不舒適眩光評價的視覺適應研究綜述

王書曉，王立雄

(1.天津大學，天津 300072；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

眩光是一種由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對比，導致眩光源亮度遠大于人眼的適應亮度而引起的不舒適感覺或降低觀察細部或目標的能力的視覺現象[1，2]。應該嚴格限制眩光以避免由此產生的視覺疲勞和生產事故。其中引起視覺不舒適的眩光稱為不舒適眩光；降低視覺工效和可見度的眩光稱為失能眩光[3]。不舒適眩光是影響室內照明環境品質的主要因素，而失能眩光在室內照明條件下基本上不會出現[4]。

自20世紀40年代以來，隨著照明水平的不斷提高，不舒適眩光問題日益突出，眩光評價方法研究逐步引起行業的關注，并長期成為照明領域內的研究熱點。多年來人們進行了大量的工作并得出了各自的評價方法，這些眩光評價方法的提出對指導照明設計實踐起到了十分重要的作用，然而也存在著不具有普適性、缺乏心理學和生理學理論支撐等明顯的局限性，無法滿足LED照明快速發展和創新應用的需要。因此，關于不舒適眩光的研究一直是國際照明領域的研究熱點，也被國際照明委員會(CIE)明確作為其十大優先研究領域之一[5]。

1 適應亮度與不舒適眩光的產生機制

1.1 不舒適眩光評價方法研究進展

根據現有的研究成果[6-15]，可以知道人的不舒適眩光感受會隨著光源亮度增加，相同亮度條件下光源發光表面大小的增加，背景環境亮度的減少以及眩光源與觀測者視線之間夾角的減少而增強，因此當前主要的不舒適眩光評價模型都可以用以下數學模型來進行表達。

(1)

其中G為人對眩光主觀感受的評價指標;e,f,g為權重系數;f(ψ)為燈具與視線夾角的函數;ψ是眩光源與觀測者視線的夾角;Ls為眩光源亮度;ωs為眩光源對于觀測者的立體角;La為觀測者的適應亮度;n為眩光源的數量。

當前不舒適眩光的主要評價方法包括：視覺舒適概率系統(vision comfort probability，VCP)、窗的不舒適眩光指數(discomfort glare index，DGI)、眩光指數(glare rating，GR)和統一眩光值(unified glare rating，UGR)等，以上眩光評價方法的提出對指導照明設計實踐起到了十分重要的作用，然而這些方法只適用于某一個或幾個特定的照明條件(如辦公室照明、體育照明、道路照明等)，或某種特定類型照明光源，已經無法滿足LED照明快速發展和創新應用的需要，因此，關于不舒適眩光的研究一直是國際照明領域的研究熱點[16]。

近年來國際上在該領域的研究工作主要集中在針對LED光源的非均勻特性對眩光影響研究[13,17-19]，然而卻忽視了各不舒適眩光對于環境亮度或適應亮度計算方法的差異，如表1所示。

表1 不同不舒適眩光評價方法對比Table 1 Comparison on different discomfort glare evaluation methods

由此可知，受限于實驗室多采用均勻亮度的實驗裝置開展眩光實驗的限制等因素，導致當前的眩光評價方法均采用平均環境亮度(包含(或不包含)眩光源的影響)表征人眼適應亮度[20]，但是就環境亮度計算范圍以及是否需要考慮眩光源對人的適應狀態影響等問題還存在著差異。這種方法忽視了環境亮度及光譜分布的不同對于人眼適應狀態的影響，這一假設大大簡化了眩光計算分析的難度，對于照明設計實踐中減少眩光干擾，提升視覺環境質量起到了十分重要的推動作用。然而正如文獻[21]中指出，人眼的適應亮度是影響眩光評價的重要因素，因此適應亮度計算模型的合理性對于進一步深入了解不舒適眩光形成機理，準確預測不舒適眩光感受具有十分重要的意義。眾所周知，視野中的亮度分布對于人眼的適應狀態具有重要影響[20,22]，然而在現實非均勻亮度空間條件下的人眼適應亮度計算問題則一直是照明領域懸而未決的關鍵問題[23]。因此當前亟需開展關于非均勻亮度空間的不舒適眩光評價中的視覺適應研究，從而更準確地了解不舒適眩光的形成機理，為建立適用于不同應用場景的眩光評價方法提供技術支撐，這對于落實CIE的研究戰略具有十分重要的技術價值。

