不舒適眩光研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀及進(jìn)展

林燕丹，邱婧婧，劉弈宏

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上?！?00433；2.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 深圳　518049)

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不舒適眩光研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀及進(jìn)展

林燕丹1，邱婧婧1，劉弈宏2

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海200433；2.深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司，廣東 深圳518049)

不舒適眩光的評價(jià)是目前健康照明迫切需要解決的科學(xué)問題，為了給進(jìn)一步開展相關(guān)研究打下基礎(chǔ)，本文對現(xiàn)有不舒適眩光的評價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié)，并分析了國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，尤其是不舒適眩光生理機(jī)理的學(xué)術(shù)研究進(jìn)展。

不舒適眩光；生理機(jī)理；評價(jià)

引言

眩光是指由于光亮度的分布或范圍不適當(dāng)，或?qū)Ρ榷忍珡?qiáng)，引起不舒適感或分辨細(xì)節(jié)或物體的能力減弱的視覺條件。根據(jù)眩光對視覺影響的程度，可分為失能眩光和不舒適眩光。失能眩光會引起視覺工效的下降，而不舒適眩光影響人們的視覺舒適。

人對外界信息的獲得由80%以上來自視覺，影響照明健康的重要機(jī)制之一來源于視覺通道。研究表明，長期處于不舒適的照明環(huán)境，例如不合適的照度、不均勻的光分布、眩光等，對人體健康的傷害非常嚴(yán)重[1]。

不舒適眩光會在一定程度上削弱視覺功能，影響視覺績效和工作效率，在重要的視覺作業(yè)場合，如交通、航空航天、重工業(yè)中甚至?xí)斐砂踩[患，長期作用則會造成心理不適感和視覺疲勞，進(jìn)而引發(fā)煩躁、注意力不集中、偏頭痛、眼部疾病等生理不適現(xiàn)象[1]。因而不舒適眩光是照明設(shè)計(jì)中的一個重要指標(biāo)，通常采用UGR系統(tǒng)(統(tǒng)一眩光值)進(jìn)行評價(jià)。此外，還存在VCP法、截光角法以及適用于反射眩光的CIBSE LG3法等等[2]。

近年來，LED在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于LED具有發(fā)光面積小、亮度高的特點(diǎn)，引發(fā)了不同應(yīng)用場合用戶對于其產(chǎn)生的眩光問題的不滿和質(zhì)疑，使得眩光問題再一次成為照明領(lǐng)域中有關(guān)照明質(zhì)量的研究熱點(diǎn)之一。Wu Y等人[3]的研究表明，需要對現(xiàn)有UGR進(jìn)行修訂來更好地評價(jià)LED照明燈具的不舒適眩光。羅明教授針對LED室內(nèi)照明燈具的舒適性，開展了室內(nèi)眩光的相關(guān)研究工作[4]。國際照明委員會(CIE)TC3-50指出，不可用UGR及VCP這兩個指標(biāo)來評價(jià)亮度分布不均勻燈具產(chǎn)生的不舒適眩光[5]，并且成立了新的技術(shù)委員會對此類照明燈具的不舒適眩光評價(jià)方法進(jìn)行研究，嘗試對UGR進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于表面亮度分布不均勻的照明燈具。然而，由于基于心理物理法的主觀評價(jià)法存在的一些共性困難，不同的不舒適眩光量化指標(biāo)可能帶來不同的評價(jià)結(jié)果。缺少標(biāo)準(zhǔn)化的不舒適眩光評價(jià)方法是眩光研究發(fā)展的一大壁壘。因而，尤其是在注重健康照明的今天，研究不舒適眩光的形成機(jī)理，并建立科學(xué)的不舒適眩光評價(jià)方法成為一個國際照明界迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于照明系統(tǒng)中不舒適眩光的研究和評估可以追溯至1926年，Holladay等人進(jìn)行的眩光試驗(yàn)，其中心思想是利用評價(jià)者中認(rèn)為照明條件是舒適的人數(shù)的百分比作為眩光程度的量化依據(jù)[6]，建立基于各個眩光物理參數(shù)的眩光常數(shù)公式，著重尋找舒適與不舒適的視覺閾限(BCD)，并將此時(shí)的眩光常數(shù)作為判斷眩光是否過量的標(biāo)準(zhǔn)。

