眩光檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)技術(shù)-Kernel70D眩光亮度計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2022-09-16

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摘要：本文詳細(xì)介紹了不同照明環(huán)境中眩光評(píng)價(jià)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及眩光檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀。目前室內(nèi)體育場(chǎng)館的眩光評(píng)價(jià)到底應(yīng)該采用UGR還是GR更為合理，建筑采光中窗戶造成的眩光應(yīng)該采用DGI還是DGP目前還沒(méi)有定論。成像亮度計(jì)雖然已經(jīng)逐步應(yīng)用到眩光的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，然而其眩光測(cè)試結(jié)果是否和實(shí)際眩光程度相吻合還缺乏相應(yīng)的依據(jù)，因此還需要進(jìn)行大量的工作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和評(píng)估。

關(guān)鍵詞：眩光照明亮度計(jì)

一、研究背景

隨著LED在室外道路、室內(nèi)辦公場(chǎng)所、體育場(chǎng)館等的廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)照明環(huán)境中高亮LED造成的眩光的影響越來(lái)越突出。使得眩光成為照明環(huán)境和燈具質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，如歐盟EN13201[1]規(guī)定了道路閾值增量TI的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，CIE147-2002[2]規(guī)定了室內(nèi)照明環(huán)境下根據(jù)燈具發(fā)光面大小或?qū)?yīng)的立體角大小下所應(yīng)采用的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)（小光源模型采用UGRsmall、大光源模型采用GGR，普通燈具大小采用UGR）。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如GB50033-2013[3]規(guī)定了窗的不舒適眩光采用DGI評(píng)價(jià)，GB50034-2013[4]統(tǒng)一采用UGR評(píng)價(jià)室內(nèi)眩光，CJJ45-2006[5]規(guī)定了道路的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

雖然早在上世紀(jì)基于眩光理論的研究基本完善，但是由于測(cè)量技術(shù)的限制，早期的眩光測(cè)量是一項(xiàng)非常耗時(shí)耗力的復(fù)雜工程。而隨著點(diǎn)式亮度計(jì)和成像亮度計(jì)的出現(xiàn)逐步使眩光的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成為可能。本文將從眩光的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)討論目前眩光測(cè)試存在的問(wèn)題。

二、眩光測(cè)試的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

眩光根據(jù)對(duì)人眼造成的視覺(jué)影響主要分為兩類：失能眩光和不舒適眩光。而針對(duì)不同的照明環(huán)境，所采用的眩光評(píng)價(jià)方法也存在著區(qū)別。

2.1道路照明測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

道路照明中的眩光評(píng)價(jià)主要采用閾值增量。在CIE 31-1976[6] "Glare and uniformity in streetlighting"中給出了閾值增量作為室外失能眩光評(píng)價(jià)的Holladay公式。CIE140-2000[7]”Road lighting calculations“中詳細(xì)規(guī)定了道路照明的測(cè)量方法：

1.駕駛員在行駛時(shí)眼睛高度為1.5m；

2.觀察區(qū)域?yàn)轳{駛員行駛方向水平向下0.5°到1.5°的路面區(qū)域，近似為當(dāng)前路面60m到160m左右的路面區(qū)域；

3.駕駛員觀察方向?yàn)橐晥?chǎng)水平方向向下1°；

4.路面亮度分析的布點(diǎn)方式為：路面分析區(qū)域小于等于30m時(shí)，縱向方向取樣點(diǎn)為10個(gè)，大于30m時(shí)取樣間隔大于3m，橫向?yàn)?列；

5.由于車窗上沿遮擋了人眼的視場(chǎng)，所以在進(jìn)行眩光計(jì)算時(shí)，需要排除20°視場(chǎng)線以上的區(qū)域路燈對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

歐盟EN13201-3中關(guān)于眩光TI的表達(dá)式為：

表示觀察者的視線與觀測(cè)者至第k個(gè)燈具中心的連線所形成的角度，角度范圍為1.5°到60°。路面亮度范圍為0.05 cd/m^2到5cd/m^2

歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于TI計(jì)算除了以上的要求和CIE140-2000相同外，還對(duì)每個(gè)燈具對(duì)光幕亮度的貢獻(xiàn)做出了要求，每排燈具的范圍只延伸到500m，直到該排中一個(gè)燈具對(duì)光幕亮度的貢獻(xiàn)小于該排中前述燈具對(duì)光幕亮度總貢獻(xiàn)的2%。

