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/ St Besök: Olaus Magnus väg 37, Linköping

Statens Väg- och TrafikinStitut 1987 03 31Trafikant- och fordonsavdelningenS-O Lundkvist, Gabriel Helmers

STRÖLJUSLUMINANS I VINDRUTOR

1. Bakgrund

En fordonsförares möjlighet att upptäcka ett hinder ifordonsbelysning framför det egna fordonet är bl.a. avhängigt avden upplevda kontrasten mellan hindret och dess bakgrund. Vidfordonsmöte i mörkertrafik ger det mötande fordonets halvljusupphov till en siktnedsättande bländning, beroende på ströljusorsakat av brytningsfel i ögats lins och glaskropp samt påöverspridning på näthinnan. Graden av bländning beror bland annatpå ögats kondition. En äldre förare har t.ex. oftast ögon medgrumligare lins och glaskropp än en yngre och blir därför merbländad. Bländningen minskar kontrasten mellan ett eventuellthinder och dess bakgrund, vilket i sin tur reducerar möjlighetenatt upptäcka hindret.

På samma sätt kan man tänka sig att fordonets vindruta vidbelysning ger upphov till en ströljusluminans med åtföljandekontrastreduktion [1]. Storleken av denna kan förväntas vara

avhängig av rutans kondition. En repig, smutsig vindruta gerförmodligen större kontrastreduktion än en ny, ren ruta.

Syftet med denna studie är att jämföra ljusspridningen i ögat medljusspridningen i vindrutor. Är ljusspridningen vid belysning aven, repig vindruta försumbar i förhållande till den man får genomljusspridning i ögats glaskropp? Kan vindrutans kondition varakritisk för möjligheten att upptäcka ett hinder?

2. Definitioner

Ett centralt begrepp vid upptäckt av ett synobjekt ärljushetskontrasten mellan objektet och dess bakgrund. Dennakontrast definieras som [2]:

_ Lo-LbLb därC

C är kontrasten mellan objektet och dess bakgrundLo 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, varvidsannolikheten för upptäckt av hindret minskar.

Man kan på goda grunder anta att ett fordons vindruta fungerar påliknande sätt. Vid belysning av vindrutan t.ex.vid fordonsmöteuppstår en luminans i själva vindrutan, vilken ger upphov till enkontrastreduktion. Vi benämner denna luminans vindruteluminansenoch betecknar den Lv. Kontrastekvationen med både ströljusluminansoch vindruteluminans skulle då bli:

Lo-Lb

v C = Lb+Ls+Lv

Om Lv«Ls påverkar vindruteluminansen inte kontrasten i nämnvärdutsträckning 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 kontrastreduktionenvid t.ex fordonsmöte och därmed en minskad sannolikhet förupptäckt av hinder. '

3. Mätuppställning

Den situation som en fordonsförare ofta befinner sig i vid möte imörkertrafik på väg utan stationär belysning har simulerats i enlaboratorieuppställning. Härvid har egna och mötandefordonsstrålkastare ersatts med projektorer (med halogenlampa)samt förarens ögon med en fotometer av typ Pritchard. Tio meterframför fotometern placerades ett synobjekt i form av en skiva somhade ett mörkt och ett ljust fält. Mellan fotometern och hindretfanns en vindruta.

Försöksuppställningen visas i figur 1.

Observera att mätuppställningen var sådan att inte någotdirektljus föll in mot fotometern. Detta för att möjliggöramätning av vindruteluminansen utan störande ströljusluminans ifotometern. Som mått på ljusspridningen i olika vindrutor användeskontrasten mellan det ljusa och det mörka fältet på hindret. Deoberoende variabler som ingick i mätningen var:

: optimal (dvs ingen) vindruta

: ny, ren vindruta: sliten, nytvättad vindruta: mkt sliten, nytvätta vindruta

-Vindrutans tillstånd:

WMI-'O

-Vinkel mellan bländkällaoch observationsriktning (v): 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 10°, 15°.

Detta innebär att kontrastmätning gjordes för' 4*7=28 olikakombinationer av vindruta och bländningsvinkel.

