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从照明环境的视觉舒适性谈起 2012/8/28 14:02:09
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从照明环境的视觉舒适性谈起

陈超中 施晓红

[上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)上海时代之光照明电器检测有限公司 上海 201114]

Talking about from visual comfort of lighting environment

Chen Chaozhong, Shi Xiaohong

Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research (SQI), China National Luminaire Supervision Testing Center (CLTC), National Center of Supervision &Inspection on Electric Light Source Quality (Shanghai), Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.SALT, Shanghai, 201114

     摘  要:紧张的生活节奏唤起了人们对照明环境的关注。文章认为防眩光、适宜的亮度比等是视觉舒适性的基本要素,应是办公室等各类环境照明的基本考虑,而具有上射光线、足够的功率、基本的高度和合理的摆放位置等等则是读写台灯提供舒适照明环境的要件。

     关键词眩光;亮度比;读写照明;办公室照明;教室照明

                                      Abstract: Tensional rhythmic life calls the attention for lighting environment. The article considers that glare prevention, suitable brightness ratio and so on is the basic factor of visual comfort, it is applicable to office and many kinds of environment lighting design. Upward light-output ratio, sufficient wattage, fundamental height and reasonable position etc. is important for table lamps for paper task providing visual comfort.
 

         Key wordsglarebrightness ratio, paper task lighting, office lighting, classroom lighting

      随着人们对视力保护的越来越重视,市场“护眼台灯”应运而生,老百姓十分关注“护眼台灯”底护不护眼?怎样才能保护视力?涉及家庭、办公室的读写作业,随着计算机的普及,计算机屏幕前的读写作业,与传统的读写作业相比,显示屏可能带来新的视觉问题。教室读写作业照明的好坏也成为社会大众关注的热点。

      一、视觉舒适性的要素

      1.避免眩光

      建立舒适的照明环境要避免各种眩光。产生眩光的有两种原因:亮度太高或亮度比太高。

      -亮度太高

      最常见的是充足的阳光带来的太多的光,观察者眯眼、眨眼或远看是对这种太多光的简单避光响应,而对此问题最适当的解决方案包括减少视网膜亮度,如用戴一顶边沿帽,对视场的明亮部分作遮挡处理;如戴墨镜,以降低整个视场的亮度。

      -亮度比太大

      在视觉环境的亮度范围太大的话,会产生眩光,降低视觉功能。

      2.亮度限制

      对使用直接照明灯具的设计来说,专门的亮度值限制是重要的。图1所示的几何关系说明VDT照明的眩光区域。

图1 取决于眼睛-屏幕的几何关系,眩光区域可能位于天花板平面、墙或隔断。屏幕的弯曲可能放大或改变眩光区域的位置

      描述特定角度灯具的亮度是一个计算值,它被称作平均亮度。由于有些屏幕提供空间宽角度的反射,在敞开式平面布置的环境,许多灯具可能在眩光区域,当纵向、横向或45°观察灯具时,应限制平均亮度。且通常以5°或者10°的增量提供。由光度实验室测定给定角度的光强和在此角度灯具的投射表面积。不同大小灯具的亮度值不同,即使在特定角度的实际光强是相同的。1给出了特定角度下的平均亮度的优选推荐值和最大值。以VDT(视频显示终端)作业为主的办公室应使用优选推荐值,它为光幕反射或反射眩光提供了最低的可能性。最大值为VDT上的光幕反射或反射眩光提供了较大的可能性,它适用于仅偶尔进行VDT作业、并且不是主要视觉任务的办公室。表1中的垂直角度如图2所示。

表1 VDT环境直接照明的灯具用优先推荐的和最大平均亮度

离垂直的角度(°)

平均亮度(cd/m2

优选值

最大值

55

850

65

350

850

75

175

350

≥85

175

175

注:亮度测量沿着纵向、横向或45°水平面。

图2 亮度限制角度

      3.适宜的亮度比

      邻近VDT屏幕的纸作业,在推荐的照度与亮度比之间,可能产生矛盾。

      照到反射率为80%白色背景纸的照度750lx,产生约200cd/m2的亮度水平。如果VDT的平均亮度为50cd/m2,纸作业为4倍亮度。纸作业与邻近的VDT屏幕之间超过了推荐的3:1亮度比。如果纸作业包括印刷字体小或反差小,以较高的亮度水平取代的话,推荐的亮度比是可以超过的。相反,如果在屏幕上不能避免高亮度的反射的话,亮度水平应该减少。

      视觉舒适性主要是亮度比决定的。舒适的亮度比取决于物体间(如纸作业面和放置纸的桌面)的亮度差。在高关注工作区域或安全是重要的区域,相对于邻近的背景表面的作业面的亮度比通常是小的(3:1或更小)。对于短时间工作或偶尔或速度缓慢的短暂的情况,人们容许的亮度比高得多(40:1或更大)。

      作业-背景亮度比取决于正常的作业面与背景工作面之间的亮度差。对于长期的纸面工作并改善视觉疲劳,中等-亮的色调的亚光工作面(如图3所示)能提供柔软、舒适的背景。

   

