b体育面向健康照明的光品质标准进展评述―视觉篇（1. 上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；2. 上海亚明照明有限公司，上海 201801；3. 无锡立德时代科技有限公司，江苏 无锡 214000；4. 国家电光源质量检验检测中心（上海），上海 201114）
【摘要】光品质是健康照明的最重要的指标之一，涉及的要素有很多，主要可以分为视觉相关（成像）和非视觉相关（非成像）。其中，视觉相关要素又可分为照度和亮度、颜色（包括色温和色容差、显色性、颜色维持率、空间颜色非均匀性、彩色光等）、闪烁和频闪效应、眩光（包括不舒适眩光和失能眩光）等。本文梳理并分析了视觉相关的光品质标准，希冀标准化能助推健康照明的发展，提升家庭生活和城市公共照明品质。
【关键词】健康照明；光品质；视觉；标准；照度；照度均匀度；亮度；亮度均匀度；颜色；闪烁；频闪效应；眩光
在社会经济飞速发展、科学技术全面进步、生活水平普遍提高的同时，人口结构老龄化、生活节奏加快、电子设备使用频繁、心身应激因素增多等问题渐渐突显，人们面临着前所未有的健康挑战与风险[1]。“后疫情时代”，国家推出了新基建战略，为全社会智能化、数字化转型升级赋能。人们健康需求进阶，人居健康意识强化，“健康照明”走入大众视野，深入日常人居，从中小学生近视预防、负面情绪改善再到生物钟调节等[2]。而光品质是健康照明的最重要的指标之一，视觉相关（成像）的光品质要素有很多。光对人眼产生的视觉影响可从以下三个方面进行量化和评价：
光随波长的变化情况，即光谱分布，直接决定了照明环境的光色品质，主要包括色温和色容差、显色性、颜色维持率、空间颜色非均匀性、彩色光等。
光随时间的变化情况，反映了光的动态变化对人眼的影响，如闪烁、频闪效应、幻影效应等瞬态光伪像。
光在空间的变化情况，即空间分布，直接影响人眼的亮度感知。人眼视野中的总体亮度分布和强度水平决定了视觉感知的“亮”与“暗”（包括照度和照度均匀度、亮度和亮度均匀度），而视野中的局部亮度分布或对比度则反映为眩光（包括失能眩光和不舒适眩光）。
照明的最基本目的是确保人们有足够的光线来安全、高效和准确地执行主要的视觉任务。其中，最重要的指标是照度和亮度。标准中往往对平均照度、照度均匀度、平均亮度、以及亮度均匀度等提出要求，见表1。
如图1所示，照度可分为水平照明、垂直照度和半柱面照度等。水平照度（horizontal illuminance）是指特定水平面上的照度，垂直照度（vertical illuminance）是指特定垂直面上的照度，而半柱面照度（semi-cylindrical illuminance）是光源在给定的空间一点上一个假想的很小的半个圆柱体的曲面上产生的照度。
其中，半柱面照度，起初是道路照明中为了保证能有效辨认人的面部，避免行人产生不安全感，而提出的要求。文献[4]推荐在体育场馆照明使用半柱面照度替代或补充传统的垂直照度（平面照度），因为空间物体的表面是三维的，半柱面照度更能反映人所能感受到的包括造型在内的实际照明效果。半柱面照度可采用专用的半柱面照度计进行直接测量，也可依据式（1）对测得的各个方向的垂直照度进行计算[5]：
GB 50034—2013 《建筑照明设计标准》规定的照度，一般是水平照度，且指的是指维持平均照度值，工程验收时的照度值应是标准规定值除以相应的维护系数。而规定的照度均匀度指的是规定表面上最小照度与平均照度之比，符号是Ｕ0。
JGJ/T 163—2008 《城市夜景照明设计规范》也规定了照度或亮度均匀度，有两种表示方法，其中Ｕ１=最小/最大照度或最小/最大亮度，即
式（2）这个比率适用于照度或亮度变化过大对性能或安全有严重影响的情况，涉及视觉适应和地面上的显示[6]；Ｕ2=最小/平均照度或最小/平均亮度，即
均匀度主要用于控制规定表面上的照度或亮度水平的变化。以照度均匀度为例，大多数照明场景只考核Ｕ2，即GB 50034规定的Ｕ0；但如果灯具的配光曲线是窄的水滴型配光，在灯下点会出现照度的极大值，此时Ｕ2值尚可，单用Ｕ2来考核就察觉不出糟糕的照明效果，这就需要用到Ｕ１来共同评价。