國(guó)內(nèi)關(guān)于道路照明的標(biāo)準(zhǔn)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，與CIE和歐盟標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)保留了照度的評(píng)價(jià)指標(biāo)（平均照度和照度均勻性）

2.2隧道照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

隧道照明和道路照明都是基于亮度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與道路照明的區(qū)別在于對(duì)隧道不同路段進(jìn)行了區(qū)分，并且根據(jù)車流量和車速規(guī)定了相應(yīng)的亮度標(biāo)準(zhǔn)。白晝時(shí)需要測(cè)試洞外100m時(shí)視場(chǎng)20°范圍內(nèi)的平均亮度。進(jìn)入洞內(nèi)需要分別測(cè)量入口段、過(guò)渡段、中間段以及出口段的亮度。

CIE88-2004[8]“Guide for the lighting of road tunnels andunderpasses”除了規(guī)定需要測(cè)量洞外路面亮度，還需要測(cè)量洞內(nèi)左右兩側(cè)2m高范圍內(nèi)的墻壁亮度，左右兩側(cè)隧道墻壁的平均亮度至少要大于對(duì)應(yīng)路面平均亮度的60%。

與道路照明相同，CIE還要求了隧道在過(guò)渡區(qū)和中間段的閾值增量小于15%，路面亮度低于5cd/m^2時(shí)，TI的計(jì)算公式和道路照明相同，路面亮度大于5cd/m^2時(shí)采用另一個(gè)TI計(jì)算公式

國(guó)內(nèi)關(guān)于隧道照明的標(biāo)準(zhǔn)為行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)JTG/T D70/2-01—2014[9]《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》，基于交通運(yùn)輸部對(duì)原有的《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了修訂和擴(kuò)充，將照明設(shè)計(jì)規(guī)范部分獨(dú)立出來(lái)。該標(biāo)準(zhǔn)采用CIE88-2004了基于亮度的評(píng)價(jià)指標(biāo)外，保留了照度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。唯一遺憾的是TI的評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有納入國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于洞外亮度精度的要求相對(duì)較低，亮度精度在±25%的范圍內(nèi)即可滿足要求。超過(guò)25%需要調(diào)整照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3體育場(chǎng)館照明

體育場(chǎng)館分為室內(nèi)場(chǎng)館和室外場(chǎng)館，CIE112-1994[10]“ Light and lighting.Lighting of work places. Indoor work places”規(guī)定了室外體育場(chǎng)館眩光評(píng)價(jià)采用眩光指數(shù)GR表示眩光程度，：

Lvl、Lve分別為燈具在觀察者眼睛上產(chǎn)生的光幕亮度和環(huán)境反射光形成的背景光幕亮度，GF代表泛光燈具的眩光控制指數(shù)，GF和GR的評(píng)價(jià)尺度分為9級(jí)，如下圖所示：

CIE還提出了室外體育場(chǎng)館最大眩光指數(shù)限制：訓(xùn)練場(chǎng)地要求小于55，比賽場(chǎng)地（包括電視轉(zhuǎn)播）要求小于50。

歐盟的EN12464[11]” Light and lighting—Lighting ofwork places—part2：outdoor work places”規(guī)定了室外不同工作環(huán)境下的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且規(guī)定了GR測(cè)量時(shí)觀察者采用的視線方向（水平向下2°）。

1為觀察者的視線方向

2為眼睛接收的垂直面照度的平面

EN12193[12]“Light and lighting——Sports lighting”將體育場(chǎng)館的眩光評(píng)價(jià)分為兩種，室內(nèi)體育場(chǎng)館和室外體育場(chǎng)館，室外體育場(chǎng)館采用CIE112-1994的眩光評(píng)價(jià)公式GR。

