VTInatat. Statens väg- och trafikins titut. Titel: Ströljusluminans i vindrutor. Författare: S-O Lundkvist, Gabriel Helmers

Transkript

1 I VTInatat Nummer: TF Datum: Titel: Ströljusluminans i vindrutor Författare: S-O Lundkvist, Gabriel Helmers Avdelning: TF Projektnummer: Projektnamn: Laboratoriemätning av kontrastreduktion i slitna vindrutor Uppdragsgivare: Pilkington Säkerhetsglas AB Distribution: fri / HiöHäH / láéáfäñiád Statens väg- och trafikins titut ' t Pa: Linköping. Tel Te/ex VT/SG/ S Besök: Olaus Magnus väg 37, Linköping

2 Statens Väg- och TrafikinStitut Trafikant- och fordonsavdelningen S-O Lundkvist, Gabriel Helmers STRÖLJUSLUMINANS I VINDRUTOR 1. Bakgrund En fordonsförares möjlighet att upptäcka ett hinder i fordonsbelysning framför det egna fordonet är bl.a. avhängigt av den upplevda kontrasten mellan hindret och dess bakgrund. Vid fordonsmöte i mörkertrafik ger det mötande fordonets halvljus upphov till en siktnedsättande bländning, beroende på ströljus orsakat av brytningsfel i ögats lins och glaskropp samt på överspridning på näthinnan. Graden av bländning beror bland annat på ögats kondition. En äldre förare har t.ex. oftast ögon med grumligare lins och glaskropp än en yngre och blir därför mer bländad. Bländningen minskar kontrasten mellan ett eventuellt hinder och dess bakgrund, vilket i sin tur reducerar möjligheten att upptäcka hindret. På samma sätt kan man tänka sig att fordonets vindruta vid belysning ger upphov till en ströljusluminans med åtföljande kontrastreduktion [1]. Storleken av denna kan förväntas vara avhängig av rutans kondition. En repig, smutsig vindruta ger förmodligen större kontrastreduktion än en ny, ren ruta. Syftet med denna studie är att jämföra ljusspridningen i ögat med ljusspridningen i vindrutor. Är ljusspridningen vid belysning av en, repig vindruta försumbar i förhållande till den man får genom ljusspridning i ögats glaskropp? Kan vindrutans kondition vara kritisk för möjligheten att upptäcka ett hinder?

3 v 2. Definitioner Ett centralt begrepp vid upptäckt av ett synobjekt är ljushetskontrasten mellan objektet och dess bakgrund. Denna kontrast definieras som [2]: C _ Lo-Lb Lb där C är kontrasten mellan objektet och dess bakgrund Lo är objektets (hindrets) luminans (cd/m ) Lb är bakgrundens luminans (cd/m ) Vid bländning uppstår en så kallad ströljusluminans i ögat, benämnd Ls. Denna reducerar kontrasten enligt följande: Lo-Lb C = Lb+Ls Av formeln framgår att kontrasten vid ökad kraftig bländning, (d.v.s. vid stor och växande Ls), närmar sig 0, varvid sannolikheten för upptäckt av hindret minskar. Man kan på goda grunder anta att ett fordons vindruta fungerar på liknande sätt. Vid belysning av vindrutan t.ex.vid fordonsmöte uppstår en luminans i själva vindrutan, vilken ger upphov till en kontrastreduktion. Vi benämner denna luminans vindruteluminansen och betecknar den Lv. Kontrastekvationen med både ströljusluminans och vindruteluminans skulle då bli: Lo-Lb C = Lb+Ls+Lv Om Lv«Ls påverkar vindruteluminansen inte kontrasten i nämnvärd utsträckning och kan negligeras. Om däremot, för t.ex. en repig vindruta, Lv är av samma storleksordning som eller större än Ls, ger vindrutan ett ej försumbart tillskott till kontrastreduktionen vid t.ex fordonsmöte och därmed en minskad sannolikhet för upptäckt av hinder. '