JGJ 153—2016 《体育场馆照明设计及检测标准》除了U1和U2的要求外，还规定了均匀度梯度UG（Uniformity Gradient），即某一网格点与其余8个相邻网格点的照度比，故
UG考核的是整个区域的照度变化率。体育场馆由于空间大，即使有好的照度均匀度，相邻两个网格点的照度变化过大就可能导致斑马效应，为了避免这种情况，就需要UG这个指标来控制相邻网格点间的照度差异。有电视转播时，当照度计算与测量网格 ＜5 m时，每 2 m的水平照度和垂直照度均匀度梯度 UG≤10%；当照度计算与测量网格 ≥5 m时，每 4 m的水平照度和垂直照度均匀度梯度UG≤20%。
关于亮度，亮度是光源在指定方向上的单位投影面、在单位立体角中发射的光通量，故亮度是与方向有关的物理量，与距离无关。亮度又可分为被照面亮度（如路面亮度）和发光面亮度（如标识亮度）。
关于亮度均匀度，以CJJ 45—2015 《城市道路照明设计标准》为例，其评价指标有路面亮度总均匀度和路面亮度纵向均匀度。路面亮度总均匀度Uo指的是路面上最小亮度与平均亮度的比值，即
这是因为道路照明设施在为路面提供良好的平均亮度的同时，却无法避免在路面上的某些区域产生很低的亮度，在这些区域中，障碍物与路面之间的对比值低；同时，如果视场中出现大的亮度差别，会导致眼睛的对比灵敏度下降，引起瞬时适应问题，以致于不易觉察出在那些较暗区域中的障碍物。因此，为了保证路面上各个区域都能有足够的觉察率，就要求路面上的平均亮度和最小亮度不能相差太大[8]。
当驾驶员驾车在路面上行驶时，如果在其前方的路面上反复地出现亮带和暗带，即所谓的“斑马条纹效应”，这种效应对于在这个车道上行驶的驾车人来说，会感到很烦躁，并危及到交通安全。因此，为了减弱这种干扰，就必须限制沿车道中心线上最亮区和最暗区的亮度差，从而提出了影响驾驶员视觉舒适感的评价指标，即亮度纵向均匀度[8]。
路面亮度总均匀度Ｕ0是从视功能的角度来考核道路照明效果，而路面亮度纵向均匀度UL是从视舒适的角度来看的，二者都很重要，道路照明的设计应至少使二者都能达到可接受的程度[3]。
白光照明产品的颜色相关标准见表2，包含测量方法、产品和应用要求。根据应用场合要求，色度指标又可分为相关色温和色容差、显色性、颜色维持率和空间颜色非均匀性。
测得光源的光谱能量分布，可以引入相关色温这个指标来表述光源的颜色，且相同色温的产品间的光色一致性用色容差SDCM（Standard Deviation of Color Matching）进行评价。GB/T 10682—2010 《双端荧光灯 性能要求（IEC 60081:200 5, NEQ）》的附录D给出了2700 K~ 6500 K的色坐标目标值和相关色温目标值，见表3。同时，这个标准给出了用以计算色容差SDCM的MacAdam椭圆在7种色温下的相关系数ｇ１１ 、 ｇ１２和 ｇ２２等， 且 ＳＤＣＭ２＝ ｇ１１Δｘ２＋２ｇ１２ΔｘΔｙ ＋ ｇ２２Δｙ２。
这里n对应n阶MacAdam椭圆。但值得注意的是，式（7）不能任意使用，只有光源的色坐标靠近黑体线的情况下才推荐使用。
GB/T 2900.65—2004 《电工术语 照明》的845-02-59显色性（Color Rendering）的定义是照明体对物体色貌的影响。这种影响是观察者有意或无意地将它与参照照明体下的色貌相比较产生的。而显色性的优劣一般由显色指数来衡量。
