室內照明統一眩光值（UGR）校準裝置的研制

劉玉龍，黎俊，劉宏欣，江鋮，李奕

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

0 引言

近年來，我國中小學生視力不良率居高不下，并呈現上升趨勢，而教室照明的不達標是造成學生視力不良的重要原因之一［1-2］。眩光是評價照明質量的重要參數之一［3］，眩光是指在觀察視場中由于照明亮度分布不均勻，存在明顯或極端的亮度對比，從而導致觀察者視覺不舒適或者被觀察物體可見度降低的照明現象［4］，對于室內不舒適眩光的表征，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缺點，CIE發展出了一套統一眩光值系統，即UGR系統［9］。目前CIE關于室內不舒適照明的標準CIE177-1995［10］、原《工業企業照明設計標準》（GB 50034-92）［11］、原《民用建筑照明設計標準》（GBJ133-90）［12］以及現《建筑照明設計標準》（GB50034-2013）［13］均把室內不舒適眩光作為表征室內照明質量的重要指標。UGR系統是目前與主觀評價相關系數最高的眩光表征方法［14］，在室內眩光測量上有廣泛應用。保障UGR系統校準的準確性與可靠性具有重要意義。

1 發展現狀

隨著人們對視覺健康關注度的增加，室內眩光的測量需求也越來越多，通常室內眩光主要使用眩光測試儀進行測量。眩光測試儀的工作原理是：使用一個帶有廣角鏡頭的測量相機對被測試場景進行拍攝測量，通過對成像在相機傳感器上的圖像信號強度和位置信息進行分析，得到整個照明場景的亮度分布和光源位置信息，從而計算出室內眩光等級UGR。

目前國內對于眩光測試儀的溯源方法一般只采用光亮度標準裝置校準亮度值，而對于照明光源的亮度分布和幾何位置信息都沒有進行相關校準，造成眩光測量結果的失準和不統一。選擇兩個照明條件不同的場景，使用兩臺不同型號規格的眩光測試儀進行比對測試，同一照明場景下得到的統一眩光等級UGR測量結果差異較大，如表1所示。

表1 眩光測試儀在不同照明場景下的比對測量結果

可以看出，目前統一眩光值的測量確實存在量值不可靠的問題，因此研制統一眩光值UGR校準裝置，保障眩光測量結果的準確和統一，對于有效提升照明設計質量，保護視覺健康具有積極意義。

2 統一眩光值UGR

統一眩光值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，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眩光源發光面的亮度，cd/m2；ω為觀察者觀察到的每個眩光源發光面的立體角，sr；p為每個眩光源的古斯位置指數（相對于視線的位置）。統一眩光值（UGR）定義示意圖如圖1所示。

圖1 統一眩光值（UGR）定義示意圖

古斯位置指數p通過對古斯位置指數表的數據進行插值獲得，古斯位置指數由T/R和H/R確定，其中（R，T，H）是以觀察者為原點建立的坐標系統，如圖2所示。

測量統一眩光值UGR，需要獲得每個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，由于實際測試環境中眩光源的形狀多變，眩光源和背景的亮度分布較為復雜，早期直接對亮度進行測量難度極大，一般都是通過近似替代的方法進行間接測量，直到近年來圖像亮度計的出現才解決了直接測量觀察者視場中亮度分布的問題。

圖2 古斯位置指數坐標系統（R，T，H）

3 統一眩光值（UGR）校準裝置的研制

3.1 裝置原理和結構

統一眩光值UGR校準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成，如圖3所示。

圖3 統一眩光等級UGR標準光源結構示意圖

眩光源采用24個形狀規則的方形LED光源，便于更精確的測量和計算從而得出光源發光面尺寸，光源發光面為白色漫透射擴散板，可有效保證發光面的亮度均勻性；24個燈具按照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率的擴散板材料，用于模擬背景光；后部安裝一組背景光源，箱體內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直流穩壓穩流電源供電，通過調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，該校準裝置可以提供測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眼鏡頭的眩光測試儀測得的測試圖。

