白炽灯下T5荧光灯视功效、识别率对比实验研究*

2010-08-08严永红关杨王宁张小康

照明工程学报 2010年3期

严永红关杨王宁张小康

(重庆大学建筑城规学院，重庆 400030)

1 引言

近年来，研究光对人的心理、生理效应已成为照明研究重要的领域之一［1］。研究表明，由于光生物效应作用，光源光谱差异可影响人体的昼夜节律、体温和机敏程度，因此，直接影响工作效率及人体健康［2］。在教室照明中，由于学生长时间处在某一种特定的光环境中，因此，教室照明光源的光谱对其学习效率、健康的影响是不容忽视的。

通过对我国重庆、成都等地多所大学教室照明的调查统计，发现目前大学教室普遍采用6500K左右的高色温T5荧光灯作为教室一般照明，黑板照明也采用同样的光源。通过问卷调查发现，不少学生反映这样的色温配置易疲劳。同时，通过对教室光源色温喜好的问卷调查统计发现，学生对色温的偏好并非一成不变，而是随教室功能、照度水平而变化［3］，以此作为教室照明色温选择的依据显然并不可靠。因此，为了解何种色温的光源视功效表现更好、更有利于提高学生学习效率，及黑板照明与教室一般照明光源色温间是否存在最佳组合关系，我们特选定色温2700K、4000K、6500K的 T5荧光灯(亮度可调)作为研究对象，对其进行视功效对比研究及学习效率、视疲劳及生理节律影响研究。限于篇幅，本文仅介绍视功效对比研究实验部分。

本实验分为两个阶段:实验一采用调光方便、省时的白炽灯作为视标光源，上述三种光色的荧光灯分别作为背景照明光源，寻找出视功效表现最佳的背景光源。

实验二 (见“三种色温T5荧光灯光色配比识别率对比实验研究”)将视标光源更改为荧光灯(模拟黑板照明)，背景光源仍为荧光灯 (模拟教室一般照明)，光色两两配比，比较在不同光色搭配条件下的视功效差异，寻找最佳光色搭配方案。

2 实验一白炽灯——荧光灯视功效对比实验

2.1 实验目的

对比不同色温荧光灯光源作为背景光源，在视标光源统一为白炽灯的条件下受试人的视功效表现，以了解背景光源的光谱光色对受试人视功效的影响，寻找出在同等亮度条件下，可有效提高受试人识别率的背景光源。

2.2 实验对象

实验选择8名在校大学生，年龄在18～21岁，身体健康，双眼裸眼视力1.0以上，其中男4名，女4名。每次实验前均已排除了身体、心理异常的样本。

2.3 实验条件

重庆大学建筑城规学院5楼建筑照明实验室，房间尺寸为7.2m×10m×3.9m，西向有两个侧窗，窗内侧设有黑色遮光布及银灰色木质推拉门以控制天然光，室内设空调。

所有实验均在每晚7:00～10:30进行，这一时间段的选择有利于完全排除天然光的影响，且可保证各受试人每次实验均处在相近的生理节律周期中，以确保其测试数据的相对连续性和可比性。

对室内温、湿度、CO2浓度进行实时监测，以保证每次实验室温、湿度、CO2浓度等环境条件基本相同。如出现明显差异，及时进行温、湿度及通风调节。

2.4 视功效实验装置

装置为一照度可控的小房间，为方便储藏和适应不同实验需求，由可分拆的木板拼装而成，详见图1、2。木板一面为反射比约0.93的白色漫反射面 (哑光面)，另一面为反射比相同的白色反光油漆面 (光面)。此次实验小房间所有内壁均为漫反射面。