GB/T 26180—2010 《光源显色性的表示和测量方法(CIE 13.3:1995，IDT)》给出了R1~R14共计14个色样的光谱辐射因子（光谱辐亮度系数），其中一般显色指数Ra是1~8号色样的算术平均值。但1~8号色样都是非饱和；只有R9~R12是饱和度较高的红、黄、绿、蓝，R13为淡黄粉色（欧美人的肤色），R14为中等绿色（树叶）。GB/T 5702—2003 《光源显色性评价方法》在CIE 13.3的基础上，首次给出了第15个色样，即中国女性面部肤色的光谱辐亮度系数。用CRI（Color Rendering Index）来评价光源的显色性已被照明界广泛接受，但这种显色性评价方法存在2个不足：一是1~8号色样都是处在中等饱和度和中等明度，在u~v系统中为等距离间隔，对于评价色饱和度高的场景存在偏差；二是色样数太少，人们熟知的颜色，如皮肤、树叶、食品等，它们的颜色极为重要，但被排除在一般显色指数之外[11]。
因此，北美照明学会IES提出了TM-30新的显色性评价方法，评价指标是Rf（颜色保真指数）和Rg（色域指数）。与CRI相比有了明显的差异，Rf是对于规定的99种试验色样的特殊颜色保真指数Rf，cesi的平均值，而Rg是表征被照照明体照射下颜色饱和度的参数，由99种试验色样分别在被测照明体和参照照明体条件下构建的色域多边形面积比计算得到。这99个色样均来自真实世界的对象（从饱和到不饱和，从亮到暗），包括：皮肤、纺织品、油漆、塑料和印刷品等。拟用Rf取代Ra，同时Rg用于弥补Ra不足于评价色饱和度高的场景。白炽灯、荧光灯、钠灯、金卤灯、LED灯丝灯、LED路灯、LED教室灯的Ra、R9、Rf和Rg对比结果见表4[12]。
现行的国家标准一般用Ra和R9来评价光源或灯具的显色性。如GB/T 24908—2014 《普通照明用非定向自镇流LED灯 性能要求》规定灯一般显色指数Ra的初始值平均值应不低于80，标称高显色指数的应不低于90，个别值不应比平均值低3个数量值，且R90。R9的要求是因为绝大多数的白光LED是蓝光芯片激发荧光粉，复合产生白光，早期的黄粉发射光谱的半宽小，红光波段覆盖很少，所以需要第9个色样，即饱和红色，来评价光源对红色物体的还原性；从而采用Ra和R9能较全面、合理地评价照明产品的显色性。15个试验色样在被测光源（Test source）和参考照明体（Ref. Illum.）的分别照射下其对应的色差△Ei（i=1～15）计算过程如图3所示，而Ri=100-4.6△Ei，当R9≤0，并非没有物理意义，而是指第9个色样在被测光源照射下呈现的色貌，与该色温下的参考照明体照射下呈现的色貌差异极大。
此外，光源的色温和显色性之间没有必然的联系，因为具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温（同色异谱），但是其显色性可能差别很大[14]。
随着健康照明的持续升温，全光谱或类太阳光谱LED芯片已有相当规模的应用。全光谱或类太阳光谱LED大多采用单紫光芯片激发多种荧光粉，双蓝光芯片激发两种荧光粉，单蓝光芯片激发多种荧光粉，或单蓝光芯片激发掺杂的荧光粉等技术，显色性大为提升，但多种芯片或多种荧光粉的光衰速率不一，寿命期间的颜色会产生漂移。美国DLC（the Design Lights Consortium）SSL Technical Requirements V5.1规定，室内照明产品（除了高天棚产品）1000 h与6000 h 的颜色维持率(Colour Maintenance)（或者称之为色漂）Δuv≤0.004，室外照明产品和高天棚产品的颜色维持率Δuv≤0.007。GB/T 24908—2014 《普通照明用非定向自镇流LED灯 性能要求》规定LED球泡灯3000 h与初始颜色坐标的颜色漂移Δuv≤0.004，6000 h的Δuv≤0.007。
照明产品在不同发光角上可能会表现出不同的颜色特性，尤其是窄光束的洗墙灯，偏光的教室黑板灯等，这些产品需要二次甚至三次配光，芯片发出的光线经过多次折射、透射，如果没有好的光学设计，就会表现出空间上可见的色差。GB/T 36979—2018 《LED产品空间颜色分布测量方法》将空间颜色的不均匀性用CIE 1976均匀色品标度图（CIE 1976 uniform-chromaticity-scale diagram）中所有测量角度的色品坐标与空间平均色品坐标在色品图上的最大偏差来表示，即Δuv。
