Ray Chu

　　(Shanghai Ray Lighting Design Office, Shanghai 200233)

　　Abstract

　　The paper mainly deals with glare and it’s evaluation for lighting engineering, the methods to reduce glare and increase the comfort of lighting.

　　Keywords: glare; lighting quality; threshold increment; veiling luminance; glare evaluation value.

　　1 引言

　　出色的照明設計,、先進的照明設備,，讓我們享受到了照明帶給我們的舒適和便利。但眩光(glare)問題,，一直是個令人十分頭痛的問題,。

　　什么是眩光?為什么會產生眩光?怎樣降低、甚至消除眩光呢?

　　眩光：由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜,，或存在極端的對比,，以致引起不舒適的感覺或降低觀察細部或目標的能力的視覺現(xiàn)象。[5]

　　眩光是一種不良的視覺現(xiàn)象,，它會使人感到刺眼,，引起眼睛酸痛、流淚,、視力降低,，甚至可能會暫時失去視看能力。

　　眩光使視覺功能降低的機理可以這樣來理解：由眩光源發(fā)出來的光,，在視網膜方向上散射,，形成一個明亮的光幕，疊加在清晰的場景像上。這個光幕具有一個等效光幕亮度(equivalent veiling luminance),，其作用相當于使背景亮度增加,，對比度下降，使人產生眩光感,，并且難以看清目標,。

　　2 與眩光相關的名詞釋義

　　(1) 視野(visual field)：

　　眼睛注視一個目標，注視點以外一定空間的物體也能看見,，這個空間范圍稱為視野,。視野分水平視野和垂直視野，反映人眼在水平方向和垂直方向的視認范圍,。

　　靜態(tài)下，雙眼水平視野可達160度,，垂直視野可達50度,。而在運動的車輛中，駕駛員的動視野大小與車速有關,。車速越快,，注意點向遠伸展，視野就越小,，周圍景物就難以看清楚,。

　　交通心理學研究表明，車速40km/h,，水平動視野為100度;車速70km/h,，水平動視野為65度;車速100km/h，水平動視野為40度,。垂直動視野,，即駕駛員視線在垂直方向的視認空間，通常為30度,。

　　受人眼視差和較差照明條件的影響,，人眼在暗環(huán)境下對顏色的正確分辨能力是很差的。因此,，視覺分辨能力取決于物體與其背景在亮度上的差異,。一個物體只有在獲得一定的亮度對比時才能被看見。

　　(2) 亮度對比C(luminance contrast)：

　　C=⊿L/Lb =∣Lo-Lb∣/Lb

　　式中,，⊿L——識別對象亮度與背景亮度之差;

　　Lo——識別對象亮度(cd/m2);

　　Lb——背景亮度(cd/m2),。

　　亮度對比有“正對比”和“負對比”之分。當物體亮度高于背景亮度時是正對比;當物體亮度低于背景亮度時是負對比,。

　　(3)臨界(閾值)對比度Ct(threshold contrast)：

　　Ct = ⊿Lt /Lb

　　式中,，⊿Lt——臨界亮度差，人眼剛能識別目標時目標與背景間的亮度差。

　　(4)可見度水平VL(Visibility Level)：

　　目標與背景的實際亮度對比度C與臨界對比度Ct的比值,。

　　VL=C/Ct=⊿L /⊿Lt

　　眩光按影響程度分為不舒適眩光和失能眩光,。

　　(5)不舒適眩光(discomfort glare)：

　　是指在視野內使人們的眼睛感覺不舒適的眩光，但并不一定降低視覺對象的可見度,。這種眩光也稱為心理眩光,。

　　(6)失能眩光(disability glare)：

　　是在視野內使人們的視覺功能有所降低的眩光。它是一種會降低視覺對象的可見度,，但并不一定產生不舒適感覺的眩光,。

　　眩光按其形成機理，分直接眩光,、干擾眩光,、反射眩光、對比眩光,。

　　(7)直接眩光(direct glare)：

　　由視野中,，特別是在靠近視線方向存在的發(fā)光體所產生的眩光。

　　(8)干擾眩光(disturbance glare)：

　　當非觀看物體方向上存在發(fā)光體時,，由該發(fā)光體引起的眩光,。

　　(9)反射眩光(glare by reflection)：

　　由視野中的反射引起的眩光，特別是在靠近視線方向看見反射像所產生的眩光,。

　　(10)對比眩光(comparison glare)：

　　光環(huán)境中存在著過大的亮度對比形成的眩光,。

　　3 眩光的評價方法

　　到目前為止，針對室內環(huán)境,、體育場館,、機動車道路等照明場合，人們已經總結出以下四種主要的眩光評價表達式：

　　3.1 統(tǒng)一眩光值UGR

　　統(tǒng)一眩光值(unified glare rating)UGR的計算：[5]