4 3. Mätuppställning Den situation som en fordonsförare ofta befinner sig i vid möte i mörkertrafik på väg utan stationär belysning har simulerats i en laboratorieuppställning. Härvid har egna och mötande fordonsstrålkastare ersatts med projektorer (med halogenlampa) samt förarens ögon med en fotometer av typ Pritchard. Tio meter framför fotometern placerades ett synobjekt i form av en skiva som hade ett mörkt och ett ljust fält. Mellan fotometern och hindret fanns en vindruta. Försöksuppställningen visas i figur 1. Observera att mätuppställningen var sådan att inte något direktljus föll in mot fotometern. Detta för att möjliggöra mätning av vindruteluminansen utan störande ströljusluminans i fotometern. Som mått på ljusspridningen i olika vindrutor användes kontrasten mellan det ljusa och det mörka fältet på hindret. De oberoende variabler som ingick i mätningen var: -Vindrutans tillstånd: WMI-'O : optimal (dvs ingen) vindruta : ny, ren vindruta : sliten, nytvättad vindruta : mkt sliten, nytvätta vindruta -Vinkel mellan bländkälla och observationsriktning (v): 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15. Detta innebär att kontrastmätning gjordes för' 4*7=28 olika kombinationer av vindruta och bländningsvinkel. Som antytts ovan vill vi jämföra den kontrastnedsättning som orsakas av vindrutan med den som beror på den ströljusluminans som vid bländning uppstår i ögat. Denna ströljusluminans kan inte direkt mätas utan kan beräknas genom olika alternativa, empiriskt härledda bländningsformler. Beräkningarna har gjorts enligt Fry [3] Holladay & Stiles och V03 [4]. Formlerna redovisas nedan: Fry: Ls _ lo*e*cos v - v(v+1.5) Holladay & Stiles: L s = 10*E 2 v Vos: 10*E ' 10*E 106 LS= --+--_----+ (v+0.02)2 (v+0.02)3 exp(v/ där Ls är ströljusluminansen (cd/m2) E är belysningsstyrkan vid ögat (lux) v är vinkeln mellan observationsriktning och bländkälla (grader)

5 Simulerad egen fordonsstrålkastare Observaför/ ' Synobjekf ljusm'dfare \ \ \ \$ (hinder) Q <u \ "' "" "75 \ $ \ \\ \ Avskarmning Vindrufa ' \ Simulerad mötande sfrålkasfare Figur 1 Försöksuppstä11ning

6 Detta innebär att formlerna ovan approximativt skall gälla för ett ungt normalseende öga. För att kunna beräkna Ls mättes också belysningsstyrkan vid vindrutan.. 4. Resultat De grundläggande mätstorheterna är det ljusa och det mörka fältets luminans under olika bländningsvinklar och med olika vindrutor. Dessa mätdata presenteras i figur 2. I tabell 1 anges för sju olika bländvinklar och fyra vindrutor den uppmätta kontrasten mellan skivans ljusa och mörka fält. Det mörka fältet har antagits vara bakgrunden, då det normala i fordonsbelysning är att hindret är ljusare än bakgrunden (oftast vägbanan). Om man antar att vindruteluminansen för ruta 0 rimligen är noll, kan man beräkna Lv för ruta 1,2 och 3. Med beteckningarna C(j) för ruta j:s kontrast och Lv(j) för ruta j:s vindruteluminans har vi nämligen: Lo-Lb C(O) = EB:E;ZÖT (1) Lo-Lb C(l) = EE:E;ZI7 (2) Observera att Lo och Lb i ekvationerna (1) och (2) är desamma; det är Lv(1) som har sänkt kontrasten från C(O) till C(1). Under antagandet att Lv(O)=O är Lo och Lb kända från mätningarna utan vindruta, liksom C(l) är känt från mätningarna med vindruta 1. Om Lv(1) löses ut ur ekvation (2) erhålls då: Lo-Lb LV(1) = C(1 - Lb (3) Ekvation (3) gäller givetvis även för vindrutorna 2 och 3. I tabell 1 redovisas kontraster genom och vindruteluminanser för de här uppmätta vindrutorna.

7 (2) sliten vindruta (3) mycket sliten vindruta Luminans A 100-". a (0) optimal (ungen) vindruta H. :, J., B!ündnings- 1'2' 4' 10' ' 10 15' 1'2' 4' 10 15' 1'2' 1.' 10' 15' nkehv q- Figur 2 Luminanser för det 1jusa och det mörka fä1tet hos synobjektet, uppmätta genom fyra vindrutor under 01ika b1andningsvink1ar. L0=streckad kurva; LB=he1dragen kurva

8 bländnings: kontrast mellan ljusa Vindruteluminans, Lv, vinkel,v och mörka fältet, C, för ruta för ruta O Tabell 1 Kontrast mellan ljust och mörkt fält för fyra olika vindrutor och sju olika bländningsvinklar. I tabellen anges också vindruteluminansen för de olika betingelserna. Kontrasten genom ruta 0 (ingen ruta) skall vara konstant. Att den inte är det, beror på mätfel; främst var det dammpartiklar i luften som störde mätningarna i små bländningsvinklar. Kontrasten mellan ljust och mörkt fält för de fyra vindrutorna åskådliggörs för bländningsvinklarna 1,2,4,10 och 15 i figur 3. Kontrasten kan med hänsyn tagen till både ströljusluminansen i ögat, Ls, och vindruteluminansen, Lv, skrivas: C _ Lo-Lb ' Lb+Ls+Lv Vindruteluminansen Lv har för de tre vindrutorna redovisats i tabell 1. I tabell 2 jämförs Lv för en mycket sliten vindruta med ströljusluminansen i ögat Ls, vilken har beräknats ur Fry^s, Holladay & Stiles' och Vos' bländningsformler.

