制動燈對人眼不舒適眩光模型的驗證研究

徐 亮，唐樹明，朱彩萍，鄭賢良，張 彤，范 敏

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇 常州 213000)

引言

眩光是指由于光亮度的分布或范圍不適當(dāng)，或?qū)Ρ榷忍珡?qiáng)，引起不舒適感或分辨細(xì)節(jié)或物體的能力減弱的視覺條件。根據(jù)眩光對視覺影響的程度，可分為失能眩光和不舒適眩光。信號燈對人眼眩光感覺主要為不舒適眩光。

人對外界信息的獲取80%以上來自視覺，不舒適眩光會在一定程度上削弱視覺功能，影響視覺績效和工作效率，在重要的視覺作業(yè)場合，如交通、航空航天、重工業(yè)中甚至?xí)斐砂踩[患，長期作用則會造成心理不適感和視覺疲勞，進(jìn)而引發(fā)煩躁、注意力不集中、偏頭痛、眼部疾病等生理不適現(xiàn)象[1]。

近年來，因LED具有發(fā)光面積小、亮度高的特點，使LED在轎車信號燈和照明領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但引發(fā)了不同應(yīng)用場合用戶對于其產(chǎn)生的眩光問題的不滿和質(zhì)疑，使得眩光問題再一次成為照明領(lǐng)域中有關(guān)照明質(zhì)量的研究熱點之一。張偉等[2]研究表明，需要對現(xiàn)有UGR進(jìn)行修訂來更好地評價LED照明燈具的不舒適眩光；羅明教授針對LED室內(nèi)照明燈具的舒適性，開展了室內(nèi)眩光的相關(guān)研究工作[3]；Higashi等[4]則采用UGR對應(yīng)的9個等級，de Boer量表描述，作為不舒適眩光的主觀評價工具。但鮮有報道在城市道路行車過程中，駕駛員在等紅綠燈或慢速跟車時制動燈對人眼的直接眩光程度的研究。

本文基于統(tǒng)一眩光值UGR理論，采用de Boer量表來評價人眼直視燈具的眩光程度。驗證URG模型合理性以及制動燈在特定環(huán)境下對人眼的眩光程度。

1 不舒適眩光的評估模型

光源相對于人眼的立體角ω>0.0003 sr時，眩光程度由亮度決定，用式(1)計算：

(1)

光源相對于人眼的立體角ω<0.0003 sr時，眩光程度由光強(qiáng)決定，用式(2)計算[5]：

(2)

其中Lb為背景亮度，cd/m2；Lα為觀察者眼睛方向燈具發(fā)光部分的亮度，cd/m2；ω為燈具發(fā)光部分對觀察者眼睛所形成的立體角，sr ；P為燈具的Guth位置指數(shù)(本次實驗的P=1)，位置指數(shù)應(yīng)按H/R，T/R查表確定，如表1所示；r為燈具發(fā)光部分中心到觀察者眼睛之間的距離，m；I為燈具發(fā)光中心與觀察者眼睛連線方向的燈具發(fā)光強(qiáng)度，cd。

表1 燈具的Guth位置指數(shù)表

2 實驗

2.1 實驗示意圖

測試地點在一間暗室里，規(guī)格為10 m×5 m×3 m，圖1為實驗示意圖。共25名實驗者分成5批進(jìn)行，每批5人且定義為被試者A、B、C、D、E、F，其中性別和年齡組成如圖2、表2所示。實驗者坐在指定位置，人眼所處位置視平面的垂直照度采用遠(yuǎn)方智能照度計Z-10進(jìn)行測量，其視平面照度E=11.4 lx。其照度大小約為夜間在城鎮(zhèn)道路上行車時，駕駛員眼部垂直視平面上所接收的照度水平。交通路口周圍是處于比較亮的環(huán)境，實測駕駛員視平面照度約為5～18 lx。

圖1 實驗示意圖

表2 被試者年齡、性別、人數(shù)分布表

2.2 實驗過程和記錄

第一步：A先坐在指定位置，視看光源1(關(guān)閉)，待確定A準(zhǔn)備完成后，實驗員打開光源1，視看3 s后，關(guān)閉光源1，緊接著A視看視標(biāo)并同時按秒表計時，待A能看清視標(biāo)上的時間時，A再立即按下秒表，記錄秒表上的時間作為視覺恢復(fù)的時間(眩光時間)，并給光源1打分(眩光指數(shù))；第二步：更換被試者B、C、D、E、F，重復(fù)步驟一；第三步：將光源1更換為光源2，從A開始，重復(fù)步驟一、步驟二。并統(tǒng)計測試結(jié)果。其中圖3為視標(biāo)、光源及其種類示意圖，表3為眩光評分表[6]。視標(biāo)與眩光燈具的發(fā)光面在同一水平面上，且兩者相距30 cm。根據(jù)《汽車及掛車前位燈、后位燈、示廓燈和制動燈配光性能》(GB 5920—2019)標(biāo)準(zhǔn)，對于制動燈光強(qiáng)要求為60～260 cd。

