LED光源色温对隧道照明入口段和中间段的影响

刘英婴 张青文 胡英奎

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045;2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

1 引言

我国属于多山地国家，经济的腾飞带动高速公路的快速发展需要建设大量的隧道。由于隧道照明的特殊性——白天黑夜均需要照明，隧道照明会比道路照明消耗更多的电能;在白天，驾车经过隧道的入口段和中间段时的视觉适应和照明要求截然不同，隧道照明质量的好坏将直接影响行车安全。隧道照明研究如果跟不上公路隧道建设的高速发展，所引发的交通事故和高能耗必然日益严重。但是，目前现行有关的公路隧道照明设计规范和标准［1］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，而且只考虑了隧道路面的亮度或者照度水平，而没有考虑光源的色温和光谱分布对照明效果的影响。特别是新型光源LED的研究，已成为全世界研究的“热点”，我国也正在积极地加以推广和应用［1］。2002年美国布朗 (Brown)大学的 David Berson等学者在人眼视网膜上发现了第3种感光细胞——神经结细胞，它能由进入人眼的辐射所产生的生物效应而获得对外界的认识，并称为cirtopic［4］。它具有与明视觉、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［4］，而瞳孔大小变化与视觉功效密切相关。近几年的研究成果表明［5］、［6］，光源的色温及光谱功率分布SPD对视觉功效与光生物效应均有直接影响。因此，为了正确评价光源色温对隧道入口段和中间段照明的影响，需要进行视觉功效与光生物效应的综合研究，以提出适用于隧道照明不同区段的光源，进而使隧道照明的设计与实施更加符合人眼视看的实际情况，最终利于实现隧道照明的安全节能。

2 隧道入口段和中间段的视觉特点

隧道的产生正是因为道路需要穿越实体，因此它的两侧和顶部是封闭的，只有在隧道的两端洞口能接受到自然光的照射。这种特殊的构造会造成隧道入口段和中间段的亮度差异，人眼为了适应不同的亮度差异会产生不同的视觉问题，因此隧道入口段和中间段具有不同的视觉特点。

在白天，当驾驶员接近隧道入口段时，由于隧道洞口外的亮度很高，驾驶员看到的将是一个黑洞，这是“黑洞”现象。从明亮的隧道外进入黑暗的隧道内属于暗适应，人眼不能马上感知空间的详细情况，即产生“适应的滞后现象”。这是由于人眼的视觉系统暗适应时间比明适应长。在暗适应过程中，眼睛从明到暗，开始灵敏度很低，然后逐渐增加，最后达到稳定和清晰。虽然人眼的视觉系统能适应周围环境亮度的巨大下降，但是这个适应时间的长短取决于亮度降低的量级。亮度差异越大，适应需要时间越长。这表示在一定的行车速度下，隧道内外亮度差异越大，驾驶员需要的视觉适应距离越长。

在隧道的中间段，由于相对封闭的结构，汽车废气和灰尘不容易及时排散，积聚会形成烟雾，影响驾驶员的可见度。中间段还存在中间视觉效应的影响。从明视觉过渡到暗视觉的过程中，人眼的光谱灵敏度是逐渐变化的，整个光谱灵敏度曲线逐渐由长波向短波方向推移。人眼对黄色光和红色光(贫含暗视觉光谱)的灵敏度随适应亮度下降而显著降低，而对蓝绿色光 (富含暗视觉光谱)的反应却大大提高。这就是为什么在黄昏亮度较低时，我们感觉短波方向的蓝光和绿光很明亮;而在亮度很高的白天，波长较长的红光则显得明亮。另外，蓝绿色光会抑制人体内褪黑素的分泌，提高机体的反应能力，影响人眼的瞳孔大小，这会直接影响到驾驶员的反应时间，即对视觉功效产生影响。

3 实验方法及步骤

反应时间实验旨在模拟隧道入口段和中间段的视看环境，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变化，来获得反应时间和瞳孔大小与隧道照明因数 (实验参数)之间的变化关系。采用七种光源——150W高压钠灯 (以下简称HPS)和150W金属卤化物灯 (以下简称MH)以及5种色温的LED光源。用随机出现的圆斑模拟驾车行使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。圆斑可以在轴线和非轴线上出现，以保证不仅有中央视觉，而且有周边视觉，与实际的遂道照明视看环境相符。圆斑作为测试的视标，其亮度与背景亮度由同一种光源提供，以保证视标亮度和背景亮度具有相同的光谱分布，不存在颜色对比。视标亮度可以任意调节与背景亮度成不同的负对比。受测者在特定的视看条件下 (由不同的实验参数确定)，一旦发现视标立即按下按钮，由电子计时仪记录其反应时间;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。在受测者开始每组实验前，先对眼动仪进行瞳孔校正，然后用30分钟来适应较暗的实验环境，见图1。

