不同光環(huán)境下暗適應及辨色能力的實驗研究

余彬彬，金尚忠*，朱伯明，陳建鋒

(1.中國計量學院光學與電子科技學院，浙江杭州 310018;2.寧波燎原燈具股份有限公司，浙江寧波 315408;3.慈溪中發(fā)燈飾有限公司，浙江寧波 315336)

1 引 言

照明是視覺感知的必要條件。據(jù)統(tǒng)計，人們與自然界接觸中，約有80%［1］以上的信息是通過視覺獲得的。照明條件的好壞直接影響視覺獲得信息的效率與質(zhì)量。照明與工作效率、工作質(zhì)量、安全及人的舒適、視力和身體健康都有著重要的關系。照明條件是作業(yè)環(huán)境中的重要因素之一［2］。工作精細度和機械自動化程度越高，對照明的要求也越高。

船舶駕駛員在執(zhí)行夜航任務時，首先要對信息進行感知和判斷，然后進行船舶操縱。駕駛臺在夜航時，可操縱部分主要包括:船舶主機操縱、舵機操縱、鳴笛、緊急停車、消除報警、試燈和調(diào)光等［3］。陸上生活習慣的影響，再加之工作環(huán)境明暗程度的頻繁變換(如常看雷達熒光屏等)，往往加劇了眼睛的疲勞程度。同時，人眼在夜間對顏色的分辨力較差，而多借助于物標的亮度來識別，常會把較明亮的物標誤遠為近;反之，又可把亮度較差的物標誤近為遠、誤小為大。據(jù)某港航單位統(tǒng)計，近10年來，夜間重、特大海事事故占70%以上［4］，事故原因主要有以下幾條［5］:(1)對于夜間觀察環(huán)境，暗適應不充分;(2)船舶駕駛室受到光污染;(3)在夜間佩戴變色眼鏡。

人類視網(wǎng)膜中有兩種不同的感光細胞:視桿細胞和視錐細胞。它們的功能相互獨立，在不同的條件下工作，并產(chǎn)生不同的視覺［6］。暗適應是視網(wǎng)膜適應暗處或低光強度狀態(tài)而出現(xiàn)的視敏感度增大的現(xiàn)象［7］。在黑暗的地方，人眼錐狀細胞不工作，只有桿狀細胞在起作用。桿狀細胞中有視紫紅質(zhì)，在暗處它可以逐漸合成，對弱光敏感。在暗處5 min內(nèi)，60%的視紫紅質(zhì)就可以生成，約30 min即可全部生成［8］。當環(huán)境光亮度降低時，暗適應視覺靈敏度隨之提高［9］。

船舶上的儀表儀器復雜，儀表判讀方式也不盡相同，如帶有鏡面的電壓、電流表，帶有液晶屏幕的電子航海圖，帶有紅、綠兩色的舵角表，帶有紅光數(shù)碼管的轉(zhuǎn)速報警儀等，另外，船舶艙室相對封閉、船員作業(yè)任務強度大，這些情況有可能導致船員對儀表判讀的準確性以及暗環(huán)境下的適應出現(xiàn)問題。因此，研究不同光環(huán)境下的人眼暗適應及辨色能力具有重要的意義。

2 實 驗

受試者為22～26歲、大學以上文化程度的50名健康男女，無任何眼疾，矯正視力≥5.0［10］。

2.1 暗適應實驗

實驗在暗室進行。照明環(huán)境共有15種:色溫為1 700～1 900 K，照度30，40，50 lx的LED 日光燈3 種;色溫為2 200 ～2 500 K，照度30，40，50 lx的LED日光燈3種;色溫為3 000 K，照度30，40，50 lx的LED日光燈3種;藍光LED和白光LED混光照度為30，40，50 lx的日光燈3種;紅光LED和白光LED混光照度為30，40，50 lx的日光燈3種。測試平面照度均勻，上有5塊形狀與大小各不相同的物塊。受試者在不同光環(huán)境下靜坐10 min后，關閉環(huán)境光源，顯示黑暗狀態(tài)開始計時，以每個受試者可以清晰辨認測試平面上物塊所用時間即為暗適應時間。

2.2 辨色實驗

實驗在暗室進行。8組燈光作為實驗光源，分別為1 830 K白光 LED、2 495 K白光 LED、2 895 K白光LED、藍光LED、紅光LED、紅光+白光LED、藍光+白光LED、紅光白熾燈。

以15枚在自然光下呈現(xiàn)不同顏色的色塊作為參照。受試者視距為20 cm，每個受試者在8種不同組合的燈光下辨別被隨機打亂的15×4共60個色塊的顏色，15種色塊顏色定義為:1.深綠;2.墨綠;3.黃色;4.湖藍;5.深藍;6.金黃;7.果綠;8.西瓜紅;9.紅色;10.橙色;11.淺紫;12.粉色;13.寶藍;14.白色;15.米色。15種色塊的CIE L*a*b*值如表1所示［11］。國際照明委員會(CIE)根據(jù)人眼的視覺系統(tǒng)對可見光的感知結(jié)果，在1976年，推薦了一種新的顏色空間及其相關色差公式，即CIE LAB(或L*a*b*)顏色系統(tǒng)，現(xiàn)在已成為世界各國正式采納、作為國際通用的測色標準。它適用于一切光源色或物體色的表示與計算。其中L*為明度，a*、b*為色度，+a*方向為紅色方向，-a*方向為綠色方向，+b*方向為黃色方向，-b*方向為藍色方向［12］。

讓受試者對這60個色塊進行顏色分辨，將同一種顏色的色塊擺在一起，且使15類色塊的擺放順序與參照色塊的擺放順序一致。若同一類色塊沒有擺在一起或色塊的擺放順序與參照色塊的擺放順序不符，即為錯誤［13］。

