不舒适眩光评价的视觉适应研究综述

王书晓，王立雄

(1.天津大学，天津 300072；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

引言

眩光是一种由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，导致眩光源亮度远大于人眼的适应亮度而引起的不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象[1，2]。应该严格限制眩光以避免由此产生的视觉疲劳和生产事故。其中引起视觉不舒适的眩光称为不舒适眩光；降低视觉工效和可见度的眩光称为失能眩光[3]。不舒适眩光是影响室内照明环境品质的主要因素，而失能眩光在室内照明条件下基本上不会出现[4]。

自20世纪40年代以来，随着照明水平的不断提高，不舒适眩光问题日益突出，眩光评价方法研究逐步引起行业的关注，并长期成为照明领域内的研究热点。多年来人们进行了大量的工作并得出了各自的评价方法，这些眩光评价方法的提出对指导照明设计实践起到了十分重要的作用，然而也存在着不具有普适性、缺乏心理学和生理学理论支撑等明显的局限性，无法满足LED照明快速发展和创新应用的需要。因此，关于不舒适眩光的研究一直是国际照明领域的研究热点，也被国际照明委员会(CIE)明确作为其十大优先研究领域之一[5]。

1 适应亮度与不舒适眩光的产生机制

1.1 不舒适眩光评价方法研究进展

根据现有的研究成果[6-15]，可以知道人的不舒适眩光感受会随着光源亮度增加，相同亮度条件下光源发光表面大小的增加，背景环境亮度的减少以及眩光源与观测者视线之间夹角的减少而增强，因此当前主要的不舒适眩光评价模型都可以用以下数学模型来进行表达。

(1)

其中G为人对眩光主观感受的评价指标;e,f,g为权重系数;f(ψ)为灯具与视线夹角的函数;ψ是眩光源与观测者视线的夹角;Ls为眩光源亮度;ωs为眩光源对于观测者的立体角;La为观测者的适应亮度;n为眩光源的数量。

当前不舒适眩光的主要评价方法包括：视觉舒适概率系统(vision comfort probability，VCP)、窗的不舒适眩光指数(discomfort glare index，DGI)、眩光指数(glare rating，GR)和统一眩光值(unified glare rating，UGR)等，以上眩光评价方法的提出对指导照明设计实践起到了十分重要的作用，然而这些方法只适用于某一个或几个特定的照明条件(如办公室照明、体育照明、道路照明等)，或某种特定类型照明光源，已经无法满足LED照明快速发展和创新应用的需要，因此，关于不舒适眩光的研究一直是国际照明领域的研究热点[16]。

近年来国际上在该领域的研究工作主要集中在针对LED光源的非均匀特性对眩光影响研究[13,17-19]，然而却忽视了各不舒适眩光对于环境亮度或适应亮度计算方法的差异，如表1所示。

表1 不同不舒适眩光评价方法对比Table 1 Comparison on different discomfort glare evaluation methods

由此可知，受限于实验室多采用均匀亮度的实验装置开展眩光实验的限制等因素，导致当前的眩光评价方法均采用平均环境亮度(包含(或不包含)眩光源的影响)表征人眼适应亮度[20]，但是就环境亮度计算范围以及是否需要考虑眩光源对人的适应状态影响等问题还存在着差异。这种方法忽视了环境亮度及光谱分布的不同对于人眼适应状态的影响，这一假设大大简化了眩光计算分析的难度，对于照明设计实践中减少眩光干扰，提升视觉环境质量起到了十分重要的推动作用。然而正如文献[21]中指出，人眼的适应亮度是影响眩光评价的重要因素，因此适应亮度计算模型的合理性对于进一步深入了解不舒适眩光形成机理，准确预测不舒适眩光感受具有十分重要的意义。众所周知，视野中的亮度分布对于人眼的适应状态具有重要影响[20,22]，然而在现实非均匀亮度空间条件下的人眼适应亮度计算问题则一直是照明领域悬而未决的关键问题[23]。因此当前亟需开展关于非均匀亮度空间的不舒适眩光评价中的视觉适应研究，从而更准确地了解不舒适眩光的形成机理，为建立适用于不同应用场景的眩光评价方法提供技术支撑，这对于落实CIE的研究战略具有十分重要的技术价值。

