劉英嬰 張青文 胡英奎

(1.重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045;2.重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

1 引言

我國屬于多山地國家，經濟的騰飛帶動高速公路的快速發(fā)展需要建設大量的隧道。由于隧道照明的特殊性——白天黑夜均需要照明，隧道照明會比道路照明消耗更多的電能;在白天，駕車經過隧道的入口段和中間段時的視覺適應和照明要求截然不同，隧道照明質量的好壞將直接影響行車安全。隧道照明研究如果跟不上公路隧道建設的高速發(fā)展，所引發(fā)的交通事故和高能耗必然日益嚴重。但是，目前現行有關的公路隧道照明設計規(guī)范和標準［1］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，而且只考慮了隧道路面的亮度或者照度水平，而沒有考慮光源的色溫和光譜分布對照明效果的影響。特別是新型光源LED的研究，已成為全世界研究的“熱點”，我國也正在積極地加以推廣和應用［1］。2002年美國布朗 (Brown)大學的 David Berson等學者在人眼視網膜上發(fā)現了第3種感光細胞——神經結細胞，它能由進入人眼的輻射所產生的生物效應而獲得對外界的認識，并稱為cirtopic［4］。它具有與明視覺、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［4］，而瞳孔大小變化與視覺功效密切相關。近幾年的研究成果表明［5］、［6］，光源的色溫及光譜功率分布SPD對視覺功效與光生物效應均有直接影響。因此，為了正確評價光源色溫對隧道入口段和中間段照明的影響，需要進行視覺功效與光生物效應的綜合研究，以提出適用于隧道照明不同區(qū)段的光源，進而使隧道照明的設計與實施更加符合人眼視看的實際情況，最終利于實現隧道照明的安全節(jié)能。

2 隧道入口段和中間段的視覺特點

隧道的產生正是因為道路需要穿越實體，因此它的兩側和頂部是封閉的，只有在隧道的兩端洞口能接受到自然光的照射。這種特殊的構造會造成隧道入口段和中間段的亮度差異，人眼為了適應不同的亮度差異會產生不同的視覺問題，因此隧道入口段和中間段具有不同的視覺特點。

在白天，當駕駛員接近隧道入口段時，由于隧道洞口外的亮度很高，駕駛員看到的將是一個黑洞，這是“黑洞”現象。從明亮的隧道外進入黑暗的隧道內屬于暗適應，人眼不能馬上感知空間的詳細情況，即產生“適應的滯后現象”。這是由于人眼的視覺系統(tǒng)暗適應時間比明適應長。在暗適應過程中，眼睛從明到暗，開始靈敏度很低，然后逐漸增加，最后達到穩(wěn)定和清晰。雖然人眼的視覺系統(tǒng)能適應周圍環(huán)境亮度的巨大下降，但是這個適應時間的長短取決于亮度降低的量級。亮度差異越大，適應需要時間越長。這表示在一定的行車速度下，隧道內外亮度差異越大，駕駛員需要的視覺適應距離越長。

在隧道的中間段，由于相對封閉的結構，汽車廢氣和灰塵不容易及時排散，積聚會形成煙霧，影響駕駛員的可見度。中間段還存在中間視覺效應的影響。從明視覺過渡到暗視覺的過程中，人眼的光譜靈敏度是逐漸變化的，整個光譜靈敏度曲線逐漸由長波向短波方向推移。人眼對黃色光和紅色光(貧含暗視覺光譜)的靈敏度隨適應亮度下降而顯著降低，而對藍綠色光 (富含暗視覺光譜)的反應卻大大提高。這就是為什么在黃昏亮度較低時，我們感覺短波方向的藍光和綠光很明亮;而在亮度很高的白天，波長較長的紅光則顯得明亮。另外，藍綠色光會抑制人體內褪黑素的分泌，提高機體的反應能力，影響人眼的瞳孔大小，這會直接影響到駕駛員的反應時間，即對視覺功效產生影響。