表1 15種標準色塊的L*a*b*值Table 1 L*a*b*values of the 15 kinds of standard color pieces

3 結(jié)果與討論

3.1 暗適應分析

50名受試者在15組光環(huán)境下的平均暗適應時間如圖1所示。從圖中可以看出:

(1)30 lx照度下，受試者的暗適應水平在3 000 K色溫達到最佳，說明在較低照度下，3 000 K色溫的白光暗適應能力高于較低色溫;

(2)40 lx和50 lx照度下，受試者的暗適應水平在1 700～1 900 K色溫達到最佳，隨著色溫的升高，暗適應能力逐步減弱;

(3)在摻藍光的白光LED照明環(huán)境中，受試者的暗適應能力最差，并且隨著色溫的升高，其暗適應時間變長;

(4)在摻紅光的白光LED照明環(huán)境中，在50 lx照度下，受試者的暗適應時間最長。

圖1 50名受試者在15組光環(huán)境下的平均暗適應時間Fig.1 Mean dark adaptation time of50 participants in 15 group light conditions

3.2 辨色能力分析

3.2.1 色塊在不同光照下的識別成功率

1～15號色塊在不同光環(huán)境下的識別成功率如圖2所示，從圖中可以看出:

(1)在1 830 K白光和藍光LED環(huán)境下，各個色塊的識別成功率差異較大;

(2)在2 495 K白光 LED、2 895 K白光LED、紅光+白光LED、藍光+白光LED照射環(huán)境下，色塊的識別成功率較高;

(3)紅光白熾燈和紅光LED環(huán)境下的色塊識別成功率較低。

圖2 1～15號色塊在不同光環(huán)境下的識別成功率Fig.2 Recognition success rate of 1-15 color lumps underdifferent light condition

3.2.2 色塊在不同色溫白光LED下的識別成功率

受試者分別在 1 830，2 495，2 895 K白光LED照射環(huán)境下進行試驗，不同色塊在不同色溫的白光LED下的識別成功率如圖3所示。從圖中可以看出:

(1)第8、10、13色塊被成功識別的概率較低，第9、11色塊的成功率一直很高，即在白光LED環(huán)境下，色塊的識別與+b*量(即黃色分量)關系不密切;

(2)L*值在50～70范圍內(nèi)的色塊的正確識別率較高;

(3)對于低色溫白光，隨著白光色溫的升高，識別色塊的成功率也在增加;

(4)不同色塊間被成功識別的概率相對不變，不會隨著色溫的升高而增加。

圖3 不同色塊在不同色溫白光LED下的識別成功率Fig.3 Recognition success rates of different color lump under different color temperature ofwhite LED

3.2.3 色塊在特種光照下的識別成功率

在藍光LED和紅光LED照明下，色塊的識別成功率如圖4所示。從圖中可以看出:藍光LED下的色塊識別成功率總體高于紅光LED;在藍光LED下，L*值在60～80范圍的色塊的正確識別率較高。

圖4 藍光LED和紅光LED照明下的色塊識別成功率Fig.4 Color recognition success rate of different color lump under different blue LED and red LED light

3.2.4 色塊在混合光下的識別成功率

當藍光LED混合白光和紅光LED混合白光時，色塊的識別成功率如圖5所示。這兩種混合光都令測試者具有較好的顏色分辨能力。

圖5 混合光下色塊識別成功率Fig.5 Color recognition success rate of different color lumpundermixed light

3.2.5 船艙暗適應用紅光白熾燈下色塊識別成功率

當船舶夜航時，為了滿足暗適應的要求，需要增加紅光白熾燈作為補充。在該條件下，色塊的識別成功率如圖6所示。從圖中可以看出:在滿足暗適應的同時，對顏色的辨識能力降低了。紅光白熾燈與紅光LED環(huán)境下的顏色辨識能力相當，但劣于紅色LED混合白光的條件。

圖6 色塊在船舶夜航時的識別成功率Fig.6 Color recognition success rate under red incandescent lamp

4 結(jié) 論

研究了在不同環(huán)境光下，在滿足暗適應能力的同時，人眼對顏色的識別能力，得出以下結(jié)論:

(1)當被照物體顏色L*亮度在50～80范圍內(nèi)時，人眼可以較好地分辨顏色;

(2)在摻藍光的白光LED照射下，受試者的辨色能力較好，但是相對應的暗適應能力受到了較大影響，并且照度越高，其暗適應能力越差;

(3)在摻紅光的白光LED照射下，雖然暗適應的時間在一定程度上比紅光有所延長，但是取得了較好的辨色效果;

(4)船舶使用的為滿足暗適應需求的紅色白熾燈，對顏色的分辨有很大的干擾，增加了船舶駕駛員誤判誤讀的風險;

(5)當色溫在2 500～3 000 K之間、照度為40 lx左右時，受試者既可以取得較好的辨色能力，同時也有較強的暗適應能力;

(6)為滿足暗適應的基本條件同時使人眼有較好的辨色能力，光源宜選取摻白光的紅光LED。致謝:感謝寧波燎原燈具股份有限公司和慈溪中發(fā)燈飾有限公司提供的燈具及參數(shù)等的幫助。

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余彬彬(1991-)，男，浙江平陽人，碩士研究生，2013年于中國計量學院獲得學士學位，主要從事光生物效應方面的研究。

E-mail:pai3_14@yeah.net

金尚忠(1963-)，男，浙江象山人，教授，2005年于浙江大學獲得博士學位，主要從事LED照明、光譜分析與檢測方面的研究。

E-mail:jinsz@cjlu.edu.cn