LED汽车前照灯蓝光成分与不舒适眩光

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简介：在该项目过去的研究中(Sivak,Schoettle,Flannagan,2003),我们计算了拟用于前照灯照明的LED光源样品的色度,并将其与HID和卤钨灯前照灯的色度作了比较。结果表明,这些特殊的“白光”LED光源会比HID灯略微蓝一些,比卤钨灯则蓝很多。因为不舒适眩光会随蓝色激励增加而增加(Flannagan等,1989,1991,1992,Flannagan,1999),所以我们推测,在研究中被考察色度的那些LED前照灯会比HID前照灯带来较多的不舒适眩光,比卤钨灯前照灯则会带来更多的不舒适眩光。为了减少眩光,生产商在条件允许的情况下,应尽可能减少LED前照灯的蓝光成份。
　　我们的发现得到了2004年的一项研究报告(JARI,2004)的支持。该项研究评估了三种不同色温LED前照灯(4000K,4800K,6600K)的不舒适眩光。其主要发现表明,无论对于年轻或是年老的观测者,色温的提高伴随而来的是不舒适眩光的增加(而色温与可见波长范围内蓝光成分有密切关系)。本实验设计旨在希望能够探究不舒适眩光背后的潜在机理。为了便于比较,本实验采用与JARI研究中相同的LED光源。
  
　　1　方法
　　1.1　实验装置
　　实验装置示意图及受测者观测屏见图1和图2。

两位受测者坐在固定的新型车座上。在受测者的正前方放置装有5盏前照灯的支架，用一块大黑板挡住，支架和黑板距离受测者40m。支架中心以及光源中心都与受测者车辆中心对齐，各盏灯依次平行排开，中心各距4215cm（在40m远处形成016°张角）。5盏前照灯的中心离地0166m,与美国汽车前照灯的平均安装高度相匹配。（Schoettle,Sivak,Nakata,2002）。
　　5盏前照灯采用3种不同的光源———卤钨灯、HID和LED,所有灯的光学特性都为反射型。采用3种具有不同光色但有相同物理尺寸和结构的LED前照光（4000K,4800K,6600K）。将各盏灯调节至在受测者眼睛位置产生1lx的照度。
　　受测者成对参加测试。每组的一位坐驾驶座，另一位坐副驾驶座。一名实验操作者坐在后排，另一名实验操作者在黑板后操作5盏灯。
　　观测屏上开有5个狭缝，抽起任一个狭缝的挡板，观测者便能通过狭缝看到相应的灯。每个狭缝宽15cm,高7cm。狭缝关闭时观测者不能看见狭缝，图2所画出的狭缝仅作说明之用。在测试灯开启前，受测者通过所在车辆的近光灯的照射只能看见一块有些固定白色圆点的大黑板。
　　1.2　任务
　　在每次灯点亮后，观测者应使用deBoer评价体系对其产生的不舒适眩光进行评价。该评价体系通常用于评价夜间照明的眩光（deBoer,1967），分成1至9级，但仅使用奇数评价：1（不能忍受），2,3（令人不适），4,5（刚能接受），6,7（较为满意），8,9（恰能看见）。
　　1.3　视觉目标
　　研究中采用15种不同视觉目标。这15种视觉目标通过受测者眼前3种不同照度（0125lx,015lx,1lx）及5种不同光源（卤钨灯，HID,3种LED）配对组成。
　　前两种照度通过在灯前放置中性滤光片得到（分别为50%和25%透光率），而最高照度环境则不需任何滤光片。
　　所有灯联接电源并根据需要手动控制。每盏灯前的挡板挡住灯前的狭缝，使灯点亮后并不立刻被受测者看到。为了减少实验中的热量，LED光源仅在使用前点亮，用后立刻关断。为了维持实验中的稳定色温，卤钨灯及HID灯在整个过程中始终点亮（约45min）。
　　1.4　环境条件
　　实验在无雨的秋天夜晚进行。受测者车辆的卤钨灯近光灯在整个过程始终打开，并对准目标。环境照度以受测者眼睛位置的垂直照度计量，在每组实验的开始和结束时都测量一次，得到平均照度为0120lx,其中最小0116lx,最大0127lx。
　　1.5　受测者
　　12名受测者有偿参加了该实验。其中有6名年轻人（年龄在25至30岁不等，平均年龄28岁），6名年长者（年龄在64至79岁不等，平均年龄71岁）。
　　每个年龄组都由3男3女组成。所有受测者都持有驾照。
　　1.6　流程
　　受测者成对进行测试，每组参加一个由45次测试组成的独立实验过程。这些测试分为3组，每组15次（5盏灯配以3种照度）。每次测试开始后，亮一盏灯并维持3s,每组里各盏灯的出现次序随机决定。
　　第一组的15次测试作为练习，使受测者熟悉他们所要完成的任务。但受测者并不知道自己正在进行练习，也不清楚他们所进行的实验被分成3组独立的（重复的）测试。（仅后两组实验被记录分析，下文中他们将被称作第一组和第二组）每次实验，受测者被提示去观察某个固定点（见图2），每个固定点在对应灯中心的下方015°（40m远处）。
  