图1 实验装置平面图

小房间前后两侧分别为观察面和视觉作业呈现面，在观察面一侧开有观察窗口——实验时，受试者将头放在窗口的托架上以固定视距，观察对面视标。在房间一侧和视标上端分别安装背景光源和视标光源，通过调光装置可分别控制背景亮度和视标亮度，由此调节视觉面的对比度。目标与背景的亮度对比度在0.02～120内可变。在以往的视功效实验中，背景光源大多未与视标光源明确地分开 (两个光源相互叠加)，而本次实验为了更精确地了解背景亮度/光色与视标亮度/光色间微妙差异所带来的视功效差异，对实验方案进行了改进，将视标光源隐藏在视标背面，以保证视标光源仅对视标进行照明，而几乎不在其背景面上形成逸散光 (见图2)。

视标采用白底黑色郎道尔环，安装在一个可旋转的自动控制装置上，开口方向随机呈上、下、左、右四个方向，曝光时间可通过计算机程序进行设定。通过实验对比，本次实验采用0.5s/次的曝光时间。

实验开始前，让观察者进行充分的视觉适应、固定视距。实验时，观察者注视正前方的视标，旋转装置随机呈现不同开口方向的郎道尔环12次，观察者回答所看到的开口方向。实验结果排除1/4的偶然正确机率，统计视标识别率。每次试验每位受试者测试2次，如2次结果差异较大，则增加一次，对其中结果相近的两次进行算术平均作为识别率的最终结果。

视标光源:2700K/40W/E27标准 P型球状磨砂白炽灯泡一支 (可调光);背景光源:3000K、4000K、6500K，功率54W 、Ra=85的 T5可调光OSRAM荧光灯管各一支，灯具为索恩教室专用可调光灯具，可实现0～100光输出。

图2 实验装置剖面图

图3 视标

视标尺寸的选择:

通过对重庆大学20个教室的调查统计，表明在符合我国设计规范要求的教室中，最后一排学生能清楚辨识的黑板面最小汉字所对应的学生最小视角约为4′，也即是说，本实验的视标最小值应为4′。但通过视功效预试验发现，如视标尺寸达到4′，在本实验室现有实验条件下，即使在背景亮度仅0.018 cd/m2的情况下，其识别率都接近100%，而根据视功效曲线定义，必须满足识别率小于或等于95%的前提条件下才可能绘制出视功效曲线［4］。因此，本实验采用 1′、2′和3′视标，选取识别率 P=50%，来绘制视功效曲线。

视角计算公式:

式中 R——观察距离 (mm);

L——物体尺寸 (mm)。

对比度计算公式为:

式中 C——对比度;

Bb——背景亮度;

Bt——视标亮度。

2.5 实验方法

在进行正式实验之前，我们曾选择不同年龄段15人进行了为期两个月的预实验。包括9名在校大学生 (4男5女，其中一名女生由于数据异常被剔除)、4名成年人 (2男 2女)、2名儿童 (1男 1女)。实验的本意欲初步绘制出各年龄段人群的参考视功效曲线，但通过实验发现，由于本次实验的目的在于寻找背景亮度/光色与视标亮度/光色间微妙差异所带来的视功效差异，对精度的要求远高于一般视功效试验。因此，每测试完一位，在下一位测试者开始测试前，必须对背景、视标亮度进行复检以保证结果的准确性;一名受试者测试一个点的耗时约在20分钟左右 (包括亮度适应、调光、实验条件检查等)，若要同时满足15名受试者的识别率均为50%的条件下来绘制准确的视功效曲线，耗时极长。由于所有受试人均为在校学生或工作人员，工作、学习任务繁重，无法保证长时间配合测试，因此，我们通过综合评价15名受试者的实验表现，从样本最大的青年组中挑选出识别能力较具代表性(约能代表8名受试者中的4名)且表现最稳定的一名受试者 (下文称“参考人”)来绘制出他的特定视功效曲线，然后以此曲线作为参照物，测试出8名受试者在同样条件下的平均识别率。

尽管这种方法不能得出8名受试者准确的平均视功效曲线，但由于本实验的重点不在于绘制出特定人群准确的视功效曲线，而在于比较不同光源在同等条件下的视功效差异。在目前实验经费及时间的限制下，采用这种方法可在相对较短的时间内得出1′、2′和3′视标的视功效曲线趋势，再通过平均识别率高低来判断各种光源的优劣。

