Z HAOMING GONGC HE NG XUEB AO Jun. 2008
Vol 19 No 2
*
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 Urban Plannin g ,Chon gqing Uni versity ,Chon gqing 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 650spectral scanner.Functions of reac tion 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 te mperature compac t 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 te mperature,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
应的温，不同的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
临床流行病学
体的自然平衡。因此，在中间视觉条件下，进行光源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，由此证明了光源温可对视觉功效产生影响，为光源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,SC N)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温对人体中枢神经的影响，在对人体脑电图和C NV(大脑皮层高级神经活动的诱发电位)的实验中发现，高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。
营养咨询
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 00cd m 2
和0 036~61 25cd 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，分别形成均匀散射的背景光和高汇聚的视标光斑。箱顶设有调节旋钮，可控制光斑反射镜的角度从而改变视标偏心角(如图2所示)。
十七届中央候补委员名单26照明工程学报2008年6月
观测箱是受检者的直接观测对象，其内部的光照条件必须满足实验要求，以保证实验的质量与精度，因此，它是整个系统的重要组成部分。
5)监控仪器：要保证背景光亮度在中间视觉的范围内以及控制视标光斑的强弱变化，均需采用高精度的亮度计进行监测并调控。本系统采用了日本Topcon 公司的B M 5A 度 亮度计，进行亮度监测，该仪器设有0 1! 0 2! 1! 2!四个视场角，亮度测量范
围为:0 0001~1200000cd m 2
，亮度测量精度为:∀4%。实验中，在亮度的实时监测下，利用系统的调控功能，可有效控制亮度的变化，以满足中间视觉条件下亮度分布范围内的实测需要。
3 2 实验方法
2007年诺贝尔文学奖
实验共选择了十名受测者进行反应时间实测。受测者年龄分布为19~21周岁，均具有正常的觉和视力矫正。
实验在光学暗室内进行，受测者有足够的时间来适应环境和稳定心理情绪。测试时，受测者右眼紧靠观测孔，当观测到观测箱内的视标出现时，快速按下手中的按键，电子记时仪将记下受测者的反应时间。
为保证光源的一致性，每个受测者分别在发光机理与功率相同但温不同的两个紧凑型荧光灯(C FL)照明下(光源的基本参数见表1)，分别取三种视标偏心角(0!、10!、20!)、两种亮度对比度(C =0 2和C=0 5)及5个背景亮度进行了反应时间实测。
表1 光源的基本指标
光源功率(W)光效(lm W)
温(K)CFL1105862700CFL2
105
86
6400
实验共获得1800个反应时间数据和10组光谱能量数据及其分布曲线图，通过对数据的统计、处
理和分析，得到了反应时间和背景亮度的函数关系式、各个背景亮度下的反应时间平均值及曲线、不同温的光源光谱能量分布状况及建立在数据分析上的实验结论。
4 实验数据的处理及分析
4 1 反应时间与背景亮度的关系
表2列出了在CFL1和CFL2两种光源照明下,
取不同背景亮度、亮度对比度和视标偏心角时的反应时间及其总平均的相对值。利用数据处理软件对表2中5种背景亮度下的反应时间实测数据进行回
归分析，分别得到2种光源下反应时间与背景亮度之间的函数表达式。拟合结果显示，反应时间t 与背景亮度L b 呈指数衰减函数关系，并可由下式表示:
t =t 0+ae L b 0
-L b
b
(1)
式中t 0、a 、b 、L b 0###系数，且与光源光谱分布、背
景亮度、对比度、偏心角大小等参数有关，可由实验确定。
表2 C FL1及CF L2照明条件下的反应时间相对值
C 光源L b (cd ∃m -2)
1 01 5
2 0
3 0
4 00 2