QB/T 5533—2020 《教室照明灯具》要求LED灯具在大于峰值光强10%的区域内，在两个垂直面（C0和C90）不同方向上的空间颜色非均匀性Δuv应在CIE 1976均匀色品标度图中的0.007以内。GB/T 29294—2012 《LED筒灯性能要求》要求在大于峰值光强10%以内的区域内，LED筒灯不同方向上的色度变化应在CIE 1976(u,v)图中的0.004以内。GB/T 29296—2012《反射型自镇流LED灯性能要求》规定灯在光束角范围内各方向上的颜色坐标与平均颜色坐标的偏差Δuv应不超过0.004。GB/T 39237—2020 《LED夜景照明应用技术要求》规定白光LED灯具在不同方向上的色品坐标与其加权平均值偏差不应大于0.007，LED投光灯在不同方向上的色品坐标与其加权平均值偏差不应大于0.004。
需要说明的是，对于色容差，无论MacAdam椭圆法，还是ANSI C78.377的四边形法，都是表征一批产品间各光源与光源额定色品的偏离程度；而空间颜色非均匀性（或者称之为色品空间不一致性）是表征单个产品在空间上的颜色不一致程度b体育官网，如窄光束的洗墙灯，照射的墙面较低部位与较高部位可能有肉眼可见的色差。
对于彩色光产品，根据用途，可分为用于指示、告警、通信等用途的信号灯光，以及用于装饰、造景等目的的彩色光照明产品。
汽车、轮船、火车和飞机使用的信号灯的颜色大多采用白、蓝、绿、黄、红等。信号灯光颜色的相关标准主要有：
如图4所示，航标灯、铁路灯和机场灯的灯光颜色都是在CIE推荐的灯光信号颜色的基础上，根据各自行业的特性，对各种灯光颜色的色度坐标区域进行调整，如船用电气号灯删除了蓝色，而铁路信号灯则增加了紫色等。标准要求相应产品不得使用其标准规定以外的任何其他灯光颜色，且不论采用何种滤色材料，均应位于标准规定的相应色度范围内。
CIE推荐采用主波长（dominant wavelength）与激发纯度（excitation purity）（GB/T 2900.65—2004 《电工术语 照明》的845-03-48翻译成“兴奋纯度”，修订中的GB/T 2900.65将改为“激发纯度”）用于表征彩色光的颜色特性。彩色光照明产品的颜色相关标准见表5。
欧盟法规(EU)2019/2020 《光源与独立控制装置生态设计要求》和GB/T 39237—2020 《LED夜景照明应用技术要求》对蓝光、绿光、红光和黄光的主波长和激发纯度提出了限值要求，见表6。
主波长是指某一种光谱色的波长，用符号λd表示。除了紫色刺激，通过等能白点E（x=0.333，y=0.333）向光源色坐标点引直线，并延长至与光谱轨迹相交于D点，则交点D的光谱色波长即为该光源的主波长λd。激发纯度可以表示为CIE(x, y)色品图上两个线段的长度之比，即等能白点E到光源色坐标点的距离与E到主波长与光谱轨迹的交点D的距离之比[14]。光源色坐标点越接近光谱轨迹，即激发纯度越接近1，表示该颜色越饱和[15]。
有了主波长和激发纯度的限值，就不用给出如2.2.1的信号灯光颜色标准中的色度区域边界和边界交点等繁琐的公式和数据，主波长和激发纯度2个指标可以在色度图中围出一块标准要求的区域，如图5所示。
闪烁是光波动的目视感觉（Temporal Light Artefact）（CIE TN 006: 2016）。（GB/T 2900.65―2004定义845-02-49：由光刺激的光亮度或光谱分布随时间波动所引起的不稳定的目视感觉。）闪烁与调制频率和幅度、调制波形、输出平均幅值、周期、单周期内的色差以及背景空间的亮度等有关。闪烁有可能对癫痫、孤独症和头痛患者造成更加明显的伤害，同时还会对观察者造成视觉疲劳和减弱视觉功能等危害[16]。
IEEE Std 1789-2015采用波动深度对闪烁进行评价。波动深度为光输出的最大值和最小值的差异占光输出最大值和最小值之和的比例，以百分比表示，即
低风险和无显著影响水平的闪烁频率和波动深度函数关系，如图6所示。无显著影响水平是图中的绿色区域，低风险水平是图中的橙色和绿色区域。
