摘要：為了研究隧道照明中光源的光色，在3種照明水平和負對比條件下，比較了5種色溫的LED光源與傳統(tǒng)照明光源高壓鈉燈（HPS）、金鹵燈（MH）對隧道照明效果的影響。通過反應(yīng)時間實驗方法，分析了光源光色分別與反應(yīng)時間和人眼瞳孔大小之間的變化關(guān)系。實驗結(jié)果顯示，在高照明水平下，高色溫LED光源的視覺功效最高，光生物效應(yīng)最顯著；而在中間視覺照明水平下，中間色溫的LED光源的視覺功效和光生物效應(yīng)最顯著。合理選擇適用隧道照明各區(qū)段的光源應(yīng)考慮光源光色對視覺功效和光生物效應(yīng)的綜合影響，并值得進一步研究。

關(guān)鍵詞：光源；隧道照明；反應(yīng)時間；瞳孔大小

中圖分類號：TU113.3

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）03-0162-04

Influence of Light Sources Color on Tunnel Lighting

Liu Yingying1， Weng Ji1， Chen Jianzhong2， Chen Zhonglin1

（1. College of Architecture and Urban Planning； Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area，

Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045，P. R. China；

2.China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute， Chongqing 400067，P. R. China）

Abstract：

Five color temperature LEDs were compared to traditional light sources （HPS and MH） under three lighting levels and negative contrasts to study the effect of light sources color on tunnel lighting. Through the experiment of reaction times， the relation between light sources color and reaction times， and the relation between light sources color and pupil size were studied， respectively. The experiment result shows that visual performance and cirtopic with high color temperature LED are the most significant under high lighting level. The visual performance and cirtopic with middle color temperature LED are the most significant under mesopic lighting level. It is shown that comprehensive influence of light sources color on visual performance and cirtopic must be considered for choosing appropriate light sources in different sections of tunnel lighting.

Key words：

light source； tunnel lighting； reaction times； pupil size

在照明對視覺功效影響的研究中，20世紀幾乎都集中在照明的數(shù)量，也就是照度（亮度）水平對于視覺敏銳度或?qū)Ρ让舾卸鹊挠绊?，而研究光源的光譜（光色）對于視覺功效的影響者卻是鳳毛麟角[1]。較早涉及這個問題的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種光源進行比較，實驗結(jié)果表明，光源光譜對于作業(yè)效能或難度的評價并無統(tǒng)計上顯著的影響。Berman[3]發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上的桿體細胞對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行了一系列研究以證實光的光譜對于非彩色的視覺效能具有顯著的作用。上世紀末，迪倫·姜[4]總結(jié)了各國獨立進行的研究實驗證實了光色極大地影響著人類視覺的適應(yīng)能力。研究結(jié)果表明在低照明水平下藍/綠色光源的有效光輸出會增加，而與此對應(yīng)的黃色光源的有效光輸出會下降。2002年，美國布朗（Brown）大學的學者David Berson在人眼視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第3種感光細胞——神經(jīng)結(jié)細胞，確認了人眼的非視覺效應(yīng)，并稱為Cirtopic[5-6]。Cirtopic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)，而瞳孔大小變化與視覺功效密切相關(guān)[7-8]。此后，張青文等[9]進行了光源色溫對隧道及道路照明視覺功效影響的研究，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)時間，而低色溫的緊湊型熒光燈則會延長反應(yīng)時間。進入21世紀以來， LED光源及其光色研究已逐漸成為照明研究的新“熱點”[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)計規(guī)范和標準[11-12]均是參照國際照明委員會（CIE）上個世紀明視覺光度學和色度學系統(tǒng)制訂的，只考慮了隧道照明的亮度水平，沒有考慮光源的光色對照明水平的影響，更沒有考慮光生物效應(yīng)對實際視覺效果的影響，特別是對于新型光源LED的光色研究還很不深入。本文正是針對以上問題，采用視覺功效的實驗方法，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隧道照明的影響。通過研究以提出適用于隧道照明特點的光源，進而為制定更加科學合理的隧道照明設(shè)計規(guī)范標準提供理論依據(jù)，最終利于實現(xiàn)隧道照明的安全與節(jié)能。

1光源光色與反應(yīng)時間實驗

反應(yīng)時間是衡量駕駛員視覺功效的一個重要指標。反應(yīng)時間實驗旨在模擬隧道照明的駕駛環(huán)境，測量人眼在隧道照明條件下觀測視標的反應(yīng)時間以及瞳孔的大小，來獲得光源色溫與反應(yīng)時間和瞳孔大小之間的變化關(guān)系。

