Ströljusluminans i vindrutor

VTInatat

Nummer: TF 55-06 Datum: 1987-03-31

Titel: Ströljusluminans i vindrutor

I Författare: S-O Lundkvist, Gabriel Helmers

Avdelning: TF

Projektnummer: 55316-4

Projektnamn: Laboratoriemätning av kontrastreduktion i slitna vindrutor Uppdragsgivare: Pilkington Säkerhetsglas AB

Distribution: fri / HiöHäH / láéáfäñiád

Statens väg- och trafikinstitut

' Pa: 587 07 Linköping. Tel. 073- 77 52 00. Te/ex 50725 VT/SG/ S t Besök: Olaus Magnus väg 37, Linköping

Statens Väg- och TrafikinStitut

1987 03 31

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?

2. Definitioner

Ett centralt begrepp vid upptäckt av ett synobjekt är

ljushetskontrasten mellan objektet och dess bakgrund. Denna

kontrast definieras som [2]:

_ Lo-Lb_{Lb där}

C

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 v 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

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:

: optimal (dvs ingen) vindruta

: ny, ren vindruta

: sliten, nytvättad vindruta : mkt sliten, nytvätta vindruta

-Vindrutans tillstånd: W M I -' O

-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*E₂

v

Vos:

_{LS=__--+--_----+}

10*E '

10*E

106

(v+0.02)2 (v+0.02)3 exp(v/0.02 2

där

Ls är ströljusluminansen (cd/m2)

E är belysningsstyrkan vid ögat (lux)

v är vinkeln mellan observationsriktning och bländkälla (grader)

Simulerad

egen

fordons-strålkastare

Observaför/

'

Synobjekf

ljusm'dfare

\

®\ \ \$

(hinder)

\\

Q

<u \ "' "" "75

\ $ \ \

Avskarmning

Vindrufa

'

\®

Simulerad

mötande

sfrålkasfare

Figur 1 Försöksuppstä11ning

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.

Lum

in

an

s

A

(2

)

sl

it

en

vi

nd

rut

a

(3

)

myc

ke

t

sl

it

en

vi

nd

rut

a

10

0-"

.

a

(0

)

op

ti

ma

l

(un

ge

n)

vi

nd

rut

a

H

.

:

,

1

1

.

.

1

..

J

.

,B

!ün

dn

in

gs

-1'2

'

4'

10'

15°

1°2

°

4'

10°

15'

1'2

'

4'

10°

15'

1'2

'1

.'

10'

15'

n

ke

hv

q-Fi gur 2 Lum in an se r för de t 1j us aoc h de t mör ka fä1 te t ho s syn ob je kt et , up pm ät ta ge no m fyr a vi nd rut or un de r 01 ik a b1 an dn in gs vi nk 1a r. L0 =s tr ec kad kur va ; LB =h e1 dr ag en kur va

bländnings: kontrast mellan ljusa Vindruteluminans, Lv,

vinkel,v och mörka fältet, C, för ruta

för ruta 0 1 2 3 O 1 2 3 1° 13.9 2.48 0.16 0.04 0.00 7.61 168 583 2° 15.8 3.74 1.00 0.17 0.00 4.59 25.8 132 3° 16.4 5.97 1.71 0.37 0.00 2.37 14.6 59.4 4° 16.4 7.59 2.94 0.64 0.00 1.57 7.67 33.3 5° 16.4 9.23 4008 0.89 0.00 1.05 5.05 23.7 10° 16.4 12.9 9.63 4.02 0.00 0.37 1.21 4.17 15° 16°5 14.3 12.8 7.05 0.00 0.19 0.52 1.79

Tabell 1 Kontrast mellan ljust och mörkt fält för fyra olika vind-rutor 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.

L -L

C:gl-o B

B*Lv

A

(O)0 fimal(=in en)

M

.4

u

./

andrufa 9

W

"

Z

_SJ/(1) ny Vindruta

10 T

\(2) sli'ren vindruta

_(3) mycke]L sliten

vindrufu

1 ..

0,1

1 1 1 L 1 >

1. 2.

4.

10.

15.

vm e ,v

Figur 3 Kontraster me11an 1just och mörkt fält för fem 01ika b1ändningsvink1ar uppmätt genom fyra vindrutor

bländnings- vindrute- ströl'usluminans i ögat, Ls

vinkel, v luminêns, Lv (cd/m ) enligt:

(grader) (cd/m ) Fry Holladay Vos

& Stiles 1 583 406 1015 1932 2 132 145 254 372 3 59.4 75.1 113 148 4 33.3 46.0 63.4 78.4 5 23.7 31.1 40.6 48.3 10 4°17 8.69 10.2 11.1 15 1.79 3.96 4.51 4.80

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 0.9998. 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

vindrute-torkarna 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.

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 ocksåatt 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

11.'

Referenser

[11

[2]

[3]

[4]

Padmos, P.: "Glare and tunnel entrance lighting: Effects of straylight from eye, atmosphere and windscreen." CIE-Journal Vol.3, N01, 1984.

Stevens,S.S.: "Handbook of experimental psychology", John Wiley & Sons, Inc., third printing, page 957, New York 1951.

Fry,G.A.: "A re-evaluation of the scattering theory of glare", Illuminating Engineering, Volume 49, 1954.

of art Vos,J.J.: "Disability glare - A state