强制性标准GB 40070―2021《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》要求教室照明灯具和读写作业台灯的光输出波形的波动深度在IEEE Std 1789的无显著影响区域内。
而CIE TN 006: 2016对闪烁、频闪效应和幻影效应做出了区别定义的定义：闪烁（Flicker，80 Hz）：对于静态环境中的静态观察者，亮度或光谱分布随时间波动的光刺激引起的视觉不稳定知；频闪效应（Stroboscopic effect，80 ~ 2000 Hz）：对于非静态环境中（运动物体）的静态观察者，亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对运动感知的变化；幻影效应（The phantom array effect）：对于静态环境中的非静态观察者，亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对物体形状或空间位置布的感知变化。
对闪烁， IEC TR 61547-1对成熟的短期闪烁测量(Pst)方法稍加变化，用PstLM来评价由电源电压带来的LED照明产品光输出的闪烁，同时也包含了对LED照明产品自身的闪烁特性的评价。
对于频闪效应，CIE TN 006: 2016引入频闪可见度量SVM参数，测量待测光源在目标平面的照度随时间变化曲线，对测量到的光波形进行傅里叶分析，每一个不同频率的波幅度（Cm）和对应的归一化的可见度曲线（Sm）加权。可见度曲线是经过大量实验得出的不同频率光变化的人眼感知阈值，其计算公式如下：
眩光是指由于光亮度的分布或范围不适当，或对比度太强，而引起不舒适感或分辨细节或物体的能力减弱的视觉条件。眩光产生的原因主要有两个：过高的亮度或过高的亮度比[15]。眩光可以分为不舒适眩光与失能眩光。其中，不舒适眩光会降低视觉舒适程度，失能眩光会降低视觉功效，它们对视觉作业产生不同的干扰，但没有严格的界限。当眩光源亮度较低时，产生的眩光主要是不舒适眩光，随着亮度的增加，产生失能眩光。因为产生机理的差异，一般情况下，不舒适眩光比失能眩光出现的可能性更大，且情况更加复杂，控制了不舒适眩光基本就抑制了失能眩光。美队实验室在1972年发表的飞机驾驶舱照明环境问题报告表明，驾驶舱眩光严重影响到驾驶员安全与绩效。因此，眩光的预防十分重要，因为这可能会影响视觉和产生的生理或心理症状，比如眼睛疲劳、压力、头痛等。
不舒适眩光，与4个因素有关：眩光源的亮度、尺寸、在视场角的位置以及背景亮度[7]。不舒适眩光的定量指标常用的有统一眩光值UGR (Unified Glare Rating)和眩光值GR (Glare Rating)等。公共建筑和工业建筑常用房间或场所的不舒适眩光一般采用UGR来评价，体育场馆和其他室外场地的不舒适眩光采用GR，见表8。
式（10）中，Lb是背景亮度，LS是观察者方向每个灯具的亮度，ω是每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角，p是每个灯具的位置指数。GB/T 26189—2010《室内工作场所的照明(ISO 8995:2002/CIE S008/E:2001, IDT)》给出了6个UGR的等级，分别是13、16、19、22、25和28，其中13表示可感知的最小不舒适眩光，28表示严重眩光，无法忍受。GB 55016—2021 《建筑环境通用规范》要求长时间视觉作业的场所，UGR≤19。
UGR只适用于0.0003 sr ω 0.1 sr。0.0003 sr相当于发光面积半径为10 cm、距离为10 m的圆形筒灯，而0.1 sr相当于在3 m距离处发光面积为1 m2的灯具。当ω太小，用ugr评价时其评价的结果往往太严重，而ω太大时又太宽松。