1.2 适应亮度对于不舒适眩光感知的影响

适应在神经系统中是一个很普遍的现象，表现为神经系统可以根据外界环境不断地调整自身的敏感性，也可以被称为“自动增益调节”[24,25],适应调节主要通过自主神经系统(autonomic nervous system)来实现的，因此这个过程是一个无意识行为，人很难感知到适应的调节变化[26，27]。对于视觉系统而言，亮度适应对神经元有效地编码外界信息至关重要。在昼夜更迭的过程中，环境中光强的变化范围超过1012数量级[28]，因此必须调节视觉系统的敏感度以适应不同的视觉环境，以确保视觉功能的正常，从而有效地将视觉信号传递给大脑并最终形成视觉感知[29]。

人眼的适应状态是人感知世界的基准，从而使人能够判断环境中物体的亮暗，对于人的视觉工效和视觉舒适都具有十分重要的影响。因此CIE 135指出确定现实非均匀亮度、多色彩的空间条件下的人眼适应状态对于人的视觉感知判断具有十分重要的意义。当前很多关于环境亮度感知相关的研究都涉及到人眼适应，然而却关于自然条件下的人眼适应状态的相关研究，从而导致研究成果无法反应现实环境的感受。对于不舒适眩光而言其产生主要可能产生机制主要包括：

1)视觉适应调节并不能够在亮度发生变化后迅速做出反应，因此亮度水平突然的剧烈变化就会导致人的视觉系统无法快速适应环境亮度，从而引起视觉功能的部分丧失，进而可能会导致不舒适眩光的发生[30]；

2)当视觉系统适应了某种环境亮度的时候，视野中的过亮或过暗的物体将被当作光斑或者阴影。由图1可见，不同适应亮度条件下，能够区分亮度差异的限值范围[31]。

图1 适应亮度的影响[30]Fig.1 Effect of adaptive brightness

2 适应亮度的调节与测评

2002年Berson等[32-36]首次发现了视网膜神经节层上的第三类感光细胞，即视网膜感光率神经节细胞(ipRGC)，其感光色素(或视蛋白)与杆状体细胞和锥状体细胞不同，为Melanopsin(由Opn4基因编码的蛋白质)，同时它还接收到位于视网膜外层的杆状体细胞和锥状体细胞的信号[37]，其中在暗视觉条件下，ipRGC传递信号主要是来自于杆状体细胞，而在明视觉条件下，ipRGC传递的信号则是锥状体细胞和Melanopsin感光信号的组合[38]。ipRGC的发现给研究视觉适应提供了一个全新的机遇。

2.1 基于ipRGC的视觉适应调节

视觉系统主要是通过调整瞳孔大小，光化学适应以及神经系统适应来实现对不同视觉环境的适应[39]。对于环境的适应是建立在对于环境亮度的准确感知，视网膜感光细胞的信号被看作是人的亮度适应的重要信息来源,长期以来的研究都是假设锥状体细胞和杆状体细胞起到环境绝对亮度感知的作用[40]。然而由于杆状体细胞和锥状体细胞需要能够快速而准确地识别环境的对比，它们需要根据环境亮度调节其敏感度，因此它们感知的是相对亮度，而不是环境的绝对亮度[41]。Barlow 和 Levick[42]在1969年发现猫的视网膜上存在一种分子可以起到亮度编码作用，即它的放电强度随着照射强度的增加而单调增加。而这也正是ipRGC的melanopsin与视网膜上其他感光细胞的最大差别。在连续照射条件下，它可以在较长时间内产生稳定的感光信号，从而准确地反映环境亮度水平[43-48]。

而ipRGC信号可以传递至多巴胺无长突神经细胞则为视觉系统的亮度适应提供了重要基础[49]。因此，ipRGC具有类似相机上的曝光表的作用，从而根据环境亮度条件决定视觉通道的适应状态[50,51]。而这些研究也被Berman和Clear[52]的研究所支持，并可以很好地解释相同照度条件下高色温光源会比低色温光源的视亮度更高等相关研究结果[53,54]。