　　式中,，Lb——背景亮度(cd/m2);

　　La——觀察者方向每個燈具的亮度(cd/m2);

　　ω——每個燈具發(fā)光部分對觀察者眼睛所形成的立體角(sr);

　　P——每個單獨燈具的位置指數(shù),。

　　以上各參數(shù)應按下列公式和規(guī)定確定：

　　1) Lb=Ei /π

　　式中，Ei——觀察者眼睛方向的間接照度(Lx),。

　　2) La =Ia/A·cosα

　　式中,，Ia——觀察者眼睛方向的燈具發(fā)光強度(cd);

　　A·cosα——燈具在觀察者眼睛方向的投影面積(m2);

　　α——燈具表面法線與觀察者眼睛方向所夾的角度(°)。

　　3) ω=AP /r2

　　式中,，AP——燈具發(fā)光部件在觀察者眼睛方向的表觀面積(m2);

　　r —— 燈具發(fā)光部件中心到觀察者眼睛之間的距離(m),。

　　4) 古斯位置指數(shù)P應按圖2生成的H/R和T/R的比值由位置指數(shù)表確定。

　　系統(tǒng)(R,，T,，H)，對燈具中心生成H/R和T/R的比值,。

　　統(tǒng)一眩光值UGR的應用條件：

　　(1) UGR適用于簡單的立方體形房間的一般照明裝置設計,，不適用于采用間接照明和發(fā)光天棚的房間;

　　(2) 適用于燈具發(fā)光部分對眼睛所形成的立體角為0.1sr>ω>0.0003sr的情況;

　　(3) 同一類燈具為均勻等間距布置;

　　(4) 燈具為雙對稱配光;

　　(5) 坐姿觀測者眼睛的高度通常取1.2m，站姿觀測者眼睛的高度通常取1.5m;

　　(6) 觀測位置一般在縱向和橫向兩面墻的中點，視線水平朝前觀測;

　　(7) 房間表面為大約高出地面0.75m的工作面,、燈具安裝表面以及此兩個表面之間的墻面,。

　　3.2 眩光值GR

　　室外體育場地的眩光值(glare rating)GR的計算：[5]

　　式中，Lv1——由燈具發(fā)出的光直接射向眼睛所產生的光幕亮度(cd/m2);

　　Lve——由環(huán)境引起直接入射到眼睛的光所產生的光幕亮度(cd/m2),。

　　式中的各參數(shù)應按下列公式確定：

　　1)

　　式中,，Eeyei——觀察者眼睛上的照度，該照度是在視線的垂直面上,，由i個光源所產生的照度(Lx);

　　θi——觀察者視線與i個光源入射在眼睛上的方向所形成的角度(°);

　　n——光源總數(shù),。

　　2) Lve =0.035Lav

　　式中，Lav——可看到的水平照射場地的平均亮度(cd/m2),。

　　Lav =Ehorav · ρ/πΩ0

　　式中,，Ehorav——照射場地的平均水平照度(Lx);

　　ρ——漫反射時區(qū)域的反射比;

　　Ω0——1個單位立體角(sr)。

　　眩光值GR的應用條件：

　　(1) 本計算方法用于常用條件下,，滿足照度均勻度的室外體育場地的各種照明布燈方式;

　　(2) 用于視線方向低于眼睛高度;

　　(3) 看到的背景是被照場地;

　　(4) 眩光值計算用的觀察者位置可采用計算照度用的網格位置,，或采用標準的觀察者位置;

　　(5) 可按一定數(shù)量角度間隔(5°……45°)轉動選取一定數(shù)量觀察方向。

　　GR值與不舒適眩光程度對應關系：

　　3.3 道路照明眩光評價的閾值增量TI

　　閾值增量(threshold increment)是失能眩光的度量,。表示為存在眩光源時，為了達到同樣看清物體的目的,，在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比,。[6]

　　閾值增量是將平均路面亮度作為背景亮度。當背景亮度范圍為0.05cd/m2< Lb <5cd/m2時,，TI的計算公式近似為：

　　TI=65Lv/Lav0.8(%)

　　式中,，TI—閾值增量(%);

　　Lv—等效光幕亮度(cd/m2)，假定觀察者總是以與水平線成1°角注視與路軸平行的正前方(即一直注視其前方約86米路面上的一點);

　　Lav—路面平均亮度(cd/m2),。

　　等效光幕亮度Lv的計算公式：

　　Lv=10∑(Eeyei/θi2)

　　式中,，Eeyei—第i盞燈具在觀察者眼中的垂直照度(Lx);

