LED光源光谱对隧道出口段明适应的影响

董丽丽，秦 歌，陈 烊，尚雄飞，许文海

大连海事大学信息科学技术学院，辽宁 大连 116026

引 言

随着经济的快速发展，我国高速公路隧道数量在近年来不断增加，随之而来的安全问题越来越引起人们的关注。 调查表明，隧道出入口路段交通事故发生率较高[1]。 当驾驶员在白昼开车驶离隧道时，由于洞内外亮度变化剧烈，会产生“白洞效应”，出现强烈的眩光而感到眼睛不适，甚至可能直接闭上双眼，从而无法看清隧道外的道路情况，诱发交通事故。 而明适应时间的长短直接决定了事故发生的可能性。 杜志刚等利用眼动仪系统在26座实际隧道进行实验，得到隧道长度与视觉明暗适应时间的定量关系，认为暗适应时间一般不超过23 s，明适应时间不超过13s[2]。 肖尧等针对隧道出口亮度过渡不合理的环境现状，利用DIALUX软件仿真，提出基于防眩原理的渐变图层设计方案来提升视觉舒适性，降低事故发生的概率[1]。 阎莹等在13座隧道进行瞳孔面积变化的实验，得出了瞳孔面积与环境照度的关系，提出了隧道环境照度的推荐值[3]。

LED作为一种新型光源，因其环保节能的优点，被广泛应用于各种照明场所，在隧道照明中也得到了应用。 由于传统照明光源(高压钠灯等)特性的限制，各国以及CIE的隧道照明标准中都只对隧道各段的亮度、长度和亮度的均匀性进行了规定，对于光源光谱的选择考虑不足[4]。 而色温作为LED光源光谱的主要特性之一，它对于人眼视觉效果的影响是不容忽视的。 美国伦斯勒理工学院照明研究中心的Rea等研究了光源光谱与人眼视亮度的关系，发现当照度在0.2～2 Footcandle(fc)范围时，感知亮度随着光源中蓝光(450 nm)成分的增加而变大[5]。 Bullough等研究了光源光谱特性对室外场景亮度感知的影响。 选用了2种LED作为测试光源，分别是： 由琥珀色LED产生的黄色光源(1 627 K)以及由红色和蓝色LED组合产生的紫红色光源(1 418 K)。 实验结果表明： 在两种亮度水平下，包含蓝光的紫红色光源产生的视亮度均明显高于黄色光源[6]。 鲁玉红等以30名视力正常的学生为研究对象，采用剂量作业法、生理参数法和疲劳评价法研究了人体在峰值波长分别为468，457，453 nm的蓝光LED照明下的光生物节律效应, 认为在3种峰值波长蓝光中，468 nm的蓝光对人体光生物节律影响最大[7]。 杨勇等研究了相同背景亮度条件下不同色温LED对应的视认反应时间，发现高色温白光LED对应的视认反应时间最短。 金怀忠和金尚忠等研究了不同色温的白光LED对街道照明的适用性，发现色温较低的LED更适合用于道路照明[8]。 饶丰等研究了不同色温LED照明时节律效应随年龄的变化规律，认为在同一色温LED照明时，节律效应随着年龄的增加而减小； LED色温不同时，青年人节律因子的变化较大，老年人则变化较小[9]。

综上所述，目前对于隧道明适应的研究很少，即使有，也是基于瞳孔面积的变化，对亮度的影响进行研究，并未考虑光谱的影响。 本工作模拟隧道的照明环境，利用7种不同色温的大功率LED进行实验，获取人眼在不同色温下的明适应时间。 结合明适应的机理分析，对隧道出口段光源的选择提供建议值。

1 LED的特性

1.1 LED色温

目前使用的大功率LED灯，大多数是基于蓝光激发黄色荧光粉的原理制造的，通过调节黄色荧光粉的含量来得到不同色温的LED。 市场上常见的LED的色温范围为2 700～7 000 K。 选取3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 700和6 500 K，7种色温的LED进行实验，如图1所示。 以4 500 K色温为例，表1给出了第三方测试的特性参数。