3 實驗方法及步驟

反應時間實驗旨在模擬隧道入口段和中間段的視看環(huán)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變化，來獲得反應時間和瞳孔大小與隧道照明因數 (實驗參數)之間的變化關系。采用七種光源——150W高壓鈉燈 (以下簡稱HPS)和150W金屬鹵化物燈 (以下簡稱MH)以及5種色溫的LED光源。用隨機出現的圓斑模擬駕車行使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。圓斑可以在軸線和非軸線上出現，以保證不僅有中央視覺，而且有周邊視覺，與實際的遂道照明視看環(huán)境相符。圓斑作為測試的視標，其亮度與背景亮度由同一種光源提供，以保證視標亮度和背景亮度具有相同的光譜分布，不存在顏色對比。視標亮度可以任意調節(jié)與背景亮度成不同的負對比。受測者在特定的視看條件下 (由不同的實驗參數確定)，一旦發(fā)現視標立即按下按鈕，由電子計時儀記錄其反應時間;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。在受測者開始每組實驗前，先對眼動儀進行瞳孔校正，然后用30分鐘來適應較暗的實驗環(huán)境，見圖1。

圖1 反應時間實驗測試Fig.1 Experimental text of response time

一共有5名受測者 (年齡20～24歲，3男2女)參與實驗，所有的受測者都擁有正常的色覺和矯正視力。實驗采用2種不同的背景亮度，分別對應于隧道的入口段和中間段。每一種背景亮度條件下測試3種對比度和15個目標物位置 (其中0°、10°、－10°視角各5個)。每個受測者每種光源觀測90個數據:3個視標對比度×15個目標物位置×2個背景亮度=90個，一共七種光源。實驗參數設置見表1。

表1 實驗參數的設置Table 1 Setting experimental datas

4 光源色溫與反應時間研究

反應時間是指對于每一種測試條件下，從視標出現 (電子快門打開)到受測者按下按鈕時的時間之差。對所有受測者完成的反應時間取平均值，計算結果見表2。

分析表2可以看出，在背景亮度為Lb=80cd/m2時，對應于隧道照明的入口段，LED4的反應時間最短，MH反應時間最長。表明色溫為5128K的LED4在入口段的照明水平下視覺功效最高，色溫為2739K的MH的視覺功效最低;在背景亮度為Lb=4.5 cd/m2時，對應于隧道照明的中間段，反應時間最短的是LED3，反應時間最長的是HPS。表明色溫為3683K的LED3在中間段的照明水平下視覺功效最高，色溫為1919K的HPS的視覺功效最低。

LED4的色溫是七種光源中色溫最高的，通過反應時間對比說明了視覺功效與光源色溫密切相關:當照明水平較高時，高色溫光源的視覺功效明顯高于低色溫的光源;與此同時，金鹵燈和LED2的色溫同樣在2500K左右，但色溫為2432K的LED2在入口段的反應時間卻遠小于金鹵燈，這充分說明視覺功效不僅與光源色溫相關，而且與光源的光譜能量分布SPD相關，見圖2。從圖2中可以看出LED2的光譜能量分布SPD的連續(xù)性明顯要好于金鹵燈，而且在短波450納米左右有一個明顯的突起，進一步說明了色溫相似而光譜能量分布不同的光源對照明效果的影響不同。在較高的照明水平下，選擇高色溫且富含短波較多的LED光源，可以提高視覺功效。

表2 七種色溫光源條件下的反應時間 (毫秒)Table 2 Response time(ms)under the light sources condition with 7 kinds of color temperature

而隧道中間段亮度水平為4.5cd/m2，屬于中間視覺水平。LED3的色溫為3683K，屬于中間色溫，表明在中間視覺照明水平下中間色溫的LED光源的視覺功效最高。

在現行隧道照明標準中，安全停車視距是一個重要的評價指標。當車速一定時，安全停車視距取決于駕駛員的反應時間。在入口段，除了LED2和LED3，LED光源的反應時間都要比MH和HPS短;在中間段，所有LED光源的反應時間都要比MH和HPS短，這說明LED光源應用于隧道照明可以產生較好的視覺功效。