1.2 適應亮度對于不舒適眩光感知的影響

適應在神經系統中是一個很普遍的現象，表現為神經系統可以根據外界環境不斷地調整自身的敏感性，也可以被稱為“自動增益調節”[24,25],適應調節主要通過自主神經系統(autonomic nervous system)來實現的，因此這個過程是一個無意識行為，人很難感知到適應的調節變化[26，27]。對于視覺系統而言，亮度適應對神經元有效地編碼外界信息至關重要。在晝夜更迭的過程中，環境中光強的變化范圍超過1012數量級[28]，因此必須調節視覺系統的敏感度以適應不同的視覺環境，以確保視覺功能的正常，從而有效地將視覺信號傳遞給大腦并最終形成視覺感知[29]。

人眼的適應狀態是人感知世界的基準，從而使人能夠判斷環境中物體的亮暗，對于人的視覺工效和視覺舒適都具有十分重要的影響。因此CIE 135指出確定現實非均勻亮度、多色彩的空間條件下的人眼適應狀態對于人的視覺感知判斷具有十分重要的意義。當前很多關于環境亮度感知相關的研究都涉及到人眼適應，然而卻關于自然條件下的人眼適應狀態的相關研究，從而導致研究成果無法反應現實環境的感受。對于不舒適眩光而言其產生主要可能產生機制主要包括：

1)視覺適應調節并不能夠在亮度發生變化后迅速做出反應，因此亮度水平突然的劇烈變化就會導致人的視覺系統無法快速適應環境亮度，從而引起視覺功能的部分喪失，進而可能會導致不舒適眩光的發生[30]；

2)當視覺系統適應了某種環境亮度的時候，視野中的過亮或過暗的物體將被當作光斑或者陰影。由圖1可見，不同適應亮度條件下，能夠區分亮度差異的限值范圍[31]。

圖1 適應亮度的影響[30]Fig.1 Effect of adaptive brightness

2 適應亮度的調節與測評

2002年Berson等[32-36]首次發現了視網膜神經節層上的第三類感光細胞，即視網膜感光率神經節細胞(ipRGC)，其感光色素(或視蛋白)與桿狀體細胞和錐狀體細胞不同，為Melanopsin(由Opn4基因編碼的蛋白質)，同時它還接收到位于視網膜外層的桿狀體細胞和錐狀體細胞的信號[37]，其中在暗視覺條件下，ipRGC傳遞信號主要是來自于桿狀體細胞，而在明視覺條件下，ipRGC傳遞的信號則是錐狀體細胞和Melanopsin感光信號的組合[38]。ipRGC的發現給研究視覺適應提供了一個全新的機遇。

2.1 基于ipRGC的視覺適應調節

視覺系統主要是通過調整瞳孔大小，光化學適應以及神經系統適應來實現對不同視覺環境的適應[39]。對于環境的適應是建立在對于環境亮度的準確感知，視網膜感光細胞的信號被看作是人的亮度適應的重要信息來源,長期以來的研究都是假設錐狀體細胞和桿狀體細胞起到環境絕對亮度感知的作用[40]。然而由于桿狀體細胞和錐狀體細胞需要能夠快速而準確地識別環境的對比，它們需要根據環境亮度調節其敏感度，因此它們感知的是相對亮度，而不是環境的絕對亮度[41]。Barlow 和 Levick[42]在1969年發現貓的視網膜上存在一種分子可以起到亮度編碼作用，即它的放電強度隨著照射強度的增加而單調增加。而這也正是ipRGC的melanopsin與視網膜上其他感光細胞的最大差別。在連續照射條件下，它可以在較長時間內產生穩定的感光信號，從而準確地反映環境亮度水平[43-48]。

而ipRGC信號可以傳遞至多巴胺無長突神經細胞則為視覺系統的亮度適應提供了重要基礎[49]。因此，ipRGC具有類似相機上的曝光表的作用，從而根據環境亮度條件決定視覺通道的適應狀態[50,51]。而這些研究也被Berman和Clear[52]的研究所支持，并可以很好地解釋相同照度條件下高色溫光源會比低色溫光源的視亮度更高等相關研究結果[53,54]。