近一個世紀(jì)，針對不舒適眩光，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。這些研究方法的根本思想都受到BCD的主導(dǎo)，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確定方法，進(jìn)而建立了適用于不同照明場合、照明系統(tǒng)和地域的具有一定差異性的眩光評估方法、評估模型和眩光限制標(biāo)準(zhǔn)。

1.1心理量表法的評價(jià)現(xiàn)狀

基于心理物理法，國內(nèi)外研究人員對不舒適眩光的評估模型進(jìn)行了大量的研究，并且獲得了不舒適眩光的評估方法和評估模型[6-20]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，這些評估模型之間的差異主要存在于體現(xiàn)不舒適程度的量化指標(biāo)及影響不舒適眩光程度的關(guān)鍵物理參數(shù)。

對于體現(xiàn)不舒適程度的量化指標(biāo)，Hopkinson和de Boer等人的研究發(fā)現(xiàn)，由多個詞語組成的量表可以更好地表達(dá)被試感受到的眩光不舒適程度[21-22]，研究人員可以確定某一種眩光的確切不舒適程度。de Boer等人設(shè)計(jì)的九點(diǎn)量表，共包含五個詞語，被廣泛使用[21-23]。Hopkinson[22]于1972年編制了多語義量表，并增加了兩個判據(jù)，imperceptible 和 intolerable，被試基于自己的主觀感受，選擇對應(yīng)的數(shù)字，也可以選擇兩個分?jǐn)?shù)中間的0.5分。Peter Boyce等人的研究[24]和Ngai等人的研究[25]中，則使用7點(diǎn)評價(jià)量表評估自己對頭頂光源的主觀反應(yīng)。Velds[26]采用了5點(diǎn)量表。Berman等人[27]的研究中的主觀評價(jià)量表一共有4個水平的不舒適程度描述。H. Higashi等人[28]則采用UGR對應(yīng)的9個等級描述，作為不舒適眩光的主觀評價(jià)工具。

筆者近幾年也采用了de Boer量表對不舒適眩光進(jìn)行評價(jià)，并得到了不舒適程度的計(jì)算模型[20]。然而，在研究過程，筆者發(fā)現(xiàn)了deBoer量表的一些不足，比如：尚未有經(jīng)過驗(yàn)證的de Boer中文量表描述；個體對量表中文意義的理解不同，會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異；實(shí)驗(yàn)中不同的亮度范圍也會影響最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等等。這造成了該實(shí)驗(yàn)建立的模型需要經(jīng)過進(jìn)一步標(biāo)定才能用到更多的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。

DeBoer量表的不足體現(xiàn)了基于心理物理法的主觀評價(jià)量表存在的一些共性困難。Bennett的研究[29]表明，接受不同的實(shí)驗(yàn)說明的被試在評價(jià)不舒適眩光時(shí)，存在顯著性的巨大差異；每個被試對眩光的含義理解也可能存在偏差[30]，從而引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異；Lulla和Bennet[31]提出被試的主觀反應(yīng)取決于呈現(xiàn)刺激的范圍(效應(yīng)范圍)，兩組被試接受不同范圍的光照強(qiáng)度，對于最高強(qiáng)度不舒適眩光的評分，更窄范圍被試組的評分高于更寬范圍的被試組在此強(qiáng)度的評分(分?jǐn)?shù)越高，越不舒適)。此外，在不舒適眩光中增加視覺任務(wù)[32-33]、年齡、職業(yè)、人種[34-37]都會影響不舒適眩光的感受。

可見，不同的不舒適眩光量化指標(biāo)可能帶來不同的評價(jià)結(jié)果，缺少標(biāo)準(zhǔn)化的不舒適眩光評價(jià)方法是眩光研究發(fā)展的一大壁壘。因此，未來，通過優(yōu)化主觀評價(jià)量表的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)流程的制定及對實(shí)驗(yàn)過程的掌控，最大程度地降低主觀評價(jià)的共性問題給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的不確定性的影響，同時(shí)，結(jié)合對不舒適眩光生理機(jī)理的研究，能使人們對不舒適眩光的評價(jià)更加客觀和準(zhǔn)確。