2.2 ipRGC对于瞳孔光反射的影响

相关研究证明适应亮度是瞳孔光反射(Pupil Light Reflex，PLR)调节的主要诱因，即瞳孔的大小与人眼的适应亮度相关[55]。长期以来，人们一直认为视网膜上仅有杆状体细胞(rod)和锥状体细胞(cone)两种感光细胞能够将光信号转变为电信号，并通过视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells)将视觉信息传递至RGC轴突投射对应的大脑区域，从而实现对瞳孔光反射的调节[56]。瞳孔光反射发生过程[57]如图2所示。

图2 瞳孔光反射发生过程图[57]Fig.2 Light reflection process of pupil

ipRGC通过视网膜节细胞下丘脑束(RHT)投射到大脑区域包括SCN、橄榄顶盖前核(olivary pretectal nucleus，OPN)等区域[58,59]，其中OPN对于双侧的瞳孔直径具有交感的调节作用，因此，来自杆状体细胞、锥状体细胞以及ipRGC上的Melanopsin的感光信号都将通过ipRGC传递到OPN，从而起到对瞳孔直径的调节作用[60]。而不同来源的信号对于瞳孔光反射的影响大小主要取决于光照水平的强度、光谱以及时长，当环境亮度发生突然变化后，瞳孔所做出的快速反应主要是由杆状体细胞和(或)锥状体细胞产生信号控制；在瞳孔快速收缩后，瞳孔将逐步放大，如果此时的光照强度已经超过melanopsin的阈限，则melanopsin将参与瞳孔直径调解，并确保瞳孔直径在光照条件不变情况下将保持稳定状态；而当灯光突然关闭且关闭前光照强度超过melanopsin的阈限，由于melanopsin的影响，瞳孔的大小将被保持数秒，称为照射后瞳孔反应(post illumination pupil response,PIPR)[61]。

长期以来人们关于瞳孔光反射的研究均支持其与环境适应亮度高度相关，特别是非视觉系统的研究更是证明瞳孔光反射与人的视觉适应调节共享相同的感知信号通路，且同样通过自主神经系统控制调节，具有较强的可靠性和稳定性，因此可以使用稳态瞳孔直径作为人的视觉适应的重要表征指标。这也从神经生理学角度为瞳孔直径与适应亮度的相关性提供了理论依据。

3 总结

鉴于ipRGC对人的亮度适应的重要作用，ipRGC的特性对于人眼的适应就具有重要的影响，其影响可能包括以下两个方面：

1)ipRGC在视网膜上分布的不均匀，多个研究表明下半部分的视网膜对于褪黑激素抑制等非视觉效应更加有效，因此，当光线来自上半部视野时产生的ipRGC信号会更强[62-64]。同时考虑到不同环境条件下人的视野的变化影响(如表2所示)，因此空间亮度分布对于人的适应亮度具有重要的影响。

表2 不同照明条件下的典型视场Table 2 Typical view field under various lighting conditions

2)ipRGC的光谱响应特性，长期以来关于瞳孔光反射的研究都是基于明视觉照度或亮度作为控制变量，然而控制稳态条件下瞳孔大小的ipRGC光谱响应曲线与V(λ)曲线具有显著差别，且不同使用环境条件下ipRGC的melanopsin产生的信号和ipRGC接收相连接的锥状体细胞、杆状体细胞信号的影响仍然未知[65,66]，因此光谱分布对于人的适应亮度同样具有重要的影响。

当前主要不舒适眩光评价方法中所采用环境平均亮度作为人眼适应亮度的评价方法，并未考虑环境亮度分布和光谱分布两个因素影响，因此无法准确预测人的亮度适应状态，文献[67]中已经进一步证明了这一问题。因此当前亟需进一步深入开展亮度分布和光谱等因素对于人眼适应状态影响研究，从而真正解决照明领域这一悬而未决的关键问题。其研究成果对于确定不舒适眩光的生理、心理机制，完善评价方法，指导照明产品优化光谱和光学，开展健康照明设计实践具有十分重要的技术支撑作用。