Som antytts ovan vill vi jämföra den kontrastnedsättning somorsakas av vindrutan med den som beror på den ströljusluminans somvid bländning uppstår i ögat. Denna ströljusluminans kan intedirekt mätas utan kan beräknas genom olika alternativa, empiriskthärledda 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 10*Es = 2

v

Vos: 10*E ' 10*E 106LS=__--+--_----+

(v+0.02)2 (v+0.02)3 exp(v/0.02 2där

Ls är ströljusluminansen (cd/m2)

E är belysningsstyrkan vid ögat (lux)v är vinkeln mellan observationsriktning och bländkälla

(grader)

Simuleradegen fordons-strålkastare

Observaför/ ' Synobjekfljusm'dfare \ ®\ \ \$ (hinder)

\\

Q <u \ "' "" "75\

$ \

\

Avskarmning Vindrufa ' \®Simuleradmötandesfrålkasfare

Figur 1 Försöksuppstä11ning

Detta innebär att formlerna ovan approximativt skall gälla för ettungt normalseende öga. För att kunna beräkna Ls mättes ocksåbelysningsstyrkan vid vindrutan.

. 4. Resultat

De grundläggande mätstorheterna är det ljusa och det mörka fältetsluminans under olika bländningsvinklar och med olika vindrutor.Dessa mätdata presenteras i figur 2.

I tabell 1 anges för sju olika bländvinklar och fyra vindrutor denuppmätta kontrasten mellan skivans ljusa och mörka fält. Det mörkafältet har antagits vara bakgrunden, då det normala ifordonsbelysning är att hindret är ljusare än bakgrunden (oftastvägbanan). Om man antar att vindruteluminansen för ruta 0 rimligenär 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 vindruteluminanshar vi nämligen:

Lo-LbC(O) = EB:E;ZÖT (1)

Lo-LbC(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. OmLv(1) löses ut ur ekvation (2) erhålls då:

Lo-LbLV(1) = C(1 - Lb (3)

Ekvation (3) gäller givetvis även för vindrutorna 2 och 3.I tabell 1 redovisas kontraster genom och vindruteluminanser förde här uppmätta vindrutorna.

Luminans

A

(2)

slit

envi

ndru

ta(3

)my

cket

slit

envi

ndru

ta

100-

".

a(0

)op

tima

l(u

ngen

)vi

ndru

ta

H

.:

,1

1.

.1

..J

.,

B!ündnings-

1'2'

4'10'

15°1°2

°4'

10°15'

1'2'

4'10

°15

'1'2

'1.'

10'15

'nk

ehv

q-

Figur

2Luminanser

för

det

1jus

aoc

hdet

mörka

fä1tet

hos

synobjektet,

uppmätta

genom

fyr

avindrutor

under

01ika

b1andningsvink1ar.

L0=streckad

kur

va;

LB=he1dragen

kurva

bländnings: kontrast mellan ljusa Vindruteluminans, Lv,vinkel,v och mörka fältet, C, för ruta

för ruta0 1 2 3 O 1 2 3

1° 13.9 2.48 0.16 0.04 0.00 7.61 168 5832° 15.8 3.74 1.00 0.17 0.00 4.59 25.8 1323° 16.4 5.97 1.71 0.37 0.00 2.37 14.6 59.44° 16.4 7.59 2.94 0.64 0.00 1.57 7.67 33.35° 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 4.1715° 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 angesockså vindruteluminansen för de olika betingelserna.

Kontrasten genom ruta 0 (ingen ruta) skall vara konstant. Att deninte 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 vindrutornaåskådliggörs för bländningsvinklarna 1°,2°,4°,10° och 15° ifigur 3.

Kontrasten kan med hänsyn tagen till både ströljusluminansen iögat, Ls, och vindruteluminansen, Lv, skrivas:

C _ Lo-Lb' Lb+Ls+Lv

Vindruteluminansen Lv har för de tre vindrutorna redovisats itabell 1. I tabell 2 jämförs Lv för en mycket sliten vindruta medströljusluminansen i ögat Ls, vilken har beräknats ur Fry^s,Holladay & Stiles' och Vos' bländningsformler.