2.2現(xiàn)有不舒適眩光的評價(jià)模型

基于心理物理法，國內(nèi)外研究人員對不舒適眩光的評估模型進(jìn)行了大量的研究，如表1所示。對于影響不舒適眩光程度的關(guān)鍵物理參數(shù)，在現(xiàn)有的不舒適眩光評估模型中[6-20]，主要包括以下四類：1)反映眩光源亮度水平的物理量：如光源在眼位處產(chǎn)生的垂直照度(El/Ed)；2)反映周圍環(huán)境亮度水平和人眼適應(yīng)水平的物理量，如背景環(huán)境亮度(Lb/La)；3)反映眩光源發(fā)光尺寸的物理量：眩光源發(fā)光面積在眼位處形成的立體角(ω/ωi)；4)反映眩光源與觀察方向相對位置的物理量：如眩光源與視線的夾角(θmax/θi)。

在筆者之前的研究中[20]，采用了眩光源亮度水平、環(huán)境光亮度水平、眩光源發(fā)光尺寸、眩光源相對位置四種關(guān)鍵參數(shù)，建立了不舒適眩光的評價(jià)模型。在研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)，眩光源的色溫，同樣會對不舒適眩光程度造成影響。這與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果一致[38-41]。但是，現(xiàn)有不舒適眩光評價(jià)模型并未將光譜因素與其它因素進(jìn)行整合。另外，表征四類關(guān)鍵參數(shù)的因子很多(如表2所示)，關(guān)鍵因子間具有不獨(dú)立性，如何篩選合適的光環(huán)境表征量是目前照明界正在探討的科學(xué)問題。

由表1可見，目前的不舒適眩光的模型大多建立在心理量表的評測的基礎(chǔ)上。如何提取表征特征光環(huán)境的參數(shù)表達(dá)式，在考慮上述四種關(guān)鍵參數(shù)之外將光譜特性加入模型中，研究具有不同光譜功率分布的眩光源對不舒適程度帶來的影響，使得評價(jià)模型更加全面，是目前需要解決的一個關(guān)鍵問題。

表2　各眩光模型中使用的光環(huán)境參數(shù)情況

注：Y—涉及；N—不涉及；n指多于1個眩光源。

2.3不舒適眩光的生理機(jī)理研究現(xiàn)狀

在基于心理物理法的主觀評價(jià)之外，人體對不舒適眩光的生理反應(yīng)可以作為眩光產(chǎn)生的不舒適程度的客觀評價(jià)。

為了對抗強(qiáng)烈的光環(huán)境變化，人類的瞳孔會根據(jù)進(jìn)入人眼的光強(qiáng)產(chǎn)生不同程度的收縮，而眼周的肌肉也會進(jìn)行一定的收縮或舒張來調(diào)節(jié)眼瞼間距，從而控制進(jìn)入人眼的光線含量。因此，很多研究表明，瞳孔大小以及眼周肌肉的肌電圖幅度可以很好地作為有效評估外界眩光程度的手段[27-30]。

Stringham等人[42]對不舒適眩光程度與瞳孔大小之間的聯(lián)系進(jìn)行研究。在其研究中，采用10分制量表(不可察覺的眩光至不可忍受的眩光)記錄被試的不舒適感受，同時(shí)記錄被試的瞳孔直徑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。統(tǒng)計(jì)分析表明，被試的不舒適感受與瞳孔直徑相關(guān)聯(lián)(P=0.037)。在此研究中，Stringham等人[42]記錄的是瞳孔的絕對大小，這可能受到背景光的影響，并且實(shí)驗(yàn)中只考慮了兩個條件組。

