室內(nèi)照明統(tǒng)一眩光值（UGR）校準(zhǔn)裝置的研制

劉玉龍，黎俊，劉宏欣，江鋮，李奕

（1.蘇州市計(jì)量測(cè)試院，江蘇蘇州215128；2.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西西安710065）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)中小學(xué)生視力不良率居高不下，并呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而教室照明的不達(dá)標(biāo)是造成學(xué)生視力不良的重要原因之一［1-2］。眩光是評(píng)價(jià)照明質(zhì)量的重要參數(shù)之一［3］，眩光是指在觀察視場(chǎng)中由于照明亮度分布不均勻，存在明顯或極端的亮度對(duì)比，從而導(dǎo)致觀察者視覺(jué)不舒適或者被觀察物體可見(jiàn)度降低的照明現(xiàn)象［4］，對(duì)于室內(nèi)不舒適眩光的表征，有 GI，CGI，VCP和亮度限制曲線法等［5-8］，基于上述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，CIE發(fā)展出了一套統(tǒng)一眩光值系統(tǒng)，即UGR系統(tǒng)［9］。目前CIE關(guān)于室內(nèi)不舒適照明的標(biāo)準(zhǔn)CIE177-1995［10］、原《工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-92）［11］、原《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ133-90）［12］以及現(xiàn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2013）［13］均把室內(nèi)不舒適眩光作為表征室內(nèi)照明質(zhì)量的重要指標(biāo)。UGR系統(tǒng)是目前與主觀評(píng)價(jià)相關(guān)系數(shù)最高的眩光表征方法［14］，在室內(nèi)眩光測(cè)量上有廣泛應(yīng)用。保障UGR系統(tǒng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性與可靠性具有重要意義。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人們對(duì)視覺(jué)健康關(guān)注度的增加，室內(nèi)眩光的測(cè)量需求也越來(lái)越多，通常室內(nèi)眩光主要使用眩光測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。眩光測(cè)試儀的工作原理是：使用一個(gè)帶有廣角鏡頭的測(cè)量相機(jī)對(duì)被測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行拍攝測(cè)量，通過(guò)對(duì)成像在相機(jī)傳感器上的圖像信號(hào)強(qiáng)度和位置信息進(jìn)行分析，得到整個(gè)照明場(chǎng)景的亮度分布和光源位置信息，從而計(jì)算出室內(nèi)眩光等級(jí)UGR。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于眩光測(cè)試儀的溯源方法一般只采用光亮度標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)亮度值，而對(duì)于照明光源的亮度分布和幾何位置信息都沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)，造成眩光測(cè)量結(jié)果的失準(zhǔn)和不統(tǒng)一。選擇兩個(gè)照明條件不同的場(chǎng)景，使用兩臺(tái)不同型號(hào)規(guī)格的眩光測(cè)試儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，同一照明場(chǎng)景下得到的統(tǒng)一眩光等級(jí)UGR測(cè)量結(jié)果差異較大，如表1所示。

表1 眩光測(cè)試儀在不同照明場(chǎng)景下的比對(duì)測(cè)量結(jié)果

可以看出，目前統(tǒng)一眩光值的測(cè)量確實(shí)存在量值不可靠的問(wèn)題，因此研制統(tǒng)一眩光值UGR校準(zhǔn)裝置，保障眩光測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確和統(tǒng)一，對(duì)于有效提升照明設(shè)計(jì)質(zhì)量，保護(hù)視覺(jué)健康具有積極意義。

2 統(tǒng)一眩光值UGR

統(tǒng)一眩光值UGR與眩光源亮度、背景光亮度、眩光源尺寸和位置以及觀察者的位置有關(guān)，由式（1）定義［4］。

式中：Lb為背景亮度，cd/m2；L為觀察者觀察方向上每個(gè)眩光源發(fā)光面的亮度，cd/m2；ω為觀察者觀察到的每個(gè)眩光源發(fā)光面的立體角，sr；p為每個(gè)眩光源的古斯位置指數(shù)（相對(duì)于視線的位置）。統(tǒng)一眩光值（UGR）定義示意圖如圖1所示。

