制动灯对人眼不舒适眩光模型的验证研究

时间：2024-07-28

徐亮，唐树明，朱彩萍，郑贤良，张彤，范敏

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

引言

眩光是指由于光亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，引起不舒适感或分辨细节或物体的能力减弱的视觉条件。根据眩光对视觉影响的程度，可分为失能眩光和不舒适眩光。信号灯对人眼眩光感觉主要为不舒适眩光。

人对外界信息的获取80%以上来自视觉，不舒适眩光会在一定程度上削弱视觉功能，影响视觉绩效和工作效率，在重要的视觉作业场合，如交通、航空航天、重工业中甚至会造成安全隐患，长期作用则会造成心理不适感和视觉疲劳，进而引发烦躁、注意力不集中、偏头痛、眼部疾病等生理不适现象[1]。

近年来，因LED具有发光面积小、亮度高的特点，使LED在轿车信号灯和照明领域得到了广泛的应用。但引发了不同应用场合用户对于其产生的眩光问题的不满和质疑，使得眩光问题再一次成为照明领域中有关照明质量的研究热点之一。张伟等[2]研究表明，需要对现有UGR进行修订来更好地评价LED照明灯具的不舒适眩光；罗明教授针对LED室内照明灯具的舒适性，开展了室内眩光的相关研究工作[3]；Higashi等[4]则采用UGR对应的9个等级，de Boer量表描述，作为不舒适眩光的主观评价工具。但鲜有报道在城市道路行车过程中，驾驶员在等红绿灯或慢速跟车时制动灯对人眼的直接眩光程度的研究。

本文基于统一眩光值UGR理论，采用de Boer量表来评价人眼直视灯具的眩光程度。验证URG模型合理性以及制动灯在特定环境下对人眼的眩光程度。

1 不舒适眩光的评估模型

光源相对于人眼的立体角ω>0.0003 sr时，眩光程度由亮度决定，用式(1)计算：

(1)

光源相对于人眼的立体角ω<0.0003 sr时，眩光程度由光强决定，用式(2)计算[5]：

(2)

其中Lb为背景亮度，cd/m2；Lα为观察者眼睛方向灯具发光部分的亮度，cd/m2；ω为灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角，sr ；P为灯具的Guth位置指数(本次实验的P=1)，位置指数应按H/R，T/R查表确定，如表1所示；r为灯具发光部分中心到观察者眼睛之间的距离，m；I为灯具发光中心与观察者眼睛连线方向的灯具发光强度，cd。

表1 灯具的Guth位置指数表

2 实验

2.1 实验示意图

测试地点在一间暗室里，规格为10 m×5 m×3 m，图1为实验示意图。共25名实验者分成5批进行，每批5人且定义为被试者A、B、C、D、E、F，其中性别和年龄组成如图2、表2所示。实验者坐在指定位置，人眼所处位置视平面的垂直照度采用远方智能照度计Z-10进行测量，其视平面照度E=11.4 lx。其照度大小约为夜间在城镇道路上行车时，驾驶员眼部垂直视平面上所接收的照度水平。交通路口周围是处于比较亮的环境，实测驾驶员视平面照度约为5～18 lx。

图1 实验示意图

表2 被试者年龄、性别、人数分布表

2.2 实验过程和记录

第一步：A先坐在指定位置，视看光源1(关闭)，待确定A准备完成后，实验员打开光源1，视看3 s后，关闭光源1，紧接着A视看视标并同时按秒表计时，待A能看清视标上的时间时，A再立即按下秒表，记录秒表上的时间作为视觉恢复的时间(眩光时间)，并给光源1打分(眩光指数)；第二步：更换被试者B、C、D、E、F，重复步骤一；第三步：将光源1更换为光源2，从A开始，重复步骤一、步骤二。并统计测试结果。其中图3为视标、光源及其种类示意图，表3为眩光评分表[6]。视标与眩光灯具的发光面在同一水平面上，且两者相距30 cm。根据《汽车及挂车前位灯、后位灯、示廓灯和制动灯配光性能》(GB 5920—2019)标准，对于制动灯光强要求为60～260 cd。

图3 视标、光源及其种类示意图

表3 眩光评分表

3 实验结果及分析

表4为20～30岁被试者眩光指数、眩光时间表，表5为31～50岁被试者眩光指数、眩光时间表，图4为20～30岁被试者测试结果示意图，图5为31～50岁被试者测试结果示意图。由图4和图5可知，相同光强，面积越小，光源对人眼的眩光指数越小，眩光时间越长；相同面积，光强越大，光源对人眼的眩光指数也越小，眩光时间相对也就越长。因为人眼在接受强光刺激后瞳孔会收缩，以减少光线进入眼球的数量，这会让我们视力短时间减弱；其二，进入眼球的光线会在视网膜上形成一层光幕，以弱化目标物与周围环境的对比来降低视觉，这种感觉是通过生物电流传递给大脑的。当光源撤走后，人眼会逐渐恢复之前的瞳孔状态，并且在视网膜上形成的光幕也会逐渐消失，人眼逐渐恢复在接受强光刺激之前的视力状态。眩光时间是指瞳孔收缩和生物电流消失以达到恢复到最初的视力状态所花的时间。所以在一定限度内，当人眼接受的光刺激越强，瞳孔收缩越大，视网膜受到的刺激越强，不舒适程度越高、眩光时间越长。

表4 20～30岁被试者眩光指数、眩光时间表

表5 31～50岁被试者眩光指数、眩光时间表

由图4与图5对比表明，不同年龄段在同种环境下，人眼对相同光源的应激性不同。年纪越大，对光的刺激越不敏感，眩光指数越大，眩光时间越短。

由图6和图7可知，UGR理论模型在一定程度上能够评估车灯对人眼不舒适的眩光程度。图8表明，在不同车距和驾驶员不同视平面照度的条件下，引起驾驶员的制动灯的表观亮度是不同的。所以灯具设计师在设计制动灯，应考虑交通拥堵时，车距最小为2.5 m[7]，在较暗的交通路口，应根据制动灯的开口面积来进行配光设计；若最小配光光强都引起眩光，应要限制制动灯的最小开口面积。

图4 20～30岁被试者眩光指数、眩光时间走势图

图6 不同年龄段眩光指数与亮度关系曲线图

图7 不同年龄段眩光指数与光强关系曲线图

图8 不同车距和不同视平面照度引起驾驶员眩光的亮度阈值图(S=48 cm2)