眩光指数UGR与半柱面照度的相关性

眩光指数UGR与半柱面照度的相关性

农文捷1, 梁建冬, 黄瑞彬, 古念松

摘要：通过一个室内照明场景的计算实例，研究了UGR与水平照度、垂直照度及半柱面照度的相关性，讨论用直观的物理量照度来直接评价不舒适眩光的可行性。

关键词：不舒适眩光, UGR, 古斯位置指数, 半柱面照度

1概述

好的照明设计不仅要关注光照度的水平和亮照对比，还要尽量减少眩光，提高人在环境中的舒适度。目前在室内照明领域，对不舒适眩光的评估方法己经有多种推荐方法，CIE推荐使用统一眩光值UGR(Unified Glare Rating)来评估，具体的评估计算流程在CIE-117 [1]有详细描述。同时，国内外的照明标准对工作场所眩光也有要求，例如，欧盟照明标准EN DIN 12464的室内照明部分对办公室CAD 等的技术工作场所，UGR要求小于19 [2]。

UGR是个综合指标，不易于直接测量。对于灯具设计者而言，往往要求灯具的眩光要低，但由于UGR的复杂性，为了减少灯具产生的眩光，又无法从灯具的配光特性入手，因为UGR的公式对配光特性而言同样是不直接的。相反，照度是一个易于理解和计算，可以直接物理量，对光学设计来说，比较直观。因此本文尝试做一个研究，分析相对复杂的UGR与比较简单的人眼处的照度之间的相关性，并讨论用入射到人眼的光照度来评价眩光的可能性。

2理论分析

以一个办公室照明工程为例，在没有专业测量设备，或者计算软件的时候，我们能否用简单方法评估哪个位置或者区域的眩光更严重？

从统一眩光值UGR的计算公式

来分析，式中Lb为场景的背景亮度(cd/m2)，Li为每个光源在视线方向的亮度(cd/m2)，为光源发光面积对观察者眼睛的张角(立体角,sr)，P是Guth位置指数[3]，代表光源偏离视线(L.O.S.)程度，表征了不同位置的光源在视场中眩光的影响权重。

1欧司朗照明(中国)有限公司深圳研发中心，深圳，中国，联系方式jeff.nong@

图 1 UGR公式中的参量

计算公式中的对数运算表明，UGR是一个无单位的量，公式的设计者通过一个系数8及0.25使UGR的取值大致范围为0~46。从UGR模型可以看到，UGR的计算是基于照明场景的，不仅仅由一个照明灯具的特性决定。

眩光指数与人的主观感受有下表[4]

照度的定义为入射到一定面积的光通量与该面积的比值，这个量值是照明设计的主要目标。与UGR公式相比，照度的概念则简单明了，它的定义公式：

计算公式

照度的单位为勒克斯,lx，量纲lm/m2。

半柱面照度(Semi-Cylindrical Illuminance)Esc常用于人脸识别[5]，其示意图及观察认知模型如下图。

图 2 半柱面照度示意图

本文不讨论半柱面照度的应用原理，而是借用它的模型来分析入射到人眼的照度。我们知道，照度是入射到一定面积S内的光通量，由于眼睛是一个大视场的光学器件，视场角大约60度，但几乎在视线方向的180度的半平面内的发光物体都会对它有所影响，因此，我们除用常用的平面照度来描述之外，还尝试用常用于人脸识别的柱面照度来评估眩光，研究统一眩光值与柱面照度相关性。

对于眼睛而言，人的两个眼睛分开比较大，同时眼球是接近于球面，因此常用的平面照度不适合表征进入人眼的光通量，因此我们借用半柱面照度来估计进入人眼的光通量值。

同时，由于我们对眩光与照度的关联程度尚不完全认知，对于进入人眼的光的方向性对不舒适感的研究还不完全，所以也列出垂直照度为参考(以人眼视线方向为法线的平面)。

如果简单地分析UGR与人眼处照度的关系，光源越亮，它在人眼处的照度越大，立体角越大，照度也越大。P值越大，代表光源偏离视线，在人眼处引起的平面照度越小，但对半柱面照度影响不大，因为半柱面照度是对整个半空间取照度，不仅是对一个法线方向。

3试验场景模拟

为此我们通过Dialux软件建立一个实验场景，场景选择的是典型的开放型办公室，长20米宽15米，使用的灯具是OSRAM公司的LEDTouch Louver低眩光型灯具。

图 3 计算中使用的OSRAM LEDTouch LOVER防眩灯具

灯具在照明场景里的排布如下图所示，红色长方型为灯具的排布及位置。

图 4 场景中灯具及观察者的分布

3.1随机排布观察者实验

在场景里面我们设定10个UGR眩光观察者的高度为1.2米(坐下时人眼的高度)，考虑到办公室里面工作人员的因为交流和流动性需要，UGR观察者的朝向和位置均是随机选择，图中带箭头的圆圈代表观察者的位置和视线方向。同时，我们在相同的位置布置了10个半柱面照度Esc计算点、10个垂直照度Ev计算点，在计算中，我们通过调整灯的数量与间距，使办公室场景里面的工作面照度为500lx，这是办公室照明要求的标准照度值。

经过软件模拟计算，得出UGR眩光值、半柱面照度Esc、垂直照度值Ev的计算结果如下图表：

图 5 UGR与照度相关性

3.2

整齐排布观察者试验

实际的办公室中，工作人员位置相对固定，座椅朝向也比较固定，为此我们再建立一个场景，观察者排列整齐，间距固定，朝向沿灯具C0-C180方向，20列15行，共200个UGR观察者、照度计算点，如下图：

图 6 整齐排布的观察者

计算得到UGR与照度的关系如图7，从而判断UGR与照度在这种情况下是

否相关。

4结果与分析

对UGR和照度进行相关系数Correlation计算发现，这几种照度中，UGR与不同形式的照度的相关性都不高，与半柱面照度的相关系数只有0.155，可以认为不相关。与水平照度及垂直照度的相关性也都比较低，考虑到UGR公式里面，亮度项有平方，且公式是经过对数计算的，因此笔者又考察UGR与照度的平方的对数LOG( Esc2 )的关系，发现相关性也不高，只有0.166。

分析单个观察者的情况，7号UGR观察者的眩光最低，他的位置比较靠边，视野里面的灯具比较少，只有5个，且Guth位置指数大(灯具偏离他的视线方向)，它对应的半柱面照度为238lx。UGR为20的3号观察者的Ev为244lx，两者照度相差很小，但是UGR相差了很多。

图7 网格排列观察者的UGR与照度关系

从整齐排列观察者实验数据看，同一个UGR对应了照度的一个很大的范围，从190到300的半柱面照度，都对应一个UGR值20，再比如，UGR=21这个值，对应不同位置，它的照度范围从200lx到300lx，这说明UGR对半柱面照度和垂直照度不敏感。

可以认为，照度是一个标量，并不考虑光源相对人的视线的位置方向关系。