图1 反应时间实验测试Fig.1 Experimental text of response time

一共有5名受测者 (年龄20～24岁，3男2女)参与实验，所有的受测者都拥有正常的色觉和矫正视力。实验采用2种不同的背景亮度，分别对应于隧道的入口段和中间段。每一种背景亮度条件下测试3种对比度和15个目标物位置 (其中0°、10°、－10°视角各5个)。每个受测者每种光源观测90个数据:3个视标对比度×15个目标物位置×2个背景亮度=90个，一共七种光源。实验参数设置见表1。

表1 实验参数的设置Table 1 Setting experimental datas

4 光源色温与反应时间研究

反应时间是指对于每一种测试条件下，从视标出现 (电子快门打开)到受测者按下按钮时的时间之差。对所有受测者完成的反应时间取平均值，计算结果见表2。

分析表2可以看出，在背景亮度为Lb=80cd/m2时，对应于隧道照明的入口段，LED4的反应时间最短，MH反应时间最长。表明色温为5128K的LED4在入口段的照明水平下视觉功效最高，色温为2739K的MH的视觉功效最低;在背景亮度为Lb=4.5 cd/m2时，对应于隧道照明的中间段，反应时间最短的是LED3，反应时间最长的是HPS。表明色温为3683K的LED3在中间段的照明水平下视觉功效最高，色温为1919K的HPS的视觉功效最低。

LED4的色温是七种光源中色温最高的，通过反应时间对比说明了视觉功效与光源色温密切相关:当照明水平较高时，高色温光源的视觉功效明显高于低色温的光源;与此同时，金卤灯和LED2的色温同样在2500K左右，但色温为2432K的LED2在入口段的反应时间却远小于金卤灯，这充分说明视觉功效不仅与光源色温相关，而且与光源的光谱能量分布SPD相关，见图2。从图2中可以看出LED2的光谱能量分布SPD的连续性明显要好于金卤灯，而且在短波450纳米左右有一个明显的突起，进一步说明了色温相似而光谱能量分布不同的光源对照明效果的影响不同。在较高的照明水平下，选择高色温且富含短波较多的LED光源，可以提高视觉功效。

表2 七种色温光源条件下的反应时间 (毫秒)Table 2 Response time(ms)under the light sources condition with 7 kinds of color temperature

而隧道中间段亮度水平为4.5cd/m2，属于中间视觉水平。LED3的色温为3683K，属于中间色温，表明在中间视觉照明水平下中间色温的LED光源的视觉功效最高。

在现行隧道照明标准中，安全停车视距是一个重要的评价指标。当车速一定时，安全停车视距取决于驾驶员的反应时间。在入口段，除了LED2和LED3，LED光源的反应时间都要比MH和HPS短;在中间段，所有LED光源的反应时间都要比MH和HPS短，这说明LED光源应用于隧道照明可以产生较好的视觉功效。

图2 MH与LED2光谱能量分布比较Fig.2 Spectral energy distribution comparison of MH and LED2

5 光源色温与瞳孔变化研究

当目标的亮度、亮度对比和视角相同时，人眼视觉功效好坏是由瞳孔大小确定的:如果照明光源的辐射光谱使人眼的瞳孔收缩得多，视看目标就感到清晰，朦胧感少，具有较好的视觉功效;反之，视觉功效就差。瞳孔变化值是与每次反应时间段相对应的。视标出现时受测者的瞳孔面积为A1，发现视标受测者按下按钮时的瞳孔面积为A2，A2减去A1的差值即为瞳孔变化值。对所有受测者的瞳孔变化值取平均值，计算结果见表3。

表3 七种色温光源条件下的瞳孔变化值 (mm2)Table 3 Pupil size variation(mm2)under the light sources condition with 7 kinds of color temperatur

从表3可以看出，随着背景亮度的减小——从隧道入口段到中间段，除了LED4，其他色温光源对应的瞳孔变化值都在减小，说明瞳孔随着背景亮度的减小在视看目标时逐渐收缩。前面提到瞳孔大小随光照变化是一种重要的光生物效应，说明越是低亮度水平下瞳孔为了发现目标收缩得越厉害，光生物效应越明显。