圖4 標準光源裝置圖及眩光測試儀測試圖

計算UGR標準值需要準確測量眩光源和背光源的亮度值和幾何位置參數。使用高精度的光譜輻射亮度計配合三維幾何調整機構精確測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家計量基準，量值溯源圖如圖5所示。

圖5 UGR量值溯源圖

通過調整直流穩壓穩流電源輸出，分別控制背景光和眩光源亮度，經測量并計算得到不同范圍的標準UGR值（環境溫度25℃±1℃，光源預熱穩定30 min，測量距離50 cm），如表2所示。

表2 標準UGR值

3.2 裝置計量特性

UGR校準裝置在建立后，幾何形狀和位置參數的變化量很小，主要需要考察其光學參數特性。通過數據模擬計算，在幾何參數固定、眩光源亮度不變時，背景光亮度變化對UGR的影響如圖6（a）所示，背景光亮度不變時，眩光源亮度變化對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，背景光亮度的變化影響更小一些（例如在UGR為19時，背景光亮度變化10%對UGR的影響為0.35，眩光源亮度變化10%對UGR的影響為0.73）。

圖6 背景光亮度和眩光源亮度變化對UGR的影響

背景光和眩光源的亮度啟動特性如圖7所示，穩定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立控制的，根據不確定度傳播率［15］，其亮度穩定性對UGR短期穩定性的影響小于二者的算數平方根0.023，滿足作為計量校準裝置的要求。

圖7 背景光和眩光源亮度啟動特性

4 眩光測試儀的校準

將眩光測試儀置于校準裝置正前方中心位置，如圖8所示，UGR校準裝置整個發光面尺寸為3 m×2 m，可以滿足在測試距離為0.5 m時覆蓋整個古斯位置指數表所包含的視場范圍。

校準時采用比對法，預熱完成后，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和幾何測量儀器測量其亮度分布和幾何量，并根據UGR定義計算出標準值。然后在相同位置用眩光測試儀測量UGR值作為被測值。

在相同條件下使用校準裝置對兩臺眩光測試儀進行校準，其中A儀器同時校準了亮度值和幾何參數，B儀器僅對亮度值進行了校準，測量結果如表3所示。

可以看出，A儀器測量結果較為理想，而B儀器誤差較大。經分析，B儀器的測量結果中，位置指數p與標準值相差較大，對B儀器測試結果的位置指數按照標準值進行修正后，測量結果如表4所示。

圖8 眩光測試儀校準圖

表3 眩光測試儀的校準結果

對幾何位置參數修正后，儀器測量準確度得到了有效提升。可以看出，僅校準眩光測試儀的亮度值在測量UGR時仍會存在問題，使用UGR校準裝置進行校準是必要的。

5 測量不確定度評定

統一眩光值UGR校準裝置的不確定度來源主要有：亮度和幾何量測量儀器的不確定度、測量距離和位置偏差、背景光和眩光源的亮度均勻性和穩定性、眩光源形狀偏差、環境溫度、雜散光以及測量重復性。以人眼視覺不舒適的臨界點UGR=19為評定點，分別分析各個分量對相應的光學量和幾何量的影響，然后將各參數的影響輸入計算模型分析出各個分量對UGR的影響，得到的測量不確定度分量如表5所示。

表5 測量不確定度來源和分量

根據不確定度傳播率［15］，合成標準不確定度為

6 小結與展望

建立統一眩光值UGR校準裝置，可對眩光測試儀UGR量值進行校準，并可溯源至國家光亮度和幾何參數計量基準。裝置計量性能穩定，UGR測量不確定度小于1，具有很好的準確性與可靠性，滿足作為校準裝置的要求。未來在以下兩方面還有改進空間：①加強對環境溫度的控制，減少溫度對光源穩定性的影響，優化測量重復性，從而降低測量不確定度；②建立更符合實際照明場景的標準眩光照明室或照明場地，將二維面測量擴展為三維的場地測量。