圖3 視標(biāo)、光源及其種類示意圖

表3 眩光評分表

3 實驗結(jié)果及分析

表4為20～30歲被試者眩光指數(shù)、眩光時間表，表5為31～50歲被試者眩光指數(shù)、眩光時間表，圖4為20～30歲被試者測試結(jié)果示意圖，圖5為31～50歲被試者測試結(jié)果示意圖。由圖4和圖5可知，相同光強(qiáng)，面積越小，光源對人眼的眩光指數(shù)越小，眩光時間越長；相同面積，光強(qiáng)越大，光源對人眼的眩光指數(shù)也越小，眩光時間相對也就越長。因為人眼在接受強(qiáng)光刺激后瞳孔會收縮，以減少光線進(jìn)入眼球的數(shù)量，這會讓我們視力短時間減弱；其二，進(jìn)入眼球的光線會在視網(wǎng)膜上形成一層光幕，以弱化目標(biāo)物與周圍環(huán)境的對比來降低視覺，這種感覺是通過生物電流傳遞給大腦的。當(dāng)光源撤走后，人眼會逐漸恢復(fù)之前的瞳孔狀態(tài)，并且在視網(wǎng)膜上形成的光幕也會逐漸消失，人眼逐漸恢復(fù)在接受強(qiáng)光刺激之前的視力狀態(tài)。眩光時間是指瞳孔收縮和生物電流消失以達(dá)到恢復(fù)到最初的視力狀態(tài)所花的時間。所以在一定限度內(nèi)，當(dāng)人眼接受的光刺激越強(qiáng)，瞳孔收縮越大，視網(wǎng)膜受到的刺激越強(qiáng)，不舒適程度越高、眩光時間越長。

表4 20～30歲被試者眩光指數(shù)、眩光時間表

表5 31～50歲被試者眩光指數(shù)、眩光時間表

由圖4與圖5對比表明，不同年齡段在同種環(huán)境下，人眼對相同光源的應(yīng)激性不同。年紀(jì)越大，對光的刺激越不敏感，眩光指數(shù)越大，眩光時間越短。

由圖6和圖7可知，UGR理論模型在一定程度上能夠評估車燈對人眼不舒適的眩光程度。圖8表明，在不同車距和駕駛員不同視平面照度的條件下，引起駕駛員的制動燈的表觀亮度是不同的。所以燈具設(shè)計師在設(shè)計制動燈，應(yīng)考慮交通擁堵時，車距最小為2.5 m[7]，在較暗的交通路口，應(yīng)根據(jù)制動燈的開口面積來進(jìn)行配光設(shè)計；若最小配光光強(qiáng)都引起眩光，應(yīng)要限制制動燈的最小開口面積。

圖4 20～30歲被試者眩光指數(shù)、眩光時間走勢圖

圖6 不同年齡段眩光指數(shù)與亮度關(guān)系曲線圖

圖7 不同年齡段眩光指數(shù)與光強(qiáng)關(guān)系曲線圖

圖8 不同車距和不同視平面照度引起駕駛員眩光的亮度閾值圖(S=48 cm2)

4 結(jié)論

(1)UGR理論模型在一定程度上能夠評估車燈對人眼不舒適眩光程度；

(2)亮度和光強(qiáng)都是影響不舒適眩光程度的主要原因，當(dāng)光源相對于人眼立體角ω<0.0003sr，眩光程度由光強(qiáng)決定，否則由亮度決定；

(3)相同條件下，眩光源對20～30歲和31～50歲兩個年齡段中人眼的眩光程度不一樣，20～30歲年齡段眩光程度相對較大，眩光時間較長，因此年輕的駕駛員面臨因眩光所帶來的的危險系數(shù)更高；

(4)燈具設(shè)計師在進(jìn)行配光設(shè)計時，應(yīng)考慮交通擁堵，車距最小為2.5 m，在較暗的交通路口時，按照現(xiàn)有制動燈開口面積進(jìn)行配光，在滿足法規(guī)要求下，是否會帶來眩光問題。若存在眩光問題，應(yīng)該限制制動燈的最小開口面積。