不舒适眩光研究的国内外现状及进展

林燕丹，邱婧婧，刘弈宏

(1.复旦大学电光源研究所，上海　200433；2.深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东 深圳　518049)



不舒适眩光研究的国内外现状及进展

林燕丹1，邱婧婧1，刘弈宏2

(1.复旦大学电光源研究所，上海200433；2.深圳市建筑科学研究院股份有限公司，广东 深圳518049)

不舒适眩光的评价是目前健康照明迫切需要解决的科学问题，为了给进一步开展相关研究打下基础，本文对现有不舒适眩光的评价方法进行了总结，并分析了国内外研究的现状，尤其是不舒适眩光生理机理的学术研究进展。

不舒适眩光；生理机理；评价

引言

眩光是指由于光亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，引起不舒适感或分辨细节或物体的能力减弱的视觉条件。根据眩光对视觉影响的程度，可分为失能眩光和不舒适眩光。失能眩光会引起视觉工效的下降，而不舒适眩光影响人们的视觉舒适。

人对外界信息的获得由80%以上来自视觉，影响照明健康的重要机制之一来源于视觉通道。研究表明，长期处于不舒适的照明环境，例如不合适的照度、不均匀的光分布、眩光等，对人体健康的伤害非常严重[1]。

不舒适眩光会在一定程度上削弱视觉功能，影响视觉绩效和工作效率，在重要的视觉作业场合，如交通、航空航天、重工业中甚至会造成安全隐患，长期作用则会造成心理不适感和视觉疲劳，进而引发烦躁、注意力不集中、偏头痛、眼部疾病等生理不适现象[1]。因而不舒适眩光是照明设计中的一个重要指标，通常采用UGR系统(统一眩光值)进行评价。此外，还存在VCP法、截光角法以及适用于反射眩光的CIBSE LG3法等等[2]。

近年来，LED在各个领域得到了广泛的应用。由于LED具有发光面积小、亮度高的特点，引发了不同应用场合用户对于其产生的眩光问题的不满和质疑，使得眩光问题再一次成为照明领域中有关照明质量的研究热点之一。Wu Y等人[3]的研究表明，需要对现有UGR进行修订来更好地评价LED照明灯具的不舒适眩光。罗明教授针对LED室内照明灯具的舒适性，开展了室内眩光的相关研究工作[4]。国际照明委员会(CIE)TC3-50指出，不可用UGR及VCP这两个指标来评价亮度分布不均匀灯具产生的不舒适眩光[5]，并且成立了新的技术委员会对此类照明灯具的不舒适眩光评价方法进行研究，尝试对UGR进行改进，使其适用于表面亮度分布不均匀的照明灯具。然而，由于基于心理物理法的主观评价法存在的一些共性困难，不同的不舒适眩光量化指标可能带来不同的评价结果。缺少标准化的不舒适眩光评价方法是眩光研究发展的一大壁垒。因而，尤其是在注重健康照明的今天，研究不舒适眩光的形成机理，并建立科学的不舒适眩光评价方法成为一个国际照明界迫切需要解决的关键科学问题。

1　国内外研究现状

对于照明系统中不舒适眩光的研究和评估可以追溯至1926年，Holladay等人进行的眩光试验，其中心思想是利用评价者中认为照明条件是舒适的人数的百分比作为眩光程度的量化依据[6]，建立基于各个眩光物理参数的眩光常数公式，着重寻找舒适与不舒适的视觉阈限(BCD)，并将此时的眩光常数作为判断眩光是否过量的标准。

近一个世纪，针对不舒适眩光，国内外学者进行了大量的研究。这些研究方法的根本思想都受到BCD的主导，只是不同研究者采用了不同的眩光量化方法、不同的眩光分析方法以及不同的BCD确定方法，进而建立了适用于不同照明场合、照明系统和地域的具有一定差异性的眩光评估方法、评估模型和眩光限制标准。

1.1心理量表法的评价现状

基于心理物理法，国内外研究人员对不舒适眩光的评估模型进行了大量的研究，并且获得了不舒适眩光的评估方法和评估模型[6-20]。总结发现，这些评估模型之间的差异主要存在于体现不舒适程度的量化指标及影响不舒适眩光程度的关键物理参数。