L -LC:gl-o BB*Lv

A (O)0 fimal(=in en)M .4 u ./ andrufa 9W " 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 01ikab1ändningsvink1ar uppmätt genom fyra vindrutor

bländnings- vindrute- ströl'usluminans i ögat, Lsvinkel, v luminêns, Lv (cd/m ) enligt:(grader) (cd/m ) Fry Holladay Vos

& Stiles

1 583 406 1015 19322 132 145 254 3723 59.4 75.1 113 1484 33.3 46.0 63.4 78.45 23.7 31.1 40.6 48.3

10 4°17 8.69 10.2 11.115 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 denganska primitiva mätuppställning som har använts har uppfyllt dekrav man bör ställa på kalibrering och vinkelinställning.

I en annan mätserie uppmättes för bländningsvinkeln 5° tvåvindrutor (rutorna 2 och 3) i vardera fem punkter. Detta gjordes

för att få en uppfattning om hur kontrastreduktionen varierarmellan olika punkter på vindrutan. För de två rutorna beräknadesmedelvärde av kontrasten samt en 95% konfidensintervall runtmedelvärdet. Resultat:

ruta 2 kontrast 4.11 konf.intervall 1.19ruta 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 varvariationen mellan mätpunkter ganska stor, medan den var liten förden mycket slitna rutan, nummer 3. Detta visar att variationenöver en vindruta kan vara stor och att mätning i endast en punktär olämplig, åtminstone vid en objektiv kdntroll av en vindruta.

10

5. Slutsatser

Dessa inledande mätningar på ett mycket begränsat antal vindrutorhar inneburit att man har skäl att förvänta sig att vindrutanskondition har stor betydelse för hinderupptäckt i mörkertrafik påväg utan stationär belysning.

Eftersom bländningen i denna laboratoriemätning inte har haftrealistiska nivåer, kan inte kontrastreduktionerna värderas i

absoluta tal. Däremot kan man jämföra de olika vindrutorna medvarandra samt jämföra ströljusluminansen i Ögat med luminansen somuppstår i vindrutan.

I figur 1 ser man att 'om vindrutan är sliten och man har enbländkälla i 1° från observationsriktningen (möte ifordonsbelysning), så höjs luminansnivån kraftigt för både denljusa och mörka ytan, varvid kontrasten reduceras kraftigt. I småbländningsvinklar är skillnaden mellan en ny och en slitenvindruta stora. I större vinklar (bländkällor vid sidan av vägen)är detta fenomen inte lika påtagligt.

En jämförelse mellan ströljusluminansen i ögat ochvindruteluminansen (tabell 2) visar ocksåatt dessa är av ungefärsamma storleksordning. Fry's formel ger den minsta uppskattningenmedan Vos' formel ger den största. Holladay & Stiles' formel ärden mest använda och rekommenderas för användning i fortsättningen.

Med stöd av ovan redovisade mätresultat finns det anledning attantaga att de kontrastreduktioner som erhålles i en slitenvindruta är så stora att de påtagligt påverkar möjligheten attupptäcka hinder vid fordonsmöte i mörker.

Storleken av vindrutors siktnedsättande effekt i mörkertrafik kanendast fastställas genom att utföra fullskaliga siktsträckeförsöki simulerade mötessituationer på avlyst bana. I ett sådant försökskulle siktsträckan till hinder på vägbanan mätas upp för ettantal vindrutor, som .täcker in variationsvidden hos rutor i

trafiken med avseende på slitage.

11.'

Referenser

[11

[2]

[3]

[4]

Padmos, P.: "Glare and tunnel entrance lighting: Effects ofstraylight from eye, atmosphere and windscreen." CIE-JournalVol.3, N01, 1984.

Stevens,S.S.: "Handbook of experimental psychology", JohnWiley & 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 artVos,J.J.: "Disability glare - A stateCIE-Journal, Vol.3, No.2, 1984.

report."