光源色温对隧道及道路照明视觉功效影响的研究.pdf

2008年 6 月 第 19 卷? 第 2期 照明工程学报 Z HAOMING GONGCHENG XUEBAO Jun.? 2008 Vol?19? No?2 光源色温对隧道及道路照明视觉功效影响的研究 * 张青文 ? 陈仲林 ? 胡英奎 ? 杨春宇 (重庆大学建筑城规学院, 重庆? 400045) 摘? 要: 根据国外相关研究成果和中间视觉理论, 采用自行研制的反应时间测量系统和 PR ?650光谱扫描仪, 分别 对同类型不同色温的光源进行了反应时间和光谱能量分布测试获得了在中间视觉条件下反应时间与背景亮度之 间的函数表达式, 以及反应时间随背景亮度、视标对比度和视标偏心角改变的变化规律结果表明, 在所研究的背 景亮度范围内, 用高色温的紧凑型荧光灯照明能缩短反应时间, 从而增快对瞬态事件的反应速度; 反之, 用低色温 的紧凑型荧光灯照明则会延长反应时间, 导致大脑反应迟钝本研究成果提供了光源色温影响视觉功效的实验依 据, 为制定更加科学和合理的隧道及道路照明设计标准打下了基础 关键词: 光源色温? 中间视觉? 反应时间? 视觉功效? 光谱能量分布 Study on the Influence of Lighting Source Color Temperature on Visual Performance in Tunnel and Road Lighting Zhang Qingwen ? Chen Zhonglin ? Hu Yingkui ? Yang Chunyu ( College o f Architecture and UrbanPlanning, Chongqing University, Chongqing? 400045) Abstract ? Based on the foreign similar research results and mesopic theory,reaction time and spectral power distribution of same type with different color temperature lighting source was measured, by a reaction time measure system developed ourselves and PR?650 spectral scanner. Functions of reaction time and background luminance and the dependence of reaction time with background luminance, target contrast, and eccentricity were acquired. The results indicated that the reaction time is shorter under high color temperature compact fluorescent lamp than under low color temperature compact fluorescent lamp in the researched background luminance range. The research results provide evidence of reaction time influenced by lighting source color temperature, and form the basis of establishing tunnel lighting design standard and road lighting design standard. Key words:lighting source color temperature; mesopic; reaction time; visual performance; spectral power distribution * 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50678180) 1 ? 引言 至今,世界各国的隧道及道路照明设计均采用 明视觉条件下的照度或亮度作为标准, 且普遍采用 低色温的高压钠灯作照明光源,这不仅未考虑隧道 照明水平属于中间视觉的事实,更缺乏光源色温对 视觉影响的评价指标 [ 1] 。

研究表明 [ 2] ,由于人造光 源在发光原理和光谱辐射方面的差异,从而形成相 应的色温,不同的色温可对人体的生理功能、心理 平衡、脑力活动及体力负荷等产生一定的影响若 光源色温选择适当,可使人的中枢神经和自主神经 系统功能得到平衡,使紧张的神经得以松弛; 反之, 则可能导致中枢神经系统功能失调,甚至扰乱身体 的自然平衡因此,在中间视觉条件下, 进行光源 色温对隧道照明视觉功效影响的研究, 对提高视觉 功效, 保障隧道及道路交通安全,具有重要的意义 本研究在中间视觉条件下,采用视觉功效法,对同 类型不同色温的光源分别进行了反应时间实验和光 谱能量分布实测,并对其数据处理结果进行了分析 与讨论, 由此证明了光源色温可对视觉功效产生影 响, 为光源色温对视觉影响评价指标的建立提供了 实验依据 2 ? 光源对人体非视觉生理功能的 作用与中间视觉 2?1? 光源对人体非视觉生理功能的作用 九十年代后期,Sato 等学者提出了照明光源对 人体非视觉生理功能作用的理念,明确指出光源对 人体生理功能的影响存在着视觉效应和非视觉效应 两大类型 [ 3] 2005 年 YasuKouchi 等人对此进行了更 深入的研究 [ 4] , 他们认为来自于视网膜的光信号传 播至大脑皮层时有两条主要的神经通路, 一条为经 过内膝状体 ( Intergeniculate Leaflets,IGL) 联结视觉 皮层,从而形成影像的视觉功能;另一条经过视交 叉上核 ( Suprachiasmatic nuclei,SCN) 联结松果体, 它负责传送非视觉信息。

由非视觉通路的 SCN 通过 腹外侧核 ( Paraventricular nucleus, PVN) 投射至中央 前脑神经丛 ( Medial forebrain bundle, MFB) 和网状 结构 ( Reticular formation, RF) SCN 和 PVN 分别与 生物节律及内分泌相关, MFB 和 RF 则与情绪和大 脑觉醒水平相关研究中还特别指出光源色温对人 体中枢神经的影响, 在对人体脑电图和 CNV ( 大脑 皮层高级神经活动的诱发电位) 的实验中发现,高 色温光源能提高大脑的兴奋, 集中注意、警觉和觉 醒水平, 使大脑处于活跃状态而低色温光源则有 利于褪黑激素的分泌,促使大脑进入睡眠状态得 出了光源色温对人体的昼夜节律、皮层的觉醒水平、 自主神经张力、激素分泌和运动功能有明显影响的 结论 [ 5] 2?2? 中间视觉 夜间的隧道及道路照明亮度水平分别应属中间 视觉范围,而世界各国的现行隧道及道路照明标准 均是在明视觉条件下制订的,这与中间视觉效果差 别很大至今,国际上还未有正式的中间视觉光谱 光视函数推荐值, 为此,国际照明委员会 ( CIE) 成 立了专门的研究机构进行中间视觉研究。