圖2 MH與LED2光譜能量分布比較Fig.2 Spectral energy distribution comparison of MH and LED2

5 光源色溫與瞳孔變化研究

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:如果照明光源的輻射光譜使人眼的瞳孔收縮得多，視看目標就感到清晰，朦朧感少，具有較好的視覺功效;反之，視覺功效就差。瞳孔變化值是與每次反應時間段相對應的。視標出現時受測者的瞳孔面積為A1，發(fā)現視標受測者按下按鈕時的瞳孔面積為A2，A2減去A1的差值即為瞳孔變化值。對所有受測者的瞳孔變化值取平均值，計算結果見表3。

表3 七種色溫光源條件下的瞳孔變化值 (mm2)Table 3 Pupil size variation(mm2)under the light sources condition with 7 kinds of color temperatur

從表3可以看出，隨著背景亮度的減小——從隧道入口段到中間段，除了LED4，其他色溫光源對應的瞳孔變化值都在減小，說明瞳孔隨著背景亮度的減小在視看目標時逐漸收縮。前面提到瞳孔大小隨光照變化是一種重要的光生物效應，說明越是低亮度水平下瞳孔為了發(fā)現目標收縮得越厲害，光生物效應越明顯。

在背景亮度為Lb=80 cd/m2時，除了LED4以外其他光源的瞳孔變化值都為正值。說明在高亮度背景下，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，隨著視標的出現，人眼瞳孔會自動放大來調節(jié)進光量。但是在LED4的照明條件下，瞳孔變化值卻為負值，說明LED4在入口段照明條件下仍會使人眼的瞳孔收縮，具有明顯的光生物效應。比較LED4和LED3的光譜能量分布圖可以發(fā)現，如圖3所示，LED4光譜的最高峰值在460納米附近，正好處于光生物效應cirtopic的峰值敏感度區(qū)域［7］，并且其輻射值是LED3的一倍多;而在長波方向，LED3的相對能量分布比LED4要多。這充分說明了光生物效應與光源中藍綠光成份含量多少有直接關系，而且與瞳孔大小有很好的相關關系。瞳孔收縮有利于提高視覺功效，這與入口段反應時間LED4最短相吻合。而MH對應的瞳孔變化值最大 (正值)，說明瞳孔放大的最大，這樣不利于提高視覺功效，與入口段反應時間MH最長也相吻合。

在背景亮度為Lb=4.5 cd/m2時，即隧道中間段，除了MH和HPS對應的瞳孔變化值為正值，所有的LED光源對應的瞳孔變化值都為負值。說明在中間視覺亮度水平下，LED光源的光生物效應明顯比MH和HPS要強，其對應的反應時間也明顯比MH和HPS短，如表3所示。在所有LED光源中，色溫為3686K的LED3的瞳孔變化值最小 (負值)，表明在中間視覺的照明水平下，LED3使人眼的瞳孔收縮得最厲害，光生物效應最強，這與中間段LED3的反應時間最短相吻合。

圖3 LED4與LED3光譜能量分布比較Fig.3 Spectral energy distribution comparison of LED4 and LED3

6 結語

通過以上的研究結果分析，光源的色溫和光譜分布與視覺功效和光生物效應都是密切相關的。綜合視覺功效和光生物效應的影響，色溫在5000K左右，光譜分布偏向藍綠光的LED4光源最適宜隧道的入口段照明;而色溫在3600K左右，光譜分布偏向黃綠光的的LED3光源最適宜隧道中間段照明。

由此可見，在隧道照明研究中，光源的色溫和光譜分布是一個不可忽略的重要因素。而目前的隧道照明設計規(guī)范和標準都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效果的影響，其結果必然導致不能科學地評價隧道照明光源和照明水平，造成能源的浪費和交通安全問題。由于LED光源的色溫可以人為的調節(jié)，因此其在隧道照明中的應用具有很好的優(yōu)勢。對LED光源的色溫和光譜分布還有待進一步研究，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，LED光源可以更好的應用于隧道照明，從而解決隧道照明中節(jié)能與安全的矛盾，實現綠色照明。

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