對(duì)于室內(nèi)體育場(chǎng)館，EN12193建議采用UGR作為眩光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)體育場(chǎng)館的標(biāo)準(zhǔn)值可以參考和EN12464-1（6.2.24）規(guī)定的相似的工作場(chǎng)景。

此外，不同體育項(xiàng)目的國(guó)際組織也規(guī)定了相應(yīng)的眩光指標(biāo)，如國(guó)際足聯(lián)FIFA[13]在2011年出版的“Football Stadium: Technical recommendations andrequirements”要求各級(jí)足球場(chǎng)眩光GR≤50；國(guó)際田聯(lián)和國(guó)際網(wǎng)球聯(lián)合會(huì)也要求場(chǎng)館的眩光GR≤50。

國(guó)內(nèi)關(guān)于體育場(chǎng)館眩光評(píng)價(jià)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為JGJ 153-2007[14]《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》，與歐盟EN12193不同之處在于室內(nèi)體內(nèi)體育場(chǎng)館眩光仍然推薦采用GR的評(píng)價(jià)方法。由于室內(nèi)體育場(chǎng)館在背景亮度、光源立體角以及燈具布置方面與室外體育場(chǎng)館存在著很大的差異，室內(nèi)體育場(chǎng)館的GR值要大大低于室外體育場(chǎng)館。所以JGJ153-2007以及GB50034推薦了室內(nèi)體育場(chǎng)館眩光評(píng)價(jià)等級(jí)和眩光指數(shù)值。

2.4室內(nèi)照明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，CIE117-1995[15]“Discomfort glare in interiorlighting”采用了統(tǒng)一眩光指數(shù)UGR作為室內(nèi)眩光的評(píng)價(jià)指標(biāo)。UGR適用于簡(jiǎn)單立方體形房間的一般照明裝置設(shè)計(jì)，不適用于采用間接照明和發(fā)光天棚的房間，室內(nèi)光源要求在觀察者方向形成的立體角范圍為0.1≥sr≥0.0003

觀察者眼睛的高度坐姿為1.2m，站姿為1.7m

CIE147-2002“Glare from small,large and complex sources”定義了小光源、大光源和復(fù)雜光源的眩光計(jì)算模型。CIE S 008/E-2001[16]“Lighting ofindoor workplaces”和EN12464-1規(guī)定了不同室內(nèi)工作場(chǎng)所的眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)。需要指出的是CIE和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)教育建筑中的“運(yùn)動(dòng)廳、體操房、游泳池”均采用室內(nèi)UGR的評(píng)價(jià)方法。

國(guó)標(biāo)GB/T26189-2010[17]“室內(nèi)工作場(chǎng)所的照明”等同采用了CIE S 008/E-2001的標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)標(biāo)GB50034-2013“建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定了不同室內(nèi)工作場(chǎng)所采用UGR作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)體育場(chǎng)館和室外體育場(chǎng)館均采用GR作為眩光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5建筑采光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在建筑采光設(shè)計(jì)中，需要考慮由白晝窗戶引起的眩光。目前主要的評(píng)價(jià)方法有兩種：DGI和DGP。DGI最早是由Petherbridge和Hopkinson[18]在1950年提出的BGI公式改進(jìn)而來(lái)，由于DGI的評(píng)價(jià)指標(biāo)最早是從大面積人工光源結(jié)果上引進(jìn)的，所以它只能有效的評(píng)估DGI數(shù)值在16到28范圍內(nèi)的眩光情況。它的結(jié)果通常會(huì)高于實(shí)際環(huán)境中的眩光值。國(guó)標(biāo)GB50033-2013“建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”采用了DGI作為窗的不舒適眩光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

DGP的評(píng)價(jià)方法是由Wienold和Christoffersen[19]在2006年提出。其借助CCD成像亮度計(jì)，根據(jù)人眼對(duì)白晝眩光的主觀感覺(jué)和提出了窗的不舒適眩光改進(jìn)公式DGP。目前國(guó)內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)也采用了DGP的評(píng)價(jià)方式，如西工大的馬智[20]等采用DGP的評(píng)價(jià)方法研究飛機(jī)駕駛艙的白晝眩光。同濟(jì)大學(xué)的李崢嶸[21]等采用DGP的評(píng)價(jià)方法研究辦公建筑的白晝眩光。