2.2 ipRGC對于瞳孔光反射的影響

相關研究證明適應亮度是瞳孔光反射(Pupil Light Reflex，PLR)調節的主要誘因，即瞳孔的大小與人眼的適應亮度相關[55]。長期以來，人們一直認為視網膜上僅有桿狀體細胞(rod)和錐狀體細胞(cone)兩種感光細胞能夠將光信號轉變為電信號，并通過視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells)將視覺信息傳遞至RGC軸突投射對應的大腦區域，從而實現對瞳孔光反射的調節[56]。瞳孔光反射發生過程[57]如圖2所示。

圖2 瞳孔光反射發生過程圖[57]Fig.2 Light reflection process of pupil

ipRGC通過視網膜節細胞下丘腦束(RHT)投射到大腦區域包括SCN、橄欖頂蓋前核(olivary pretectal nucleus，OPN)等區域[58,59]，其中OPN對于雙側的瞳孔直徑具有交感的調節作用，因此，來自桿狀體細胞、錐狀體細胞以及ipRGC上的Melanopsin的感光信號都將通過ipRGC傳遞到OPN，從而起到對瞳孔直徑的調節作用[60]。而不同來源的信號對于瞳孔光反射的影響大小主要取決于光照水平的強度、光譜以及時長，當環境亮度發生突然變化后，瞳孔所做出的快速反應主要是由桿狀體細胞和(或)錐狀體細胞產生信號控制；在瞳孔快速收縮后，瞳孔將逐步放大，如果此時的光照強度已經超過melanopsin的閾限，則melanopsin將參與瞳孔直徑調解，并確保瞳孔直徑在光照條件不變情況下將保持穩定狀態；而當燈光突然關閉且關閉前光照強度超過melanopsin的閾限，由于melanopsin的影響，瞳孔的大小將被保持數秒，稱為照射后瞳孔反應(post illumination pupil response,PIPR)[61]。

長期以來人們關于瞳孔光反射的研究均支持其與環境適應亮度高度相關，特別是非視覺系統的研究更是證明瞳孔光反射與人的視覺適應調節共享相同的感知信號通路，且同樣通過自主神經系統控制調節，具有較強的可靠性和穩定性，因此可以使用穩態瞳孔直徑作為人的視覺適應的重要表征指標。這也從神經生理學角度為瞳孔直徑與適應亮度的相關性提供了理論依據。

3 總結

鑒于ipRGC對人的亮度適應的重要作用，ipRGC的特性對于人眼的適應就具有重要的影響，其影響可能包括以下兩個方面：

1)ipRGC在視網膜上分布的不均勻，多個研究表明下半部分的視網膜對于褪黑激素抑制等非視覺效應更加有效，因此，當光線來自上半部視野時產生的ipRGC信號會更強[62-64]。同時考慮到不同環境條件下人的視野的變化影響(如表2所示)，因此空間亮度分布對于人的適應亮度具有重要的影響。

表2 不同照明條件下的典型視場Table 2 Typical view field under various lighting conditions

2)ipRGC的光譜響應特性，長期以來關于瞳孔光反射的研究都是基于明視覺照度或亮度作為控制變量，然而控制穩態條件下瞳孔大小的ipRGC光譜響應曲線與V(λ)曲線具有顯著差別，且不同使用環境條件下ipRGC的melanopsin產生的信號和ipRGC接收相連接的錐狀體細胞、桿狀體細胞信號的影響仍然未知[65,66]，因此光譜分布對于人的適應亮度同樣具有重要的影響。

當前主要不舒適眩光評價方法中所采用環境平均亮度作為人眼適應亮度的評價方法，并未考慮環境亮度分布和光譜分布兩個因素影響，因此無法準確預測人的亮度適應狀態，文獻[67]中已經進一步證明了這一問題。因此當前亟需進一步深入開展亮度分布和光譜等因素對于人眼適應狀態影響研究，從而真正解決照明領域這一懸而未決的關鍵問題。其研究成果對于確定不舒適眩光的生理、心理機制，完善評價方法，指導照明產品優化光譜和光學，開展健康照明設計實踐具有十分重要的技術支撐作用。