9 C:gl-o L -L B B*Lv A (O)0 fimal(=in en) M.4 u./ andrufa 9 W " Z _SJ/(1) nyvindruta 10 T \(2) sli'ren vindruta _(3) mycke]l sliten vindrufu 1.. 0, L 1 > vm e,v Figur 3 Kontraster me11an 1just och mörkt fält för fem 01ika b1ändningsvink1ar uppmätt genom fyra vindrutor

10 bländnings- vindrute- ströl'usluminans i ögat, Ls vinkel, v luminêns, Lv (cd/m ) enligt: (grader) (cd/m ) Fry Holladay Vos & Stiles Tabell 2 Jämförelse mellan ströljusluminansen, Ls, och vindruteluminansen, Lv, för en mycket sliten vindruta (d.v.s. vindruta 3). -I en separat mätserie har reliabiliteten (repeterbarheten) vid upprepade mätning på en och samma ruta kontrollerats. Den var för en mätserie (1 _15 ) så hög som Detta visar främst att den ganska primitiva mätuppställning som har använts har uppfyllt de krav man bör ställa på kalibrering och vinkelinställning. I en annan mätserie uppmättes för bländningsvinkeln 5 två vindrutor (rutorna 2 och 3) i vardera fem punkter. Detta gjordes för att få en uppfattning om hur kontrastreduktionen varierar mellan olika punkter på vindrutan. För de två rutorna beräknades medelvärde av kontrasten samt en 95% konfidensintervall runt medelvärdet. Resultat: ruta 2 kontrast 4.11 konf.intervall 1.19 ruta 3 kontrast 0.91 konf.intervall 0.08 Mätningarna är samtliga gjorda inom det område på där vindrutetorkarna har slitit på rutan. Man ser att för ruta 2 var variationen mellan mätpunkter ganska stor, medan den var liten för den mycket slitna rutan, nummer 3. Detta visar att variationen över en vindruta kan vara stor och att mätning i endast en punkt är olämplig, åtminstone vid en objektiv kdntroll av en vindruta.

11 10 5. Slutsatser Dessa inledande mätningar på ett mycket begränsat antal vindrutor har inneburit att man har skäl att förvänta sig att vindrutans kondition har stor betydelse för hinderupptäckt i mörkertrafik på väg utan stationär belysning. Eftersom bländningen i denna laboratoriemätning inte har haft realistiska nivåer, kan inte kontrastreduktionerna värderas i absoluta tal. Däremot kan man jämföra de olika vindrutorna med varandra samt jämföra ströljusluminansen i Ögat med luminansen som uppstår i vindrutan. I figur 1 ser man att 'om vindrutan är sliten och man har en bländkälla i 1 från observationsriktningen (möte i fordonsbelysning), så höjs luminansnivån kraftigt för både den ljusa och mörka ytan, varvid kontrasten reduceras kraftigt. I små bländningsvinklar är skillnaden mellan en ny och en sliten vindruta stora. I större vinklar (bländkällor vid sidan av vägen) är detta fenomen inte lika påtagligt. En jämförelse mellan ströljusluminansen i ögat och vindruteluminansen (tabell 2) visar också att dessa är av ungefär samma storleksordning. Fry's formel ger den minsta uppskattningen medan Vos' formel ger den största. Holladay & Stiles' formel är den mest använda och rekommenderas för användning i fortsättningen. Med stöd av ovan redovisade mätresultat finns det anledning att antaga att de kontrastreduktioner som erhålles i en sliten vindruta är så stora att de påtagligt påverkar möjligheten att upptäcka hinder vid fordonsmöte i mörker. Storleken av vindrutors siktnedsättande effekt i mörkertrafik kan endast fastställas genom att utföra fullskaliga siktsträckeförsök i simulerade mötessituationer på avlyst bana. I ett sådant försök skulle siktsträckan till hinder på vägbanan mätas upp för ett antal vindrutor, som.täcker in variationsvidden hos rutor i trafiken med avseende på slitage.

12 11.' Referenser [11 [2] [3] Padmos, P.: "Glare and tunnel entrance lighting: Effects of straylight from eye, atmosphere and windscreen." CIE-Journal Vol.3, N01, Stevens,S.S.: "Handbook of experimental psychology", John Wiley & Sons, Inc., third printing, page 957, New York Fry,G.A.: "A re-evaluation of the scattering theory of glare", Illuminating Engineering, Volume 49, [4] Vos,J.J.: "Disability glare - A state CIE-Journal, Vol.3, No.2, of art report."

13