三、眩光測(cè)試方法

雖然眩光理論研究在上個(gè)世紀(jì)已經(jīng)趨于完善。受限于測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于眩光的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)直到最近兩年才成為現(xiàn)實(shí)。以室內(nèi)UGR為例我們來(lái)介紹一下眩光測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

CIE117-1995定義的UGR計(jì)算公式為：

Lb背景亮度

L：燈具在觀察者眼睛方向上的亮度

w為燈具在觀察者眼睛方向上形成的立體角

p為位置指數(shù)

3.1基于照度的測(cè)量方法

首先需要測(cè)量燈具到人眼觀察方向上的亮度，采用照度計(jì)和光闌（用于屏蔽背景光和其他燈具對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響）的方法，測(cè)量燈具在觀察者方向上的照度，根據(jù)照度、發(fā)光強(qiáng)度和亮度的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算得到觀察者方向上的亮度。

其次采用照度計(jì)測(cè)量人眼接收到的照度，減去上一步中得到的燈具照度，根據(jù)以下關(guān)系計(jì)算背景亮度

根據(jù)燈具的投影面積和觀察者到燈具中心的距離，計(jì)算得到燈具在人眼方向上的立體角。

根據(jù)燈具到人眼視線方向水平距離T、燈具到人眼的視線方向豎直距離H和人眼到燈具投影距離R，查找guth位置指數(shù)表得到p的值。

根據(jù)CIE計(jì)算方法，立體角、古斯位置指數(shù)相對(duì)容易確定，而采用照度計(jì)對(duì)光源亮度和背景亮度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬軟件可以根據(jù)燈具的配光曲線和IES文件得到燈具在觀察者方向上的發(fā)光強(qiáng)度和燈具的投影面積，計(jì)算光源在人眼投影方向上的亮度，根據(jù)室內(nèi)屋頂、強(qiáng)度、地面的反射率計(jì)算室內(nèi)的背景亮度，由此可以得到燈具的規(guī)則房間內(nèi)的理論UGR數(shù)值。

3.2基于點(diǎn)式亮度計(jì)的評(píng)價(jià)方法

便攜式點(diǎn)式亮度計(jì)的出現(xiàn)使光源亮度和背景亮度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成為可能。

點(diǎn)式亮度計(jì)內(nèi)部有不同的光闌控制測(cè)量視場(chǎng)的大小。測(cè)量時(shí)根據(jù)燈具的大小和燈具到觀察者眼睛的距離選擇合適的光闌，使亮度計(jì)的測(cè)量點(diǎn)位于燈具內(nèi)部。測(cè)量時(shí)選擇燈具發(fā)光面的不同位置測(cè)量，燈具亮度取測(cè)量點(diǎn)的平均值。背景亮度分別測(cè)量屋頂、墻壁典型位置的亮度。

燈具的立體角、古斯位置指數(shù)需要根據(jù)燈具的尺寸和安裝位置（T/H/R）來(lái)確定。再根據(jù)光源亮度和背景亮度就可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)UGR的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

目前點(diǎn)式亮度計(jì)如拓普康BM-7、美能達(dá)CS200和遠(yuǎn)方LM-3瞄點(diǎn)式亮度計(jì)均可實(shí)現(xiàn)眩光的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，然而由于室內(nèi)燈具較多，每個(gè)燈具都需要進(jìn)行多次瞄點(diǎn)測(cè)量，整個(gè)室內(nèi)場(chǎng)所測(cè)試完成可能需要測(cè)量幾十上百次。然后再根據(jù)每個(gè)燈具的位置分別計(jì)算每個(gè)燈具產(chǎn)生的眩光。一般一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目可能需要花費(fèi)一整天的時(shí)間，此外因?yàn)辄c(diǎn)式亮度計(jì)是對(duì)整個(gè)燈具發(fā)光面取點(diǎn)采樣的方法進(jìn)行測(cè)量。并不能完整地代表整個(gè)燈具的平均亮度和環(huán)境的背景亮度，因此在結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性相對(duì)較差。