目前,国 际上研究中间视觉的方法主要有 [ 6] : ( 1) 基于视亮度 ( Brightness) 的异色视亮度匹 配法; ( 2) 基于亮度 ( Luminance) 的闪烁光度测量法; ( 3) 基于反应时间 ( Reaction Time) 的视觉功效 法; ( 4) 基于光源的暗视觉光通量与明视觉光通量 之比 (S? P) 的研究方法 在上述方法中,视觉功效法被认为更具合理性, 为此,CIE 于 2000 年建立了专门的技术委 员会 (TC1?58) 进行中间视觉状态下视觉功效的研究工 作 视觉功效法是测试在不同照明环境下 ( 背景亮 度、视标对比度、视标偏心角等) ,人眼对于背景中 随机出现的目标的反应时间视觉功效法可模拟实 际的视觉作业环境,以直接评价不同照明条件下操 作者的视觉作业能力和建立以反应时间为基础的视 觉模型, 从而评价人眼真实的视觉功效研究表明, 在中间视觉范围内,反应时间与亮度水平、视标对 比度、视标偏心角等因素有关但当背景亮度、视 标对比度、视标偏心角一定,以与光源光谱成分直 接相关的光源色温为唯一变量时, 反应时间是否会 随之变化还需进行实验研究由于人的反应时间与 大脑的兴奋程度、注意力集中情况、警觉水平和活 跃程度有关, 大脑的兴奋或疲惫, 会影响对视看目 标的反应时间,从而提高或降低视觉功效。

这就说 明, 对不同色温的光源进行反应时间测试,是在中 间视觉条件下评价光源色温影响视觉功效的有效方 法 3 ? 实验设备及方法 3?1? 实验设备 实验采用了自行研制, 精度达到ms 级的 ? 道路 照明反应时间测量系统 该系统可分别由金卤灯、 高压钠灯、紧凑型荧光灯及 LED 灯等多种光源产生 中间视觉亮度范围内的背景光,并用随机可变的光 斑为视标,模拟夜间道路环境中可能出现的障碍物, 25第 19 卷第 2期张青文等: 光源色温对隧道及道路照明视觉功效影响的研究 背景光和视标的亮度变化范围分别为 0?001~ 6?00 cd? m 2 和 0?036~ 61?25 cd? m 2实验过程中, 让观测 者在特定的视看条件下对随机出现的视标作出最快 的反应,并通过按键由电子快门记录下其反应时间, 通过对实测结果的定量分析,寻求在中间视觉条件 下, 反应时间随不同光源、背景亮度、视标对比度 和视标偏心角的变化规律 [ 7] 道路照明反应时间测量系统由灯箱、光学系统、 电子计时仪、观测箱和监控仪器五个部分构成,见 图1 1) 灯箱: 灯箱内可分别安装多种类型的光源, 其稳压供电可由开关进行切换。

灯箱内的调节装置 可保证光源发光体的中轴线通过透光孔圆心,使出 射光有效地被透镜汇聚 2) 光学系统:如图 2 所示,由透镜、反光镜、 光栏、中性滤光片及其调节装置构成的光学系统, ? ?? ?? 图1? 反应时间测定仪装置图 运用几何光学的原理,可将来自灯箱光源的发散光 汇聚为平行光束, 并以不同的光路在观测箱内形成 背景光和视标光斑 整个光学系统被封闭在暗箱内, 可有效防止杂 散光对测量的影响 图 2? 反应时间测量系统构造示意图 1? 灯箱 2? 聚光镜 3? 可变光栏 ( 一) 4? 中性减光片 ( 一) 5? 透镜 ( 一) 6? 漫反射箱体 7 ? 双反光镜 8? 光斑手轮 9? 反光镜 ( 一) 10 ? 反光镜 ( 二) 11? 光栏 12 ? 电子快门 13? 电子计时器 14 ? 操作按钮 15 ? 中性减光片 ( 二) 16? 可变光栏 ( 二) 17? 透镜 ( 二) 18? 光斑反射镜 19? 观测孔 20? 观测箱 ? ? 暗箱外侧的调节手轮,用来控制滤光片的透光 率, 以进光量的大小改变背景亮度和视标光斑的亮 度 光学系统可满足背景光和视标光斑在不同亮度 条件下的实验要求。

3) 电子计时仪:电子计时仪由电源、微处理 器、显示模块、电子快门和四组控制按钮组成,其 结构如图 3 所示 微处理器是整个计时仪的核心,它响应并执行 外部的各种命令,从而控制光路的开、闭,并将受 检者的反应时间在 LED 数码块上显示出来 启动电源后,微处理器开始执行程序流程计 时仪的四个控制按钮可分别进行测试开始、复位、 反应时间记录和调光控制的操作 4) 观测箱:观测箱为一直径 1?5m,高 0?5m 的 图3? 电子计时仪结构框图 半圆柱空间, 背板下端开有观察孔和监测孔,可分 别进行目视观测和亮度监测 箱体内壁喷涂白色均匀扩散材料, 由光学系统 汇聚和调整后的光线进入箱体后, 经背板内壁处反 光镜反射至内壁两侧,分别。