圖1 統(tǒng)一眩光值（UGR）定義示意圖

古斯位置指數(shù)p通過(guò)對(duì)古斯位置指數(shù)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值獲得，古斯位置指數(shù)由T/R和H/R確定，其中（R，T，H）是以觀察者為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖2所示。

測(cè)量統(tǒng)一眩光值UGR，需要獲得每個(gè)光源的形狀和位置等幾何信息以及眩光源和背景在觀察者方向上的亮度分布，由于實(shí)際測(cè)試環(huán)境中眩光源的形狀多變，眩光源和背景的亮度分布較為復(fù)雜，早期直接對(duì)亮度進(jìn)行測(cè)量難度極大，一般都是通過(guò)近似替代的方法進(jìn)行間接測(cè)量，直到近年來(lái)圖像亮度計(jì)的出現(xiàn)才解決了直接測(cè)量觀察者視場(chǎng)中亮度分布的問(wèn)題。

圖2 古斯位置指數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)（R，T，H）

3 統(tǒng)一眩光值（UGR）校準(zhǔn)裝置的研制

3.1 裝置原理和結(jié)構(gòu)

統(tǒng)一眩光值UGR校準(zhǔn)裝置主要由不同位置的眩光源、背景光源、箱體后部漫反射板、箱體前部漫透射板以及控制電源構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 統(tǒng)一眩光等級(jí)UGR標(biāo)準(zhǔn)光源結(jié)構(gòu)示意圖

眩光源采用24個(gè)形狀規(guī)則的方形LED光源，便于更精確的測(cè)量和計(jì)算從而得出光源發(fā)光面尺寸，光源發(fā)光面為白色漫透射擴(kuò)散板，可有效保證發(fā)光面的亮度均勻性；24個(gè)燈具按照4×6的方式均勻分布，安裝在前部漫透射板上，前部漫透射板采用外表面光滑的高霧度高透過(guò)率的擴(kuò)散板材料，用于模擬背景光；后部安裝一組背景光源，箱體內(nèi)部除前部漫透射板外均涂有高反射率的漫反射材料，以保證背景光的亮度均勻性；背景光和眩光源各使用一臺(tái)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源供電，通過(guò)調(diào)整供電電流能夠輸出不同的亮度值。眩光源和背景光的不同亮度組合可以模擬出不同的UGR值，該校準(zhǔn)裝置可以提供測(cè)量范圍包含但不限于10～30的UGR值。圖4為裝置照片以及帶魚(yú)眼鏡頭的眩光測(cè)試儀測(cè)得的測(cè)試圖。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)光源裝置圖及眩光測(cè)試儀測(cè)試圖

計(jì)算UGR標(biāo)準(zhǔn)值需要準(zhǔn)確測(cè)量眩光源和背光源的亮度值和幾何位置參數(shù)。使用高精度的光譜輻射亮度計(jì)配合三維幾何調(diào)整機(jī)構(gòu)精確測(cè)量其亮度分布和位置信息，亮度值和幾何量值均可溯源至國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)，量值溯源圖如圖5所示。

圖5 UGR量值溯源圖

通過(guò)調(diào)整直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出，分別控制背景光和眩光源亮度，經(jīng)測(cè)量并計(jì)算得到不同范圍的標(biāo)準(zhǔn)UGR值（環(huán)境溫度25℃±1℃，光源預(yù)熱穩(wěn)定30 min，測(cè)量距離50 cm），如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)UGR值

3.2 裝置計(jì)量特性

UGR校準(zhǔn)裝置在建立后，幾何形狀和位置參數(shù)的變化量很小，主要需要考察其光學(xué)參數(shù)特性。通過(guò)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，在幾何參數(shù)固定、眩光源亮度不變時(shí)，背景光亮度變化對(duì)UGR的影響如圖6（a）所示，背景光亮度不變時(shí)，眩光源亮度變化對(duì)UGR的影響如圖6（b）所示，從圖6可以看出，在亮度變化相同比例時(shí)，背景光亮度的變化影響更小一些（例如在UGR為19時(shí)，背景光亮度變化10%對(duì)UGR的影響為0.35，眩光源亮度變化10%對(duì)UGR的影響為0.73）。