1.1實驗方案及步驟

實驗中用隨機出現(xiàn)的圓斑作為目標，以模擬隧道照明中可能出現(xiàn)的障礙物。圓斑直徑為26 mm，相對受測者的眼睛為2°視場左右。實驗采用7種光源：150 W高壓鈉燈（HPS）、150 W金鹵燈（MH）、5種色溫的LED燈提供背景亮度和目標亮度。因為由同一種光源提供光亮度，所以目標亮度和背景亮度具有相同的光譜分布，不存在顏色對比。為了與實際的遂道照明視看環(huán)境相符，實驗通過調(diào)整目標的不同灰度（反射比），來達到不同的負對比值。為了保證既有中央視覺又有周邊視覺，目標可以在軸線或非軸線上出現(xiàn)。實驗時受測者一旦發(fā)現(xiàn)目標，立即以最快的反應(yīng)按下按鈕，由電子計時儀記錄其反應(yīng)時間。與此同時，受測者戴上iView X 眼動儀，記錄下每次反應(yīng)時間段對應(yīng)的瞳孔變化值。

參與實驗的一共有5名受測者（年齡20～24歲，3男2女），所有的受測者都擁有正常的色覺和矯正視力。在開始每組實驗前，受測者首先戴上iView X眼動儀進行瞳孔校正。因為人眼對亮適應(yīng)的時間要短一些，所以實驗時背景亮度是從暗到亮進行的。受測者用30 min來適應(yīng)較暗的實驗環(huán)境。實驗中出現(xiàn)3種不同的視標對比度，每一種對比度下測試3個背景亮度的反應(yīng)時間。每一種背景亮度下測試15次反應(yīng)時間，即在3個視標偏心角0°（軸線）、10°（從0°水平順時針旋轉(zhuǎn)）、-10°（從0°水平逆時針旋轉(zhuǎn)）位置上隨機各測試5次。在每一次實驗中，目標物出現(xiàn)后如果受測者無反應(yīng)，目標物在持續(xù)出現(xiàn)2 s后消失。在每種亮度條件開始前受測者有1 min的適應(yīng)時間。

1.2實驗參數(shù)確定

實驗中提出了在遂道照明條件下4個影響視覺功效的變量（Lb、C、θ、TCP）作為實驗參數(shù)，見表1。

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

視標對比度C：由于在隧道照明中最常出現(xiàn)亮背景下觀察暗目標，因此亮度對比值應(yīng)采取負數(shù)，即目標亮度小于背景亮度。而目前的隧道照明研究均采用的是正對比，所以需要對其進行修正。根據(jù)一般遂道照明標準的亮度對比設(shè)置3種對比度，其對應(yīng)的目標亮度見表2示。

目標隨機出現(xiàn)的位置造成不同的視標偏心角，分為視軸和非視軸2種，對應(yīng)于中央視覺和周邊視覺。

2實驗結(jié)果與分析

2.1光源光色與反應(yīng)時間關(guān)系

反應(yīng)時間是指對于每種測試條件下，從視標出現(xiàn)（電子快門打開）到受測者按下按鈕的時間之差。對所有受測者在不同照明條件下的反應(yīng)時間取平均值，計算結(jié)果見表3。

分析上述3圖可以看出，在較高的背景亮度Lb=80、45 cd/m2時，反應(yīng)時間最短的是LED4。LED4的色溫為5 128 K，是7種光源中色溫最高的。其對應(yīng)的反應(yīng)時間比最長的金鹵燈縮短了28%以上，說明高色溫的LED光源在較高的照明水平條件下視覺功效最高。金鹵燈的色溫為2 739 K，在7種光源中色溫并不是最低的。色溫為2 432 K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)時間卻比金鹵燈平均縮短了18%，而在中間視覺照明水平時兩者卻很接近。這說明視覺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)，見圖4所示。比較圖4（a）、（b），可以看出LED2的相對光譜能量分布SPD的連續(xù)性明顯要好于金鹵燈，而且在短波450 nm左右有一個明顯的突起。這個比較說明了即使色溫接近的光源由于光譜分布不同，對于人眼視覺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功效。在背景亮度Lb=4.5 cd/m2時，反應(yīng)時間最短的是LED3。LED3色溫為3 683 K，

燈縮短了20%以上，說明中間色溫的LED光源在中間視覺的照明水平下視覺功效最高。

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)時間段相對應(yīng)的。iView X 眼動儀會自動記錄下受測者在每種測試條件下每隔20 ms的瞳孔面積。將受測者按下按鈕時的瞳孔面積A2減去視標出現(xiàn)（電子快門打開）時的瞳孔面積A1的差值，即為瞳孔變化值。