在背景亮度为Lb=80 cd/m2时，除了LED4以外其他光源的瞳孔变化值都为正值。说明在高亮度背景下，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，随着视标的出现，人眼瞳孔会自动放大来调节进光量。但是在LED4的照明条件下，瞳孔变化值却为负值，说明LED4在入口段照明条件下仍会使人眼的瞳孔收缩，具有明显的光生物效应。比较LED4和LED3的光谱能量分布图可以发现，如图3所示，LED4光谱的最高峰值在460纳米附近，正好处于光生物效应cirtopic的峰值敏感度区域［7］，并且其辐射值是LED3的一倍多;而在长波方向，LED3的相对能量分布比LED4要多。这充分说明了光生物效应与光源中蓝绿光成份含量多少有直接关系，而且与瞳孔大小有很好的相关关系。瞳孔收缩有利于提高视觉功效，这与入口段反应时间LED4最短相吻合。而MH对应的瞳孔变化值最大 (正值)，说明瞳孔放大的最大，这样不利于提高视觉功效，与入口段反应时间MH最长也相吻合。

在背景亮度为Lb=4.5 cd/m2时，即隧道中间段，除了MH和HPS对应的瞳孔变化值为正值，所有的LED光源对应的瞳孔变化值都为负值。说明在中间视觉亮度水平下，LED光源的光生物效应明显比MH和HPS要强，其对应的反应时间也明显比MH和HPS短，如表3所示。在所有LED光源中，色温为3686K的LED3的瞳孔变化值最小 (负值)，表明在中间视觉的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收缩得最厉害，光生物效应最强，这与中间段LED3的反应时间最短相吻合。

图3 LED4与LED3光谱能量分布比较Fig.3 Spectral energy distribution comparison of LED4 and LED3

6 结语

通过以上的研究结果分析，光源的色温和光谱分布与视觉功效和光生物效应都是密切相关的。综合视觉功效和光生物效应的影响，色温在5000K左右，光谱分布偏向蓝绿光的LED4光源最适宜隧道的入口段照明;而色温在3600K左右，光谱分布偏向黄绿光的的LED3光源最适宜隧道中间段照明。

由此可见，在隧道照明研究中，光源的色温和光谱分布是一个不可忽略的重要因素。而目前的隧道照明设计规范和标准都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效果的影响，其结果必然导致不能科学地评价隧道照明光源和照明水平，造成能源的浪费和交通安全问题。由于LED光源的色温可以人为的调节，因此其在隧道照明中的应用具有很好的优势。对LED光源的色温和光谱分布还有待进一步研究，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，LED光源可以更好的应用于隧道照明，从而解决隧道照明中节能与安全的矛盾，实现绿色照明。

［1］Wout Van Bommel著，徐红妹译．照明的明天:什么是热点 ［J］．照明工程学报，2011，22(3)．

［2］章海骢．照明科学新进展—眼睛的非视觉效应 ［J］．照明工程学报，2006，17(3):1～3．

［3］杨公侠，杨旭东．人类的第三种光感受器 (上)［J］．光源与照明，2006，(2):30，31．

［4］杨公侠，杨旭东．人类的第三种光感受器 (下)［J］．光源与照明，2006，(3):28～30．

［5］Steve Fotios等著，王其译．白光照明是最佳的照明吗［J］．中国照明电器，2006年01期．

［6］刘英婴．用反应时间研究道路照明光源的相对光效［D］．重庆大学硕士学位论文．

［7］Smith，S．W．，Rea，M．S．Relationship between office task performance and ratings of feelings and task evaluations under different light sources and levels．Proceedings of the CIE，19thsession， Kyoto， Japan，pp207～210，1979．

［8］Berman，S．M．et al．．Luminance-controlled pupil size affects Landolt C task performance． JIES 22，1993，pp150～165．

［9］迪伦．姜．吴锦雷译．光源的光谱对道路照明的影响［J］．光源与照明，2000，(4):29～33．

［10］居家奇，陈大华，林燕丹．照明的非视觉生物效应及其实践意义 ［J］．照明工程学报，2009，3(1):25～28．

［11］张青文，杨春宇，陈仲林，胡英奎．用视觉功效法探究适用于道路照明的新型光源 ［J］．同济大学学报(自然科学版)，2009，37(6):781～785．