　　在平衡了受测者年龄和性别因素后，LED光源被安放在中间的3个位置，卤钨灯及HID则被安放在两边。
　　2　结果
　　2.1　基本结果
　　对所获得的deBoer不舒适眩光评价结果进行方差分析，独立变量为灯的类型（卤钨灯，HID,LED-4000,LED-4800,LED-6000），照度（0125lx,015lx,1lx），受测年龄组（年轻，年老），以及实验组别（第一组，第二组）。
　　正如事先推测，照度的效果在数据上表现显着，F（2,20）=10317,p=010001,不舒适眩光同照度成单调关系（见表1）。

不同光源的效果在数据上也表现显着，F（4,40）=815,p=010001。卤钨灯不舒适眩光最低，次之为HID,LED-4000,LED-4800,LED-6600。（见表2）没有明显数据表明在光源类型与照度之间存在联系，即不同光源在3种照度环境下表现一致。

2.2　蓝锥细胞光视效率函数及不舒适眩光等级
　　在分析中，我们首先用蓝锥细胞光谱光视效率函数对各光源的光谱能量分布进行加权积分，计算获得“蓝光通量”，将结果与不舒适眩光等级比较。如图3所示，我们看到用蓝锥效率函数的计算结果与不舒适眩光等级成明显线性关系，相关系数为0.99。


3　讨论
　　3.1　与先前研究的关系
　　正如在我们先前研究报告的推测（Sivak等，2003），我们发现：（1）LED前照灯在相对更蓝的情况下，会比卤钨灯及HID灯产生更多不舒适眩光，（2）受测前照灯的蓝光成分直接影响不舒适眩光。另外，我们的发现与JARl（2004）中相同条件下的实验数据吻合。
　　3.2　蓝锥细胞及不舒适眩光
　　本实验的一个最有趣的发现在于用蓝锥光谱光视效率函数计算的蓝光通量可以很好地预测眩光的不舒适度。这种关系只能被暂时认可，直至用更多的前照灯光谱分布对实验进行验证。
　　3.3　蓝色照明的潜在益处
　　曾有一些尝试性研究表明光源的蓝光成分越多，越有利于对夜晚驾驶或类似的照明条件下的周边视觉目标的探测。将来这方面应该进一步尝试更好的量化眩光与探测的波长函数的研究，以便在选择前照灯光色时能更好地综合这两个矛盾因素的影响。
　　4　结语
　　本实验评估了前照灯蓝光成分对产生不舒适眩光的效果，目的在于在考虑相关光谱成分方面能提供有关指导，以减少驾驶员的不满。实验对3种LED光源（色温为4000K、4800K、6600K），以及卤钨灯和HID汽车前照灯作了测试。受测者坐在静止车中，评价光源在0.25lx、0.5lx、1lx照度下产生的不舒适眩光。
　　正如我们先前研究的预测，我们发现———LED前照灯在相对更蓝的情况下，会比卤钨灯及HID前照灯产生更多不舒适眩光。这种效果可能主要由于LED光源的光色而并非其他特性所造成，对于其他光源这有可能会有不同或相反的结果。本研究的数据表明，不舒适眩光等级同光谱中的蓝光成分成正比。
　　因此，如果该关系能在将来的研究中被进一步证实，蓝光成分在选择汽车前照灯光色时将可以作为一个具有启示作用的指标，以减少驾驶员对眩光的不满。