3.3基于成像亮度計(jì)的評(píng)價(jià)方法

成像亮度計(jì)由于可以同時(shí)獲得光源的亮度信息以及光源的位置信息，因此可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)照明環(huán)境的快速測(cè)量。

首先光源上某一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)成像亮度計(jì)的鏡頭成像在CCD對(duì)應(yīng)位置。物空間和像空間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此可以得到光源發(fā)光面每一點(diǎn)的亮度信息。通過(guò)圖像處理的算法將光源區(qū)域扣除可以直接得到整個(gè)環(huán)境的背景亮度。

在室內(nèi)眩光測(cè)量中，成像亮度計(jì)的測(cè)量視場(chǎng)應(yīng)滿足人眼的觀察視場(chǎng)（水平方向143°，豎直方向124°），因此需要采用大視場(chǎng)的魚眼鏡頭對(duì)室內(nèi)照明環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，由于魚眼鏡頭采用特殊的畸變?cè)O(shè)計(jì)來(lái)獲取較大的視場(chǎng)，導(dǎo)致空間光源在通過(guò)魚眼鏡頭成像在CCD芯片上得到的坐標(biāo)位置（x，y）與其在實(shí)際物體空間坐標(biāo)位置(H\T\R)存在著很大差異，因此通過(guò)CIE117-1995標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)查表法得到的古斯位置指數(shù)會(huì)存在加大的誤差。而眩光亮度計(jì)一般通過(guò)采用對(duì)魚眼鏡頭進(jìn)行空間位置信息的校準(zhǔn)，將每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系統(tǒng)，并根據(jù)空間角度（θ，φ）來(lái)得到光源每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的古斯位置指數(shù)和立體角。

（Kernel-70D拍攝于北京某單位地下室走廊）

目前國(guó)外如Technoteam的LMK-Mobile、國(guó)內(nèi)如科涅邇光電推出的Kernel-70眩光亮度計(jì)雖然已經(jīng)逐步應(yīng)用到道路、隧道、體育場(chǎng)館和室內(nèi)照明等不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的眩光檢測(cè)中，然而根據(jù)JJG211-2005[22]“亮度計(jì)”檢定規(guī)程，成像亮度計(jì)只采用光強(qiáng)燈和標(biāo)準(zhǔn)白板的方式檢測(cè)亮度精度，而其的視場(chǎng)均勻性和角度精度沒(méi)有對(duì)應(yīng)的檢定規(guī)程進(jìn)行檢測(cè)。因此成像亮度計(jì)的眩光測(cè)試結(jié)果是否和實(shí)際眩光程度相吻合還缺乏相應(yīng)的依據(jù)。眩光測(cè)量的驗(yàn)證和比對(duì)還需要大量的工作去實(shí)驗(yàn)和評(píng)估。

二、結(jié)論

國(guó)內(nèi)外關(guān)于眩光的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)日趨完善，然而在一些具體的照明環(huán)境，關(guān)于照明環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)和眩光的評(píng)價(jià)方法仍然存在著爭(zhēng)議，比如CIE和歐盟均舍棄了道路照明中的照度評(píng)價(jià)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)CJJ45-2006在采用亮度的指標(biāo)外還保留了照度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外對(duì)于體育場(chǎng)館，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均采用了照度作為場(chǎng)地照明和照明均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而鑒于亮度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和成熟，是否應(yīng)當(dāng)逐步將體育場(chǎng)館的照度評(píng)價(jià)方法過(guò)渡到基于亮度的評(píng)價(jià)方式上。另外對(duì)眩光的評(píng)價(jià)方法，室內(nèi)體育場(chǎng)館到底應(yīng)該采用UGR還是GR更為合理，建筑采光中窗戶的不舒適眩光應(yīng)該采用DGI還是DGP目前都還沒(méi)有定論。而成像亮度計(jì)一旦在實(shí)際驗(yàn)證中確認(rèn)其眩光測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果想吻合，其測(cè)量速度和亮度精度的巨大優(yōu)勢(shì)不僅可以促進(jìn)由照度到亮度評(píng)價(jià)方法的進(jìn)步，還可以推動(dòng)眩光研究和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)的跨越式發(fā)展。

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