光源光色與光生物效應對隧道照明影響的研究

劉英嬰

(重慶大學建筑城規學院，重慶400045)

0 引言

公路隧道由于具有縮短里程、提高交通運輸效率、節省用地和有利于保護生態環境等優點，在公路尤其是高速公路建設中被廣泛采用。隨著隧道建設的規模及數量越來越大，隧道照明設施的運營電費和維護費用也越來越高，照明節能和交通安全的矛盾也越來越突出。為了解決好照明節能和交通安全問題，就必須對隧道照明進行新的理論和技術研究。

1 隧道照明特點

隧道照明的目的是與道路照明相同的，均是為了給駕駛員提供良好的視覺環境，保障交通安全，提高運輸效率等。但是，隧道的兩側和頂部是封閉的，構造比較特殊，會產生隧道特有的人眼明適應和暗適應，尤其是白晝的視覺問題。在白晝，駕駛員進入隧道時會產生如下的視覺問題:剛接近長隧道時，駕駛員看到的是一個黑洞，這是“黑洞”現象;如果隧道較短，則會產生“黑框”現象;由于洞外亮度大，進入隧道后，人眼需要適應時間，即產生“適應的滯后現象”;對于長隧道的中間段，汽車廢氣會形成煙霧，影響駕駛員的可見度;在隧道出口，會產生一個很亮的洞口，形成強烈的眩光，降低駕駛員的可見度，這就是“亮洞”現象，這時會使人只能看到障礙物的影子，而隧道線型、結構、路面狀況看不清，距離不能判斷等。所以隧道照明必須合理解決好隧道照明特有的視覺問題，創造出良好的視覺環境。

目前我國現行的《城市道路照明設計標準》和《公路隧道通風照明設計規范》均未考慮道路和隧道照明光源的光譜功率分布對駕駛員的視覺功效的影響，即均未考慮光源光色對反應時間的影響;而且均是以1924年CIE推薦的在2°視野內由閃爍法于非彩色光條件下，錐狀感光細胞在明視覺時的光度學系統進行計算的，這與citopic(司辰視覺)的實際情況不相符，即未考慮光生物效應的影響。因此，相應的標準值是不利于照明節能的。

2 光源的光色對隧道照明的影響

人們眼中所反映出的色彩，不僅取決于物體本身的特性，而且還與照明光源的光色有著直接的關系。光源的光色有兩重含義:一是人的視覺觀察光源時所看到的表面顏色，用色溫來定量描述;另一個是指光源照在物體上所呈現的顏色的客觀效果，叫光源的顯色性。

由于不同色彩給人心理和生理上的影響，在不同色溫的光源照明環境下，隧道路面會產生不同的視覺效果和作用。人們對目標物作出的反應也會隨之不同。

在夜間駕駛過程中，反應時間對保障道路交通安全有重要的實際意義。在駕駛過程中，反應時間快就意味著視覺效率高和交通事故的減少。日本關于交通肇事次數與反應時間的關系調查數據表明，肇事次數與駕駛員反應時間長短成正比關系，見表1。

表1 事故次數與反應時間關系

因此，為了保證交通安全，駕駛員發現前方路面上障礙物的反應時間的長短是至關重要的。從反應時間與交通事故的關系可以看出，將“反應時間”作為評價隧道照明光源光色及其光效的參數，是非常重要也是非常必要的。

現行的隧道照明設計標準，均沒有考慮光源的光譜分布，也就是光色的影響。另外，在實際隧道照明條件下，會發生在亮背景下觀察暗目標的情況，即在負對比條件下人眼更有利于觀察目標。而目前的隧道照明研究均采用的是正對比，所以需要進行在負對比條件下的隧道照明研究，使提出的隧道照明設計標準更符合駕駛行車時的實際情況。當目標的亮度、亮度對比和視角相同時，人眼視覺功效好壞是由瞳孔大小確定的:如果在照明光源的輻射光譜中藍綠色光的成分多，則會使人眼的瞳孔收縮得多，視看目標就感到清晰，朦朧感少，可見度較好;反之，可見度就差。為了正確評價在光源輻射光譜中藍綠色光成分對視覺功效的影響，在明視覺時，可采用瞳孔亮度來評價;由于隧道中間段平均亮度一般小于4 cd/㎡，在屬于中間視覺范疇的照明條件下，確定適宜的反應時間表達式是值得深入研究的，這樣可改變現行的隧道照明評價指標不考慮光源光色對視覺的影響，并可根據人眼中第3種感光細胞的光譜響應特性，重新研究和審視現行隧道照明評價指標體系的合理性。

3 光生物效應對隧道照明的影響

3.1 光生物效應

光生物效應是2002年世界上十大發現之一，它能對進入人眼的光輻射產生生物效應而獲得對外界的認識，它能控制人的生物節律和強度，并且影響人眼瞳孔大小，從而對人的視看水平和反應時間等產生重要影響。

150多年來，人們一直認為人眼中只有錐狀感光細胞和桿狀感光細胞兩種感光細胞。但是，2002年，美國布朗(Brown)大學的David Berson等學者在人眼視網膜上發現了第3種感光細胞——神經節細胞，它對不同波長光的敏感度是不同的，峰值位于490 nm，并稱為citopic(我國暫譯為司辰視覺)。光生物效應雖然是一種非映像的視覺效應，卻控制了人的生物節律和強度，并且影響人眼瞳孔大小。對瞳孔大小變化的研究表明，瞳孔大小是隨著照射在被試眼睛上的照度大小和光譜分布不同而變化的。

