光源光色對隧道照明效果的影響

劉英嬰，翁 季，陳建忠，陳仲林

（1.重慶大學 建筑城規學院；教育部山地城鎮建設與新技術重點實驗室，重慶 400045；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

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量，也就是照度（亮度）水平對于視覺敏銳度或對比敏感度的影響，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，實驗結果表明，光源光譜對于作業效能或難度的評價并無統計上顯著的影響。Berman［3］發現視網膜上的桿體細胞對于瞳孔大小以及在一般室內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。他們為此進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能力。研究結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在人眼視網膜上發現了第3種感光細胞——神經結細胞，確認了人眼的非視覺效應，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特性，其中瞳孔大小隨光照變化是一種重要的光生物效應，而瞳孔大小變化與視覺功效密切相關［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時間，而低色溫的緊湊型熒光燈則會延長反應時間。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用也成為照明研究的發展方向。但是，目前現行有關的公路隧道照明設計規范和標準［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光源與傳統隧道照明光源高壓鈉燈、金鹵燈相比較，結合光生物效應的研究成果，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計規范標準提供理論依據，最終利于實現隧道照明的安全與節能。

1 光源光色與反應時間實驗

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

1.1 實驗方案及步驟

實驗中用隨機出現的圓斑作為目標，以模擬隧道照明中可能出現的障礙物。圓斑直徑為26mm，相對受測者的眼睛為2°視場左右。實驗采用7種光源：150W 高壓鈉燈（HPS）、150W 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境相符，實驗通過調整目標的不同灰度（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。實驗時受測者一旦發現目標，立即以最快的反應按下按鈕，由電子計時儀記錄其反應時間。與此同時，受測者戴上iView X眼動儀，記錄下每次反應時間段對應的瞳孔變化值。

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30min來適應較暗的實驗環境。實驗中出現3種不同的視標對比度，每一種對比度下測試3個背景亮度的反應時間。每一種背景亮度下測試15次反應時間，即在3個視標偏心角0°（軸線）、10°（從0°水平順時針旋轉）、－10°（從0°水平逆時針旋轉）位置上隨機各測試5次。在每一次實驗中，目標物出現后如果受測者無反應，目標物在持續出現2s后消失。在每種亮度條件開始前受測者有1min的適應時間。

1.2 實驗參數確定

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，見表1。

表1 實驗參數的設置

背景亮度Lb：依據隧道照明的特點，不同照明區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80cd／m2，過渡段45cd／m2，中間段4.5cd／m2。

視標對比度C：由于在隧道照明中最常出現亮背景下觀察暗目標，因此亮度對比值應采取負數，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。根據一般遂道照明標準的亮度對比設置3種對比度，其對應的目標亮度見表2示。

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

表2 不同對比度對應的目標亮度Ltcd／m2

2 實驗結果與分析

2.1 光源光色與反應時間關系

反應時間是指對于每種測試條件下，從視標出現（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時間取平均值，計算結果見表3。

表3 7種光源色溫條件下的反應時間 ms

7種光源對于3種對比度，在背景亮度為Lb＝80、45、4.5cd／m2的反應時間如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 Lb＝80cd／m2反應時間

圖2 Lb＝45cd／m2反應時間

圖3 Lb＝4.5cd／m2 反應時間

分析上述3圖可以看出，在較高的背景亮度Lb＝80、45cd／m2時，反應時間最短的是 LED4。LED4的色溫為5128K，是7種光源中色溫最高的。其對應的反應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2739K，在7種光源中色溫并不是最低的。色溫為2432K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，而且與光源的光譜能量分布SPD密切相關，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的連續性明顯要好于金鹵燈，而且在短波450nm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＝4.5cd／m2時，反應時間最短的是LED3。LED3色溫為3683K，屬于中間色溫，其對應的反應時間比最長的高壓鈉燈縮短了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。

圖4 MH與LED2相對光譜能量分布比較

2.2 光源光色與瞳孔變化關系

瞳孔變化值是與每次反應時間段相對應的。iView X眼動儀會自動記錄下受測者在每種測試條件下每隔20ms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（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，計算結果見表4。

表4 7種光源色溫條件下的瞳孔變化值mm2

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，這個實驗結果表明高色溫的光源在高亮度水平下光生物效應越明顯。

在背景亮度Lb＝80、45cd／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，為了控制進入視網膜光線的強度，人眼的瞳孔先是收縮的。當視標出現時，人眼為了調節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。前面提到瞳孔收縮有利于提高視覺功效，這與圖1、圖2中對應的LED4反應時間最短是相吻合的。而金鹵燈在較高照明水平下對應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中對應的MH反應時間最長也相吻合。

在背景亮度Lb＝4.5cd／m2時，除了MH和HPS對應的瞳孔變化值為正值，所有的LED燈對應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，其光生物效應明顯比LED燈弱，對應的反應時間也比LED燈長，如圖3所示。在所有LED燈中，色溫為3686K的LED3的瞳孔變化值最小（負值），表明在中間視覺的的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收縮得最顯著，光生物效應最強，這與圖3中顯示的LED3的反應時間最短相吻合。

3 光源光色對隧道照明效果的影響

通過實驗結果分析，光源的色溫和光譜分布與反應時間和瞳孔大小是密切相關的，并且與照明水平也是有關系的。3種照明水平由高到低分別對應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5128K的LED4的反應時間最短，表明視覺功效最高；與此對應的瞳孔變化值也最?。ㄘ撝担?，說明瞳孔收縮有利于提高視覺功效，光生物效應最顯著。而中間段屬于中間視覺水平，中間色溫3686K的LED3的反應時間最短，視覺功效最高；與此對應的瞳孔變化值也最?。ㄘ撝担?，說明中間色溫在中間段的光生物效應最顯著。

圖5 LED4與LED3光譜能量分布比較

分析比較LED4和LED3的光譜能量分布圖可以發現，如圖5所示，LED4和LED3的光譜分布寬度及連續性都較好，明顯優于金鹵燈（見圖4）。LED4的最高峰值在460nm附近，正好處于光生物效應Cirtopic的峰值敏感度區域［7］，且輻射量數值達到1.5×10－3，明顯偏向短波方向。另一個突起位于560nm附近，但是輻射量數值只有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關于Cirtopic的最大光譜靈敏度處于藍色光區域內，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越顯著。而LED3的最高峰值在580nm附近，向長波方向偏移，雖然在460nm附近也有一個突起，但輻射量數值只達到了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。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時間與瞳孔大小的影響也顯著不同。反應時間是視覺功效的重要指標，而瞳孔大小是光生物效應的本質表現。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的綜合影響。

4 結 語

綜合以上的分析和研究，色溫在5000K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3500K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。在隧道照明設計規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的影響，其結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計和實施中，可以更合理地選擇適用隧道照明各區段的光源。在今后制定隧道照明設計規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能，從而解決隧道照明中節能與安全的矛盾。

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