图1 实验用LED

表2给出了7种色温的LED在不同亮度下的色温值。 从表2可以看出，在不同亮度下，色温值有所波动，但波动较小。

1.2 光谱特性

使用柯美能达CS-2000分光辐射计测量7种色温的光谱功率分布如图2所示。 光谱功率分布描述了光在不同波长处的辐射能量。 所有曲线均是在12 cd·m-2的亮度条件下测量，其他亮度下，它们之间的比例不变，趋势相同。

表1 LED的特性参数

表2 不同亮度下、不同色温LED的相关色温测量值

图2 不同色温的LED的光谱功率分布

从图2可以看出，LED的光谱呈现双峰结构，在长波长范围内，光谱含量差异明显。

当驾驶员驶离隧道时，由于隧道内外亮度差明显，会产生明适应。 明适应的能力主要与两个因素有关，一是瞳孔面积的变化，当驶离隧道时，瞳孔面积会缩小，来减少进入人眼的光量； 二是感光色素的光化学反应。

人眼视网膜上存在两种感光细胞，分别为视锥细胞和视杆细胞[10]。 它们的视觉功效各不相同，前者在明视觉起作用，用来辨别颜色； 后者在暗视觉起作用，能够分辨微弱的光。 视锥细胞中的感光色素包括感蓝色素、感红色素、感绿色素，视杆细胞中的感光色素主要是视紫红质。

图3 视紫红质的相对光谱吸收曲线

图3给出了视紫红质的相对光谱吸收曲线。 从图3可以看出，视紫红质对大于620 nm的红光是不敏感的。 所以，大于620 nm的红光含量越多，越有利于视紫红质的合成。

当车辆在隧道中行驶时，视杆细胞在暗处蓄积了大量的视紫红质，驶出隧道时，由于洞外光线很强，视紫红质迅速分解，会产生耀眼的光感，驾驶员出现短暂的失明。 只有在较多的视紫红质迅速分解之后，对光较不敏感的视锥色素才能在亮处感光而恢复视觉。

图4 不同色温的LED大于620 nm的光的含量

Fig.4Theamountoflightwiththewavelengthlongerthan620nmemittedfromtheLEDwithdifferentcorrelatedcolourtemperatures

图4给出了实验用的不同色温的LED，在不同亮度下，大于620 nm的红光的含量。

从图4可以看出，不同色温的LED的大于620 nm的红光含量有明显的差异，且色温越大，红光含量越少。

视紫红质的合成又与大于620 nm的红光的含量有关，含量越多，越有利于视紫红质的合成。 而色温主要通过影响视紫红质的合成，进而影响明适应的时间长短。 因此，在亮度相同时，色温越大，越不利于视紫红质的合成，明适应时间也越小。

不同色温的LED具有不同的光谱特性，对于明适应的影响也是不同的，因此，研究光源色温对明适应的影响很有必要。

2 实验部分

为了研究光源光谱对明适应的影响，使用7种色温的LED作为照明光源，以人眼可识别的字母“E”为目标，将明适应时间作为评价的标准。

选取视觉功能正常、矫正视力1.0以上、且无色盲、色弱等其他眼部疾病的30人进行实验。

为了能够模拟隧道照明的真实情况，在长9 m，高2.8 m，宽5 m的模拟隧道内进行实验，如图5所示。

图5 模拟隧道

实验总共126种情况。 根据《公路隧道照明设计细则》规定的隧道出口段亮度值，选取3组亮度值进行实验，分别为4，8和12 cd·m-2。 通过DIALux软件仿真，在保证均匀度和亮度的情况下，将灯具安装于2.0和2.4 m高的位置，选择15°，20°和25°, 3种安装角度[11]。