光生物效應過程與視覺過程不盡相同，雖然它們同樣是由人眼開始的，但是并不把影像信息直接傳遞到腦后皮層視區，而是由視網膜上神經節細胞將光信號傳遞到下丘腦通路(RHT)，再進入到視神經交叉上核(SCN)、腦室外神經核(PVN)和上部頸神經節，最后傳遞到松果體腺。視神經交叉上核是內源性振蕩器，是生物鐘，振蕩周期為24.5 h。在正常情況下，主要是依靠光的刺激調整生物鐘，每天清晨，光照把清醒和睡眠周期調整得與白天和黑夜周期一致。而在暗的條件下，松果體腺合成褪黑激素，并由血液吸收帶至全身，有利于人們休息睡覺。除了褪黑激素呈現出晝夜節律外，還有人體的體溫、人體的機敏程度和激素皮質醇等也具有晝夜節律。

3.2 光生物效應在隧道照明中的應用研究

采用不同的照明光源，會產生不同的光生物效應，從而對駕駛員的機敏程度等產生影響，即對發現障礙的反應時間產生影響，并會影響交通安全。在中間視覺時，人眼中視網膜上神經節感光細胞、錐狀感光細胞和桿狀光細胞同時要起作用，這3種感光細胞產生的視覺功效均會對交通安全產生影響，尤其是人眼中第3種感光細胞——citopic(司辰視覺)對人的機敏程度等生物效應的影響。因此，在遂道照明中不但要考慮中間視覺對交通安全的影響，而且還要考慮光生物效應對交通安全的影響。

光生物效應的光譜光效能最大值為3 850 lm/W，對應的峰值波長為490 nm。對于光生物效應而言，也可參在照明視覺條件下的光通量計算式進行:

式中

現采用400 W金屬鹵化物燈和400 W高壓鈉燈的光譜功率分布實測值，計算出在不同視覺條件下400 W金屬鹵化物燈和高壓鈉燈的光通量，光通量與光源功率的比值，就可以算得金屬鹵化物燈和高壓鈉燈的發光效率，光源的光通量和發光效率計算值見表2。

圖1 光生物效應、暗視覺和明視覺的光譜光效率

表2 在不同視覺條件下金屬鹵化物燈和高壓鈉燈的光通量和發光效率

在人眼視網膜上神經節感光細胞對短波長的光輻射更為敏感，由于金屬鹵化物燈的短波長光比高壓鈉燈含量更多，所以由式(2)算得的金屬鹵化物燈的光生物效應光通量比高壓鈉燈大得多(見表2)。金屬鹵化物燈的光生物效應發光效率約為343 lm/W，而高壓鈉燈的光生物效應發光效率約為105 lm/W，前者為后者的3倍多，這會影響人眼瞳孔大小;對于隧道照明來說，瞳孔增大，就會產生聚焦和眩光等問題，于是就會影響駕駛員視看前方道路上障礙物的清晰度，從而對安全、快速、舒適運行產生不利影響。因為當光源的功率等相同時，發光效率大的光源輻射出光通量就會更多，產生的照度也會更大，所以當功率等同的輻射成分中富含短波長的金屬鹵化物燈會比高壓鈉燈產生更大的照度，從而更有利于瞳孔收縮，提高可見度。

總之，從表2中可以看出，在不同視覺條件下同一個光源的輻射光通量大小不同，而且不同種類的光源光通量隨不同視覺的變化規律亦不相同，這是由于不同光源的光譜功率分布不相同和人眼的不同感光細胞對光的響應差別共同造成的，人眼中3種感光細胞:錐狀感光細胞、桿狀感光細胞和神經節感光細胞對光最敏感的波長分別為555 nm，507 nm和490 nm，而且相應的光效能最大值分別為683 lm/W，1 700 lm/W和3 850 lm/W。由此可知，當照明光源中富含藍綠光成分時，有可能使暗視覺時光通量大于明視覺時光通量，對金屬鹵化物燈而言，暗視覺時光通量比明視覺時光通量幾乎大一倍，光生物效應光通量比明視覺時光通量大二倍多。因此，當視覺工作需要考慮光生物效應時就必須研究照明光源的光譜功率分布的不同所產生的影響，對于隧道照明來說，必須要考慮光生物效應對聚焦等影響，這樣才能達到隧道照明安全與節能要求。

4 小結

在隧道照明研究中，光源的光色是一個不可忽視的重要因素。在光譜能量分布相似而色溫不同的光源中，選擇富含短波較多的光源，可以進一步提高照明效果，同時節約能源，實現綠色照明。而光生物效應對隧道照明的影響，目前國際上還處于研究的“空白”，相信隨著這方面研究的不斷深入，在未來的隧道照明設計中，一定可以更加全面科學地評價隧道照明光源的光效問題，可以更好地控制隧道光源光色對隧道照明的影響，從而解決隧道照明中節能與安全的矛盾，提高道路交通的安全性和舒適性。

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