在一些利用眼動儀進(jìn)行自然光眩光的研究中發(fā)現(xiàn)，視線的轉(zhuǎn)移程度和注意力集中程度也會受到眩光強(qiáng)度的影響[43-44]。Murray等人[45]對不舒適眩光程度與肌電(EMG)之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究。與Stringham等人[42]的研究類似，采用10分制量表記錄被試的不舒適感受，同時(shí)記錄被試的肌電數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析表明，被試的不舒適感受與肌電強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)(R2>0.659,P<0.001)。Berman等人[27]及Stringham等人[46]的研究等到了類似的結(jié)論。但從圖1可見，實(shí)驗(yàn)的離散度較大。

圖1　眩光不舒適性程度評分與該眩光程度下瞳孔直徑的關(guān)系圖[42]Fig.1　The relationship between discomfort glare and diameter of pupil size

為了探索不舒適眩光影響的生理機(jī)理，復(fù)旦大學(xué)項(xiàng)目組在前期研究工作中進(jìn)行了初步嘗試[47-48]，采用眼動速率和瞳孔收縮用于表征人體對不舒適眩光的生理反應(yīng)，采用de Boer量表記錄被試的不舒適感受。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)包含4種自變量：眩光源的色溫(CCT)、眩光源在眼位產(chǎn)生的垂直照度(Eg)、環(huán)境光在眼位產(chǎn)生的垂直照度(Eb)及眩光源的水平角度(θ)。研究邀請了10位年齡在20～30歲之間的被試(青年組)和10位年齡在55～65歲之間的被試(年長組)參加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了不舒適感受與平均眼動速率之間的聯(lián)系(R2>0.94,P<0.001)及與平均瞳孔收縮率的聯(lián)系(R2>0.96,P<0.001)(圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明使用眼電圖EOG獲得平均眼動速率及用眼動儀獲得的平均瞳孔收縮率與人眼不舒適程度具有顯著關(guān)聯(lián)性(P<0.001)；但實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示出較大的個體差異。當(dāng)考慮個體差異時(shí)，不舒適感受與瞳孔收縮率之間的聯(lián)系(R2=0.38,P<0.001)如圖3所示?？梢姡撗芯啃枰M(jìn)一步通過增加實(shí)驗(yàn)樣本量和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2　不考慮被試間個體差異的眩光不舒適性程度評分與該眩光程度下瞳孔相對收縮率的關(guān)系[47]Fig.2　Relationship between relative pupil size and discomfort glare de Boer rating despiting individual difference

圖3　考慮被試個體差異時(shí)眩光不舒適性程度評分與該眩光程度下瞳孔相對收縮率的關(guān)系[48]Fig.3　Relationship between relative pupil size and de Boer rating

此外，復(fù)旦大學(xué)的有關(guān)前期研究[47-48]在不同年齡人群方面也發(fā)現(xiàn)了差異，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[1,49, 50]，黃斑色素密度隨著年齡的增長而變淡，而這會造成視覺不舒適程度的加強(qiáng)[45-51]。但個體差異的真正成因及不同年齡組之間的差異也還待進(jìn)一步研究。

現(xiàn)有對不舒適眩光生理機(jī)理的研究結(jié)果表明，諸如瞳孔收縮、眼動速率等生理反應(yīng)與被試的不舒適程度之間存在統(tǒng)計(jì)意義上的聯(lián)系，但考慮個體差異情況下，進(jìn)一步的生理參數(shù)與不舒適眩光造成的眼睛不適感和視覺疲勞等效應(yīng)的影響的研究還不夠深入，基于生理參數(shù)建立評價(jià)不舒適眩光的評價(jià)模型尚屬初探。需要進(jìn)一步在光環(huán)境變量設(shè)置、生理參數(shù)檢測、消除個體差異等方面開展實(shí)驗(yàn)，建立模型，和挖掘可用于系統(tǒng)分析不舒適眩光相關(guān)關(guān)鍵生理參數(shù)的機(jī)理研究。

2　總結(jié)

本文針對目前健康照明迫切解決的不舒適眩光的評價(jià)進(jìn)行了綜述，分析了不舒適眩光目前國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，及對不舒適眩光生理機(jī)理的學(xué)術(shù)研究的進(jìn)展情況，為本領(lǐng)域進(jìn)一步開展相關(guān)研究打下了一定的基礎(chǔ)。

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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