對所有受測者在不同照明條件下的瞳孔變化值取平均值，計算結(jié)果見表4。

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，說明瞳孔在視看目標時隨著背景亮度的減小收縮得越明顯。但是LED4卻相反，在背景亮度最大時瞳孔變化值最小（負值），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)，這個實驗結(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、45 cd/m2時，除了LED4以外，其它光源的瞳孔變化值都為正值。說明在較高的照明水平下，由于入射光很強，為了控制進入視網(wǎng)膜光線的強度，人眼的瞳孔先是收縮的。當視標出現(xiàn)時，人眼為了調(diào)節(jié)進光量瞳孔會自動放大。但是在LED4的照明條件下，

瞳孔變化值卻為負值，說明LED4在較高的照明條件下仍會使人眼的瞳孔收縮，這充分說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功效，這與圖1、圖2中對應(yīng)的LED4反應(yīng)時間最短是相吻合的。而金鹵燈在較高照明水平下對應(yīng)的瞳孔變化值都是最大（正值），說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功效，這與圖1、圖2中對應(yīng)的MH反應(yīng)時間最長也相吻合。

在背景亮度Lb=4.5 cd/m2時，除了MH和HPS對應(yīng)的瞳孔變化值為正值，所有的LED燈對應(yīng)的瞳孔變化值都為負值。說明在中間視覺的照明水平下，LED燈會使人眼瞳孔收縮，而金鹵燈和高壓鈉燈卻會使瞳孔放大，其光生物效應(yīng)明顯比LED燈弱，對應(yīng)的反應(yīng)時間也比LED燈長，如圖3所示。在所有LED燈中，色溫為3 686 K的LED3的瞳孔變化值最?。ㄘ撝担砻髟谥虚g視覺的的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收縮得最顯著，光生物效應(yīng)最強，這與圖3中顯示的LED3的反應(yīng)時間最短相吻合。

3光源光色對隧道照明效果的影響

通過實驗結(jié)果分析，光源的色溫和光譜分布與反應(yīng)時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應(yīng)的是隧道照明的入口段、過渡段、中間段。在入口段和過渡段照明水平較高時，高色溫5 128 K的LED4的反應(yīng)時間最短，表明視覺功效最高；與此對應(yīng)的瞳孔變化值也最?。ㄘ撝担f明瞳孔收縮有利于提高視覺功效，光生物效應(yīng)最顯著。而中間段屬于中間視覺水平，中間色溫3 686 K的LED3的反應(yīng)時間最短，視覺功效最高；與此對應(yīng)的瞳孔變化值也最?。ㄘ撝担?，說明中間色溫在中間段的光生物效應(yīng)最顯著。

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（見圖4）。LED4的最高峰值在460 nm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)值達到1.5×10-3，明顯偏向短波方向。另一個突起位于560 nm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綠光方向積聚，這充分證實了Berman關(guān)于Cirtopic的最大光譜靈敏度處于藍色光區(qū)域內(nèi)，并且在高照明水平時很活躍[8]，即光源中藍綠光成份含量越多高照明水平時光生物效應(yīng)越顯著。而LED3的最高峰值在580 nm附近，向長波方向偏移，雖然在460 nm附近也有一個突起，但輻射量數(shù)值只達到了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，在中間視覺的照明水平時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，而且對不同照明水平時的反應(yīng)時間與瞳孔大小的影響也顯著不同。反應(yīng)時間是視覺功效的重要指標，而瞳孔大小是光生物效應(yīng)的本質(zhì)表現(xiàn)。研究光源光色對隧道照明的影響正是基于光源的色溫和光譜分布對視覺功效和光生物效應(yīng)的綜合影響。

4結(jié)語

綜合以上的分析和研究，色溫在5 000 K左右，光譜分布偏向藍綠光的LED4最適宜隧道照明的入口段和過渡段；而色溫在3 500 K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，光源的光色是一個不可忽略的重要因素。在隧道照明設(shè)計規(guī)范和標準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視覺功效和光生物效應(yīng)的影響，其結(jié)果必然是不能科學地評價隧道照明水平和隧道照明光源，造成能源的浪費和交通安全問題。相信隨著這方面研究的不斷深入，在未來的隧道照明設(shè)計和實施中，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)計規(guī)范和標準時能更加科學地確定隧道照明水平，在保證安全的同時促進隧道照明節(jié)能，從而解決隧道照明中節(jié)能與安全的矛盾。

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