对于体现不舒适程度的量化指标，Hopkinson和de Boer等人的研究发现，由多个词语组成的量表可以更好地表达被试感受到的眩光不舒适程度[21-22]，研究人员可以确定某一种眩光的确切不舒适程度。de Boer等人设计的九点量表，共包含五个词语，被广泛使用[21-23]。Hopkinson[22]于1972年编制了多语义量表，并增加了两个判据，imperceptible 和 intolerable，被试基于自己的主观感受，选择对应的数字，也可以选择两个分数中间的0.5分。Peter Boyce等人的研究[24]和Ngai等人的研究[25]中，则使用7点评价量表评估自己对头顶光源的主观反应。Velds[26]采用了5点量表。Berman等人[27]的研究中的主观评价量表一共有4个水平的不舒适程度描述。H. Higashi等人[28]则采用UGR对应的9个等级描述，作为不舒适眩光的主观评价工具。

笔者近几年也采用了de Boer量表对不舒适眩光进行评价，并得到了不舒适程度的计算模型[20]。然而，在研究过程，笔者发现了deBoer量表的一些不足，比如：尚未有经过验证的de Boer中文量表描述；个体对量表中文意义的理解不同，会导致实验结果的差异；实验中不同的亮度范围也会影响最后的实验结果等等。这造成了该实验建立的模型需要经过进一步标定才能用到更多的实验环境中。

DeBoer量表的不足体现了基于心理物理法的主观评价量表存在的一些共性困难。Bennett的研究[29]表明，接受不同的实验说明的被试在评价不舒适眩光时，存在显著性的巨大差异；每个被试对眩光的含义理解也可能存在偏差[30]，从而引起实验结果的差异；Lulla和Bennet[31]提出被试的主观反应取决于呈现刺激的范围(效应范围)，两组被试接受不同范围的光照强度，对于最高强度不舒适眩光的评分，更窄范围被试组的评分高于更宽范围的被试组在此强度的评分(分数越高，越不舒适)。此外，在不舒适眩光中增加视觉任务[32-33]、年龄、职业、人种[34-37]都会影响不舒适眩光的感受。

可见，不同的不舒适眩光量化指标可能带来不同的评价结果，缺少标准化的不舒适眩光评价方法是眩光研究发展的一大壁垒。因此，未来，通过优化主观评价量表的设置、实验流程的制定及对实验过程的掌控，最大程度地降低主观评价的共性问题给实验结果带来的不确定性的影响，同时，结合对不舒适眩光生理机理的研究，能使人们对不舒适眩光的评价更加客观和准确。

2.2现有不舒适眩光的评价模型

基于心理物理法，国内外研究人员对不舒适眩光的评估模型进行了大量的研究，如表1所示。对于影响不舒适眩光程度的关键物理参数，在现有的不舒适眩光评估模型中[6-20]，主要包括以下四类：1)反映眩光源亮度水平的物理量：如光源在眼位处产生的垂直照度(El/Ed)；2)反映周围环境亮度水平和人眼适应水平的物理量，如背景环境亮度(Lb/La)；3)反映眩光源发光尺寸的物理量：眩光源发光面积在眼位处形成的立体角(ω/ωi)；4)反映眩光源与观察方向相对位置的物理量：如眩光源与视线的夹角(θmax/θi)。

在笔者之前的研究中[20]，采用了眩光源亮度水平、环境光亮度水平、眩光源发光尺寸、眩光源相对位置四种关键参数，建立了不舒适眩光的评价模型。在研究过程中，我们发现，眩光源的色温，同样会对不舒适眩光程度造成影响。这与相关文献结果一致[38-41]。但是，现有不舒适眩光评价模型并未将光谱因素与其它因素进行整合。另外，表征四类关键参数的因子很多(如表2所示)，关键因子间具有不独立性，如何筛选合适的光环境表征量是目前照明界正在探讨的科学问题。

由表1可见，目前的不舒适眩光的模型大多建立在心理量表的评测的基础上。如何提取表征特征光环境的参数表达式，在考虑上述四种关键参数之外将光谱特性加入模型中，研究具有不同光谱功率分布的眩光源对不舒适程度带来的影响，使得评价模型更加全面，是目前需要解决的一个关键问题。

表2　各眩光模型中使用的光环境参数情况

注：Y—涉及；N—不涉及；n指多于1个眩光源。

2.3不舒适眩光的生理机理研究现状

在基于心理物理法的主观评价之外，人体对不舒适眩光的生理反应可以作为眩光产生的不舒适程度的客观评价。

为了对抗强烈的光环境变化，人类的瞳孔会根据进入人眼的光强产生不同程度的收缩，而眼周的肌肉也会进行一定的收缩或舒张来调节眼睑间距，从而控制进入人眼的光线含量。因此，很多研究表明，瞳孔大小以及眼周肌肉的肌电图幅度可以很好地作为有效评估外界眩光程度的手段[27-30]。