模拟太阳光的光源亮度为5 000 cd·m-2，是隧道洞外亮度的典型值。

图6给出了不同安装角度下，色温的测量值。 图7给出了不同安装高度下，色温的测量值。 从图6、图7可以看出，安装角度和高度不同时，色温差异很小。

图6 不同安装角度下，色温的测量值

图7 不同安装高度下，色温的测量值

如图8所示，是实验装置的示意图。 它由模拟太阳光源、不同色温的实验LED、调光控制器、目标E、计时器和手机组成。

图8 实验装置

使用色温为6 700 K的LED模拟太阳光源，亮度可达10 000 cd·m-2，它的光谱与太阳光谱不同，但亮度足够大，就目前的光源而言，还没有亮度和光谱都接近太阳光的； 实验LED包括7种色温，两个1组，共14个LED，每次更换不同色温的LED时，保证其位置不变； 调光控制器用于调节不同的亮度以满足实验要求； 目标E距离观察者2 m，高1.5 m，尺寸是正常人眼可识别的大小； 计时器用来测量明适应时间，精度可以达到1 ms； 手机播放背景噪声，用来模拟车辆进入隧道时的实际情况。

图9为实验场景，实验整个过程在暗室中进行，避免外部杂光的干扰[12]。

在开始实验之前，每个被测试者坐在指定的位置进行2 min的光适应，并被告知相关的实验操作方法，打开手机播放背景噪声。

在充分光适应后，关闭实验LED，打开模拟太阳光光源，与此同时，被测试者按下手中的计时器开始计时。 当能够正确识别随机出现目标E的方向时，按下计时器停止计时，研究人员记录明适应时间。

最后变换灯具的安装角度和高度。 当一组色温的实验LED做完后，更换其他色温的实验LED进行实验。 30名被测试者按照同样的步骤依次进行实验。

图9 实验场景

3 结果与讨论

实验得到了7种色温，3种亮度、2个高度、3个角度条件下，30名被测试者的实验数据。 去除异常数据后求平均，结果如图10所示。

图10 不同色温的明适应时间

从图10中可以看出，随着亮度的增大，明适应时间减小。 在亮度相同时，色温越大，明适应时间越小，实验结果与理论分析相符。

利用数据统计分析软件对表3中的明适应时间数据进行皮尔森(Pearson)相关性检验，结果如表3所示。 从表3可以看出，明适应时间与光源亮度的相关系数为-0.766，相应的显著性(双侧)值为0。 这表明明适应时间对光源亮度在99%的水平上是有显著影响的，且因为相关系数小于0，所以光源亮度与反应时间之间存在负相关关系。 明适应时间与光源色温的相关系数为-0.593，相应的显著性(双侧)值为0.005。 这表明明适应时间对光源亮度在99%的水平上是有显著影响的，且因为相关系数小于0，所以光源色温与明适应时间之间存在负相关关系。

图11是不同安装角度时的明适应时间。 从图11可以看出，角度的改变对明适应的影响可以忽略。

表3 光源色温与反应时间之间的相关性统计分析

**Significant at 0.01 level

图11 不同安装角度时的明适应时间

图12是不同安装高度时的明适应时间。 从图12可以看出，高度的改变对明适应的影响也是很小的。

图12 不同安装高度时的明适应时间

4 结 论

结合理论分析与实验，研究了不同LED光源光谱对隧道出口段明适应的影响。 从明适应机理的角度出发，测量了30名被测试者在7种色温、3个隧道出口段亮度、3种安装角度和2种安装高度条件下的明适应时间。 根据实验结果与数据分析可知，隧道出口段亮度越大，明适应时间越小； 在亮度相同时，明适应时间随着色温的增大而减小； 不同灯具安装角度和安装高度下的明适应时间差异很小，改变安装角度和高度，并不能有效减小明适应的影响。

从明适应的角度出发，分析了不同色温LED灯的光谱的影响，为隧道照明设计与应用中出口段LED光源的选择提供数据和理论支撑。