NEMA LS 20001-2021 《White Paper on UGR（统一眩光值）》提出了3个新术语UGRAppl（应用UGR）、UGRLum（灯具UGR）和UGRPoint（点UGR）。其中，应用UGR是在特定应用（房间形状、灯具布局、灯具参数、视觉任务）上充分利用CIE计算UGR的方法所获得的值。灯具UGR是使用UGR计算方法在单个定义的应用（房间形状、灯具布局）中评估/比较灯具，但灯具实际上可能用于许多不同的应用。点UGR是在房间内的单个点处计算的UGR值，例如通过模拟软件计算得出的UGR。灯具UGR和点UGR都是不恰当地使用UGR对灯具进行评估。灯具UGR被DLC所采纳，DLC要求单个灯具的UGRLum计算以单个房间（形状是4H×8H，天花板、墙壁、面的反射率分别是70%、50%、20%，且S/H=1）进行，但没有考虑具体应用；而点UGR会出现错误，因为没有进行平均。
应用UGR方法不应用于采用间接照明和发光天棚的房间，且只适用于基于矩形空间的均匀分布的单一灯具。同时，许多研究表明，对于相同的平均亮度，均匀发光和非均匀发光灯具之间的不舒适眩光体验存在显著差异，因此，CIE 232:2019 《Discomfort Caused by Glare from Luminaires with a Non-Uniform Source Luminance》对UGR方法进行了补充，以便以可靠的方式将其应用于非均匀源，见式（11）：
式（12）中，Lvl是由灯具发出的光直接射向眼睛所产生的光幕亮度，Lve是由环境引起直接入射到眼睛的光所产生的光幕亮度。GR的范围是10～90，其中10表示无眩光，察觉不到；90表示严重眩光，难以忍受。JGJ 153—2016 《体育场馆照明设计及检测标准》规定室内体育馆场地的GR：Ⅰ级场馆≤35，Ⅱ~Ⅵ级场馆≤30；室外体育场地的GR：Ⅰ级场馆≤55，Ⅱ~Ⅵ级场馆≤50。
而失能眩光，很少会出现在室内照明，但经常出现在驾驶过程中，如日间的刺眼太阳光和夜间的来车前大灯灯光。计算方法有阈值增量TI (Threshold Increment)，公式如下：
式（13）中，K是和观察者年龄有关的常数；Lav是道路表面的平均初始亮度；Egl是垂直于观察者视线的平面上，由眩光源产生在观察者眼睛上的照度；θ是视线和灯具射入眼睛中的光线之间的夹角。由于失能眩光是眩光源在眼睛中形成的散射光线，干扰直接视场里景物的清晰图像聚焦在眼睛的视网膜上，为了限制眩光对觉察物体能力的干扰，需要规定TI的范围，即在有眩光存在的条件下又能刚刚看见物体所需要增加的物体及其背景之间的亮度对比[3, 8]。CJJ 45—2015 《城市道路照明设计标准》规定快速路、主干路、次干路的TI≤10%，支路的TI≤15%。
目前，道路照明标准只考核失能眩光，不考核不舒适眩光。但CIE 243:2021 《Discomfort Glare in Road Lighting and Vehicle Lighting》已归纳总结了道路照明和机动车照明中的11个不舒适眩光模型，CIE将继续在全球范围内开展研究，并将针对不同户外应用提出最佳拟合模型和不舒适眩光的限值。
本文综述了视觉相关的健康照明光品质标准的相关进展，主要有功能照明的水平照度、垂直照度和相应的均匀度要求，颜色（包括色温和色容差、显色指数、颜色维持率、空间颜色非均匀性、彩色光等），闪烁和频闪效应，眩光（包括不舒适眩光和失能眩光）等。希冀标准化能助力健康照明的各类具体应用实践，预防学生近视、提升家庭生活品质和提高城市公共照明管理，赋能百姓创造更美好的生活。
[2]郝洛西. 全球重构下的光与照明：热点与趋势、变革与对策 [J]. 照明工程学报, 2020, 31 (6) : Ⅱ–Ⅲ.
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部. 城市夜景照明设计规范: JGJ/T 163—2008 [S].
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