Stringham等人[42]对不舒适眩光程度与瞳孔大小之间的联系进行研究。在其研究中，采用10分制量表(不可察觉的眩光至不可忍受的眩光)记录被试的不舒适感受，同时记录被试的瞳孔直径，实验结果如图1所示。统计分析表明，被试的不舒适感受与瞳孔直径相关联(P=0.037)。在此研究中，Stringham等人[42]记录的是瞳孔的绝对大小，这可能受到背景光的影响，并且实验中只考虑了两个条件组。

在一些利用眼动仪进行自然光眩光的研究中发现，视线的转移程度和注意力集中程度也会受到眩光强度的影响[43-44]。Murray等人[45]对不舒适眩光程度与肌电(EMG)之间的联系进行了研究。与Stringham等人[42]的研究类似，采用10分制量表记录被试的不舒适感受，同时记录被试的肌电数据。统计分析表明，被试的不舒适感受与肌电强度相关联(R2>0.659,P<0.001)。Berman等人[27]及Stringham等人[46]的研究等到了类似的结论。但从图1可见，实验的离散度较大。

图1　眩光不舒适性程度评分与该眩光程度下瞳孔直径的关系图[42]Fig.1　The relationship between discomfort glare and diameter of pupil size

为了探索不舒适眩光影响的生理机理，复旦大学项目组在前期研究工作中进行了初步尝试[47-48]，采用眼动速率和瞳孔收缩用于表征人体对不舒适眩光的生理反应，采用de Boer量表记录被试的不舒适感受。同时，实验包含4种自变量：眩光源的色温(CCT)、眩光源在眼位产生的垂直照度(Eg)、环境光在眼位产生的垂直照度(Eb)及眩光源的水平角度(θ)。研究邀请了10位年龄在20～30岁之间的被试(青年组)和10位年龄在55～65岁之间的被试(年长组)参加。实验结果得到了不舒适感受与平均眼动速率之间的联系(R2>0.94,P<0.001)及与平均瞳孔收缩率的联系(R2>0.96,P<0.001)(图2)。实验结果初步证明使用眼电图EOG获得平均眼动速率及用眼动仪获得的平均瞳孔收缩率与人眼不舒适程度具有显著关联性(P<0.001)；但实验结果也显示出较大的个体差异。当考虑个体差异时，不舒适感受与瞳孔收缩率之间的联系(R2=0.38,P<0.001)如图3所示。可见，该研究需要进一步通过增加实验样本量和统计学分析进行验证。

图2　不考虑被试间个体差异的眩光不舒适性程度评分与该眩光程度下瞳孔相对收缩率的关系[47]Fig.2　Relationship between relative pupil size and discomfort glare de Boer rating despiting individual difference

图3　考虑被试个体差异时眩光不舒适性程度评分与该眩光程度下瞳孔相对收缩率的关系[48]Fig.3　Relationship between relative pupil size and de Boer rating

此外，复旦大学的有关前期研究[47-48]在不同年龄人群方面也发现了差异，根据相关研究结果[1,49, 50]，黄斑色素密度随着年龄的增长而变淡，而这会造成视觉不舒适程度的加强[45-51]。但个体差异的真正成因及不同年龄组之间的差异也还待进一步研究。

现有对不舒适眩光生理机理的研究结果表明，诸如瞳孔收缩、眼动速率等生理反应与被试的不舒适程度之间存在统计意义上的联系，但考虑个体差异情况下，进一步的生理参数与不舒适眩光造成的眼睛不适感和视觉疲劳等效应的影响的研究还不够深入，基于生理参数建立评价不舒适眩光的评价模型尚属初探。需要进一步在光环境变量设置、生理参数检测、消除个体差异等方面开展实验，建立模型，和挖掘可用于系统分析不舒适眩光相关关键生理参数的机理研究。

2　总结

本文针对目前健康照明迫切解决的不舒适眩光的评价进行了综述，分析了不舒适眩光目前国内外研究的现状，及对不舒适眩光生理机理的学术研究的进展情况，为本领域进一步开展相关研究打下了一定的基础。

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Research Status and Development on Discomfort Glare

LIN Yandan1，QIU Jingjing1，LIU Yihong2

(1.InstituteforElectricLightSources,FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.ShenzhenInstituteofBuildingResearchCo.Ltd.,Shenzhen518049,China)

Evaluation of discomfort glare is one of the scientific issues need to be solved in the field of healthful lighting. For the preparation for further research, this article summarized the methods of discomfort glare evaluation and analysis the research status, especially the development on the physiological mechanism of discomfort glare.

discomfort glare; physiological mechanism; evaluation

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.002