　　θi—第i盞燈具發(fā)光中心與觀察者視線之間的夾角(°)。(1.5°< θ <60°)

　　閾值增量TI也可用專用的成像亮度計直接測得,。

　　表1 閾值增量TI與Lv及Lav之間的關系表 單位：%

　　高等級道路路面平均亮度Lav通常是1.0~2.0cd/m2,，而閾值增量TI要求在10%以下，所以Lav為1.0cd/m2時,，等效光幕亮度Lv不應大于0.15cd/m2,。Lav為1.5cd/m2時，等效光幕亮度Lv不應大于0.20cd/m2,。Lav為2.0cd/m2時,，等效光幕亮度Lv不應大于0.25cd/m2。

　　Lv是對所有與視看目標夾角成1.5度~60度的燈具的10Eeye/θ2求和,，在燈具排布,，即所有角度θ一定的情形下，Eeye越小越好。

　　3.4 道路照明中的眩光控制等級G

　　道路照明中,，駕駛員所感受到的不舒適眩光,，可以用眩光控制等級G來度量。G值與燈具本身的性質及布置情況有關,。

　　影響眩光控制等級G的因素包括：

　　(1)燈具和光源方面：

　　1)在C—γ系統(tǒng)中,，C=0，γ=80°的絕對光強,，即在平行于道路軸線的垂直面內,，從燈具的最下點算起，80°方向的光強,，即I80,。

　　2)C=0，γ=80°方向的絕對光強與C=0,，γ=88°方向的絕對光強的比值,，即I80/I88。

　　3)從燈具垂直正下方起76°方向上所看到的燈具的發(fā)光面積,，即F,。

　　4)所用光源的顏色系數(shù)，以C表示,。當使用光源為低壓鈉燈時,，C=0.4;高壓鈉燈時，C=0.1;高壓汞燈時,，C=-0.1;其他光源時,，C=0。

　　(2)設施布置方面：

　　1)平均路面亮度,，即Lav,。

　　2)水平視線(1.5m)距燈具的高度，即h’,。

　　3)每千米的燈具數(shù)量,，即p。

　　這些參數(shù)和眩光控制等級G之間有如下關系：[4]

　　G=13.84-3.31logI80+1.3(log(I80/I88))1/2-0.08log(I80/I88)+1.29logF

　　+0.97logLav+4.4logh’-1.46logp+C

　　需要注意的是,，上式中的各個參數(shù)只適合于下列范圍：

　　50cd≤I80≤7000cd;

　　1≤I80/I88≤50;

　　0.007m2≤F≤0.4m2;

　　0.3cd/m2≤Lav≤7cd/m2;

　　5m≤h’≤20m;

　　20≤p≤100,。

　　眩光控制等級G與主觀評價的關系：

　　4 眩光控制的策略

　　從以上諸多眩光評價公式，可以總結出眩光控制策略的方向：

　　(1)提高視野中的背景亮度,，因為眩光值一般與背景亮度成反比,。但要通過提升系統(tǒng)照明效率來實現(xiàn)，而不是單純增加電能消耗,。

　　(2)降低燈具在觀察者眼中產生的垂直照度,，從而降低眩光源在觀察者眼中產生的等效光幕亮度,。

　　(3)盡可能使視看目標與燈具發(fā)光面間的夾角增大。這涉及到燈具的合理布置問題,。

　　(4)降低燈具發(fā)光面的亮度,。

　　(5)設置科學的截光設施。

　　5 小結

　　多數(shù)情形下,，眩光會對照明效果產生負面影響,，甚至直接導致照明設計方案的失敗。我們的目標是：尋求既能夠合理抑制眩光又可以高效利用光源光通量,、提高能源的有效利用率的方案,。因此，科學的照明設計就顯得至關重要,。

　　參考文獻

　　[1] 楊春宇,，劉錫成. 失能眩光對道路照明安全影響的研究. 《照明工程學報》2007.4

　　[2] 于連棟等. 失能眩光機理的研究. 《合肥工業(yè)大學學報》(自然科學版). 2005.8

　　[3] 李炳華，王玉卿 主編. 現(xiàn)代體育場館照明指南. 中國電力出版社. 2004

　　[4] 李鐵楠編著. 城市道路照明設計. 機械工業(yè)出版社. 2007

　　[5] GB50034-2004. 建筑照明設計標準. 中國建筑工業(yè)出版社. 2004

　　[6] CJJ 45-2006. 城市道路照明設計標準. 中國建筑工業(yè)出版社. 2006

　　注：本文發(fā)表于《2011年海峽兩岸第十八屆照明科技與營銷研討會論文集》,，2011.11·貴陽