3 实验结果

图5是在背景光源为6500K荧光灯、视标光源为白炽灯，P值为50%的条件下，“参考人”的1′、2′和3′视标视功效参考曲线。图4是庞蕴凡等人测定的我国成年人在P=50%下视功效特性图。对比可看出，尽管由于实验条件不同，本实验所绘制的“参考人”视功效参考曲线绝对值与图4相差较大，但曲线大体趋势一致。证明本实验与庞蕴凡等人的实验结果是吻合的。此处需说明的是，在本实验条件下，当背景亮度分别达到0.5cd/m2、0.316cd/m2后，无论在何种色温条件下，预实验中的15位受试者对2′、3′视标的识别率均超过95%，因此，在正式实验中，2′、3′视标的背景亮度取点分别只取到0.316cd/m2和0.117cd/m2。

得出“参考人”视功效参考曲线后，按照相同的实验方法和曲线取点，保持视标光源为白炽灯不变，统计出其余7名受试者分别在背景光源为2700K、4000K和6500K荧光灯条件下的识别率。通过比较2700K、4000K和6500K分别作为背景光源时的识别率来分析低、中、高色温光源的视功效差异。结果见本文小结。

图4 庞蕴凡等人测定的我国成年人视功效参考曲线(P=50%)

4 数据分析

基于上述实验方法，由于背景亮度取值及对比度都相同 (误差控制5%以内)，识别率高低便成为比较各背景光源优劣的主要指标，1′、2′和3′视标时各背景光源识别率见图5、6、7。

图5 “参考人”视功效参考曲线 (视标光源为白炽灯，背景光源为6500K荧光灯，P=50%)

4.1 1′视标识别率比较

由图6各背景光源识别率曲线可以看出，三种光源的识别率曲线变化大体可分三个区段，在背景亮度为0.018～0.1cd/m2的区段1，2700K的识别率最高;背景亮度在 0.1 ～1cd/m2的区段 2，4000K的识别率最高，2700K的识别率降至最低;背景亮度在1～3.16cd/m2的区段3，6500K的识别率最好，4000K次之，2700K最差。从背景亮度在0.018～3.16cd/m2间10个点的平均识别率来看，2700K背景光源别率最低，为46.45%;4000K和6500K光源的差异不大，分别为49.4%和49.6%。

图6 1′视标条件下，“参考人”视功效曲线、对应各背景光源识别率曲线图

4.2 2′视标识别率比较

由图7各背景光源识别率曲线可以看出，三种光源的识别率曲线变化可分三个区段，背景亮度为0.018cd/m2～0.056cd/m2的区段 1，2700K 与4000K光源的识别率相近，但6500K光源的识别率明显低于另两种光源;背景亮度在0.056cd/m2～0.178cd/m2的区段2，4000K的识别率最高，6500K次之，2700K的识别率降至最低;背景亮度在0.178～0.316cd/m2的区段3，2700K背景光源的识别率最差，4000K和6500K的差别不大。从背景亮度在0.018～0.316cd/m2间6个点的平均识别率来看，4000K背景光源识别率明显高于另两种光源，为68.67%;2700K和6500K背景光源的识别率差异不大，分别为58.5%和59.3%。

图7 2′视标条件下，“参考人”视功效曲线、对应各背景光源识别率曲线图

4.3 3′视标识别率比较

由图8各背景光源识别率曲线可以看出，三种光源的识别率曲线变化可分三个区段，背景亮度在0.018～0.032cd/m2的区段1，三种背景光源的识别率差异不大，但2700K相对最高;背景亮度在0.032～0.056cd/m2的区段 2，6500K的识别率最高，2700K和4000K的识别率差异不大;背景亮度在0.056～0.178cd/m2的区段3，4000K背景光源的识别率最高，6500K次之，2700K最差。从亮度在0.018～0.117cd/m2间5个点的平均识别率来看，2700K背景光源识别率明显低于另两类光源，为67.8%;4000K和6500K背景光源的识别率差异不大，分别为71.8%和72.97%。