0!CFL10 92540 88800 87120 84520 821710!CFL10 96230 92830 91260 88240 855920!CFL11 00000 96020 93340 89890 87010 5
0!CFL10 89330 86210 84740 81930 794410!CFL10 92730 89310 87890 84360 821720!CFL10 96310 92190 90010 86470 8428总平均值CFL10 94520 90880 89070 85910 83430 2
0!CFL20 89730 95320 88610 76320 738610!CFL20 91530 82680 79420 77360 754120!CFL20 93530 84840 81500 78860 77230 5
0!CFL20 82060 76800 74870 73060 706210!CFL20 84580 79740 76900 75350 723120!CFL20 87440 81450 78000 75890 7428总平均值
CFL2
0 8813
0 8348
0 7987
0 7613
0 7396
图4 CFL1和CFL2照明条件下反应时间与背景亮度的关系图
图4为总平均后的CFL1和CFL2照明下的反应时间与背景亮度的关系图，由表2和图4可得到反应时间的下述变化规律:
(1)反应时间随背景亮度的增大而变小，即反
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第19卷第2期张青文等：光源温对隧道及道路照明视觉功效影响的研究
应速度变快;
(2)亮度对比度为0 5时的反应时间小于0 2时的反应时间，反应速度快;
(3)随着视标偏心角变大，反应时间增大，即反应速度变慢。
结果表明反应时间随着背景亮度和亮度对比度的增大而变小，随着视标偏心角的变大而增大，最为明显的是，当这些条件一定时，在CFL2下的反应时间远小于CFL1下的反应时间，即在CFL2下的反应速度始终快于C FL1下的反应速度。这一现象表明，在中间视觉条件下，光源温对视觉功效存在显著影响，且在所研究的亮度范围内，高温的CFL 较之低温的CFL 能提高受测人大脑的兴奋程度，使活跃的大脑能保持注意力的集中，从而增快对瞬态事件的反应速度。
4 2 光谱能量分布实测结果及分析
采用PR 650光谱扫描仪对CFL1和CFL2的光谱能量分布进行了实测，并得到了二者的光谱能量分布曲线，分别如图5a 、b 所示。由图可知,C FL1的相对光谱能量最大值约在波长610nm 处，即光谱偏向长波，红光成分多。而CFL2的光谱能量最大值则在波长540nm 处，其光谱相对于CFL1更偏向短波，蓝光成分居多。同时,C FL2在位于短波处(400nm-530nm)的曲线呈连续状，其带宽明显好于CFL1，这也是决定CFL1和CFL2温不同的直接原因。国外关于光生物方面的研究亦证实，人眼中的神经结细胞对趋向短波波长(约490nm)的光最敏感[8]
，即相对于趋向长波的红、黄光，蓝、绿光更能增加人眼的视觉有效值，由此亦印证了高温
光源能导致反应时间缩短的实验结论。
图5 CF L1和CFL2的光谱能量分布图
5 结论
通过对采用视觉功效法进行反应时间实测所获得的数据处理及分析，得到了反应时间与背景亮度之间
的函数表达式。并证明了在中间视觉范围内，反应时间随背景亮度、视标对比度和视标偏心角的不同将发生变化，且在高温C FL2下的反应时间明显短于低温C FL1下的反应时间，即在相同条件下,CFL2的反应速度快于CFL1，这表明在中间视觉条件下，高温的光源可提高人大脑的兴奋程度，使注意力集中，从而增快对瞬态事件的反应速度。而低温光源由于会促进褪黑激素的分泌，容易导致大脑反应迟钝，则降低对瞬态事件的反应速
度。即光源温对视觉功效存在着明显影响，这一
事实符合YasuKouchi 等人提出的 人体非视觉生理功能作用 的理念及国外关于 光生物 方面的研究结论。
目前，国内外的隧道及道路照明普遍采用低温的高压钠灯，这是由于高压钠灯在明视觉条件下具有相对较高的发光效率。但各国的隧道及道路照明设计标准均未考虑在中间视觉条件下光源温对视觉效果的影响，因此，它难以如实反映夜间光环境对人类视觉的影响，由此带来的问题将造成照明质量的评价误差。
随着高速公路建设的快速发展，长度超过3000米的特长隧道不断增多，仅在中国,5000米以上的隧道就有30多座。由上述研究结果可以推断，在长
28照明工程学报2008年6月
隧道中，如果持续采用低温的光源照明，将容易导致驾驶人员中枢神经的麻痹，降低对瞬态事件的反应速度，从而形成安全隐患。
目前，一些国家和地区已将高温的金卤灯和LED灯实验性的应用于隧道及道路照明中，并获得良好的效果。尤其是环保、高效与节能的LED灯，更具有广阔的应用前景。
用反应时间法研究中间视觉条件下的光源温对视觉功效的影响，不仅印证了国外关于 照明光源对人体非视觉生理功能作用的理念和 光生物方面的研究结果。更重要的是，提供了光源温影响视觉功效的实验依据，为制定出更加科学和合理的隧道及道路照明设计标准打下了基础。
参考文献