圖6 背景光亮度和眩光源亮度變化對(duì)UGR的影響

背景光和眩光源的亮度啟動(dòng)特性如圖7所示，穩(wěn)定30 min后，背景光亮度變化率＜0.5%，眩光源亮度變化率＜0.2%，二者對(duì)UGR的影響分別小于0.017和0.015，考慮到眩光源和背景光亮度是獨(dú)立控制的，根據(jù)不確定度傳播率［15］，其亮度穩(wěn)定性對(duì)UGR短期穩(wěn)定性的影響小于二者的算數(shù)平方根0.023，滿足作為計(jì)量校準(zhǔn)裝置的要求。

圖7 背景光和眩光源亮度啟動(dòng)特性

4 眩光測(cè)試儀的校準(zhǔn)

將眩光測(cè)試儀置于校準(zhǔn)裝置正前方中心位置，如圖8所示，UGR校準(zhǔn)裝置整個(gè)發(fā)光面尺寸為3 m×2 m，可以滿足在測(cè)試距離為0.5 m時(shí)覆蓋整個(gè)古斯位置指數(shù)表所包含的視場(chǎng)范圍。

校準(zhǔn)時(shí)采用比對(duì)法，預(yù)熱完成后，在正前方中心位置距離0.5 m處，用高精度光譜輻射亮度計(jì)和幾何測(cè)量?jī)x器測(cè)量其亮度分布和幾何量，并根據(jù)UGR定義計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值。然后在相同位置用眩光測(cè)試儀測(cè)量UGR值作為被測(cè)值。

在相同條件下使用校準(zhǔn)裝置對(duì)兩臺(tái)眩光測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，其中A儀器同時(shí)校準(zhǔn)了亮度值和幾何參數(shù)，B儀器僅對(duì)亮度值進(jìn)行了校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

可以看出，A儀器測(cè)量結(jié)果較為理想，而B(niǎo)儀器誤差較大。經(jīng)分析，B儀器的測(cè)量結(jié)果中，位置指數(shù)p與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，對(duì)B儀器測(cè)試結(jié)果的位置指數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行修正后，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖8 眩光測(cè)試儀校準(zhǔn)圖

表3 眩光測(cè)試儀的校準(zhǔn)結(jié)果

對(duì)幾何位置參數(shù)修正后，儀器測(cè)量準(zhǔn)確度得到了有效提升。可以看出，僅校準(zhǔn)眩光測(cè)試儀的亮度值在測(cè)量UGR時(shí)仍會(huì)存在問(wèn)題，使用UGR校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)是必要的。

5 測(cè)量不確定度評(píng)定

統(tǒng)一眩光值UGR校準(zhǔn)裝置的不確定度來(lái)源主要有：亮度和幾何量測(cè)量?jī)x器的不確定度、測(cè)量距離和位置偏差、背景光和眩光源的亮度均勻性和穩(wěn)定性、眩光源形狀偏差、環(huán)境溫度、雜散光以及測(cè)量重復(fù)性。以人眼視覺(jué)不舒適的臨界點(diǎn)UGR=19為評(píng)定點(diǎn)，分別分析各個(gè)分量對(duì)相應(yīng)的光學(xué)量和幾何量的影響，然后將各參數(shù)的影響輸入計(jì)算模型分析出各個(gè)分量對(duì)UGR的影響，得到的測(cè)量不確定度分量如表5所示。

表5 測(cè)量不確定度來(lái)源和分量

根據(jù)不確定度傳播率［15］，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

6 小結(jié)與展望

建立統(tǒng)一眩光值UGR校準(zhǔn)裝置，可對(duì)眩光測(cè)試儀UGR量值進(jìn)行校準(zhǔn)，并可溯源至國(guó)家光亮度和幾何參數(shù)計(jì)量基準(zhǔn)。裝置計(jì)量性能穩(wěn)定，UGR測(cè)量不確定度小于1，具有很好的準(zhǔn)確性與可靠性，滿足作為校準(zhǔn)裝置的要求。未來(lái)在以下兩方面還有改進(jìn)空間：①加強(qiáng)對(duì)環(huán)境溫度的控制，減少溫度對(duì)光源穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化測(cè)量重復(fù)性，從而降低測(cè)量不確定度；②建立更符合實(shí)際照明場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)眩光照明室或照明場(chǎng)地，將二維面測(cè)量擴(kuò)展為三維的場(chǎng)地測(cè)量。