标准的制定中如果只考虑隧道路面的亮度或者照度水平，而不考虑光源的色温和光谱分布对视觉功效和光生物效应的影响，其结果必然是不能科学地评价隧道照明水平和隧道照明光源，造成能源的浪费和交通安全问题。相信随着这方面研究的不断深入，在未来的隧道照明设计和实施中，可以更合理地选择适用隧道照明各区段的光源。在今后制定隧道照明设计规范和标准时能更加科学地确定隧道照明水平，在保证安全的同时促进隧道照明节能，从而解决隧道照明中节能与安全的矛盾。

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