[1] 陈仲林，翁季.在道路照明条件下中间视觉问题的研
究[C] 第九届全国建筑物理学术会议论文集.南
京:,2004:268 270
[2] 石路.照明光源温对人体中枢神经生理功能的影响
[J].人类工效学,2006,12(2):59 71[3] Sato M.Non visuil E ffects of Illum ination of F luuorescent
Lamp on Physiological A spects[C] Proceedings of third
Intemational Congress on Physi ological anthropol Nara,
J APAN:Intemational Society of Physiological A nhthropology,
1996,61 62
[4] Yasukouchi A,Ishibashi K,Non visual effects of the color
Temperature of fluorescent Lamp on physiological A spects in
Hu mans[J].J Physiol Anthropol A ppIHu man Scj2005,
24(1):41 43
[5] Kuller R,W etterberg L,M elatonin,Cortical EEG,ECG
and Subjective Comfort in Heaith Hum an Impact of Two
fluorescent Lamp Types at two Li ght In tensities[J].Light
Res T echnol1993,25(1):71 80
[6] 曹阳，袁中杰，林燕丹等.视觉功能法在道路照明中
的应用[J].照明工程学报,2005(4):44 49
[7] 张青文，陈仲林，刘英婴.中间视觉条件下的道路照
明反应时间[J].重庆大学学报：自然科学版,2007,
30(2):125 129
[8] 翁季，陈仲林，胡英奎等.光生物效应研究综述
[J].灯与照明,2007,31(1):1 3
(上接第13页)
小青龙汤证[11] Bazhenov V Y,Kuz michev A I,Kryzhanovs V I,et al.Inves tigation
of the s terilization of medical ins truments by atmospheric pressure
discharges[A].Proc15th Int Symp on Plas ma Chemistry,vol.VII
[C].Orleans:2001 3005 3010
[12] 郝艳捧，关志成，王黎明，等.大气压空气辉光放电[J].
2005,24(2):69 72
[13] 王艳辉，王德真.介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研
究[J].物理学报,2003,52(7):1694 1670
[14] Dong L F,Ran J X,M ao Z G.Di rect measurement of electron
densi ty in microdisc harge at atmos pheric pressure by Stark broadening
[J].Appl Phys Lett,2005,86:161501,1 3
[15] 王新新，芦明泽，蒲以康.空气中大气压下辉光放电的可能
性[J].物理学报,2002,51(12):2278 2285
[16] Fang Z,Qiu Y,Luo Y.Surface modification of
polypetrafluoroethylene fil m using the at mospheric pressure glow
discharge in air[J].J phys D:Appl Phys,2003,36(23):2980
2985
[17] Ralc henko Yu,Kramida A E,Reader J,et al.NIST Atomic Spectra
Database(version3 1 4)[Onli ne].Available:http: physics.
代号x7v asd3 MD,USA:NIST,2008
[18] Zhang Y,Deng X Z,Zhu S L,et al.Criterion for the uniformity of
atmospheric pres sure glo w discharge[A].Proceeding of the11th
International Symposi um on the Science and Tec hnology of Light
Sources[C].Sheffield,UK:FAST LS Ltd,2007.411 412
29
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