图3作业面与背景较小的亮度比       图4作业面与背景较大的亮度比

      黑暗的工作面,第一印象引人注目,纸作业面与工作表面的背景之间形成强烈地亮度比。长期纸面工作很可能会视觉疲劳(如图4所示)。

      有光泽的工作面将灯具、天花板和墙的亮度反射回使用者,可能产生光幕反射,反射眩光会使人分心讨厌(如图5所示)。

图5 有光泽的工作面可产生光幕反射

      亮度比是一个区域相对另一区域的平均亮度在普通的视觉作业和工作场景中,如果需要准确、及时和舒适的完成工作的话,应限制作业面相对其背景的亮度比。表2给出了不同应用的适宜亮度比。

表2 推荐默认的亮度比

感兴趣的区域

最大的

亮度比

纸作业面与

VDT屏幕之比

纸作业面与VDT的负极屏幕之比

3:1

纸作业面与VDT的正极屏幕之比

1:3

作业面与邻近背景表面之比

3:1

作业面与远背景之比

作业面与较暗的远背景之比

10:1

作业面与较亮的远背景之比

1:10

注:正极屏幕见图6。负极屏幕见图7

         

图6 正极屏幕                       图7 负极屏幕

      二、读写作业照明的舒适性

      (一)家庭读写作业照明环境及对策

      1. 家庭读写作业照明环境

首先,有一个作业面的面积要求,IESNA规定此面积为360mm×310mm(如图8所示)。也就是说,台灯需要照亮这块面积。

图8 家庭读写作业面的照亮面积示意图

       家庭读写作业视觉任务包括阅读VDT屏幕、键盘上的键和字符、以及纸上书写的或印刷的信息,另外,可能还需阅读打印机和传真机的设定状态。对于偶尔阅读来说,速度和准确度可能是不重要的,但当持续性地阅读时,它们却是重要的。物品表面(除屏幕外)的反射率为30%-70%

当键盘是接近水平面时,终端屏幕通常是直立的,接近垂直面。纸的作业面可以在从水平到垂直的任何面上。打印机和传真状态设定通常接近水平面。

       应限制终端屏幕、纸的作业面、设备和周围表面的亮度比。应控制灯具、天花板和窗的亮度,以避免其在屏幕上的反光和设备的定向反射面。推荐的亮度比如表2所示。

       家庭中与读写作业相关的通常的灯具位置:

       a)对书面作业和键盘作业,使用台灯或落地灯。

       b)对周围和作业照明,在桌子的前面或侧面使用直接照明/间接照明的壁灯。

       c)低亮度天花板安装式灯具。

       2.有利于保护视力台灯要素及其摆放位置

       要素1:应有相当数量的上射光线,上射光线照明四周的环境(如图9所示)。以免造成亮的太亮,暗的太暗,应形成亮暗的平缓过渡,以利于视觉舒适性,不宜产生视觉疲劳。

图9 台灯的光线分布示意图

       要素2:在作业面上应有满足照度要求的光通量和相应的光分布。

       -有一定的照度要求

       对于长期读写和困难作业,IESNA(北美照明学会)规定:主要作业面的照度应至少达到500lx,主要作业面最大照度与最小照度之比不大于3,次要作业面的照度应达到1/2主要作业面的值,且不小200 lx

       -灯具的功率不能太低;

       -照亮一定的面积。

       IESNA规定主要作业面的面积是360 mm X310mm

       要素3:台灯的侧面应透光(如图9所示)。形成亮暗的平缓过渡。从任何正常使用和坐着的位置上看灯具表面的亮度在510 cd/m2170cd/m2之间。台灯侧面不透光的例子见图10,透光的例子见图11

         

图10 台灯侧面不透光的例子              图11 台灯侧面透光的例子

       要素4:台灯高度应>40cm,最好可调。VDT作业用的台灯高度应在50cm或以上,才能得到一个较为明亮的光环境。图12表明,当台灯高度为40cm时,视觉范围内的暗区较为明显,感觉较为不舒服。图13表明,当台灯高度为60cm时,视觉范围内的暗区较为不明显,感觉较为舒服。

          

图12 高度40cm时视觉环境较暗           图13 高度60cm时视觉环境较亮

       台灯的摆放位置,应注意不能放在人的正前方,以免在纸上产生反射眩光(台灯位于正前方的摆放位置的例子见图14)。台灯的摆放位置还应注意避开手的遮影(如右手写字,台灯宜放在左侧,见图15)。

       桌面采用反射比在30%-70%的淡色无光泽材料的制成(桌子不宜用黑色或深色且不宜有光泽)。

图14 台灯位于正前方的摆放位置的例子

    

图15 台灯的摆放位置避开手的遮影的举例

       (二)办公室读写作业照明环境及对策

图16 VDT工作站推荐的最大亮度比

(各表面之间用线条连接的数值表示推荐的最大亮度比)

       VDT是当下办公室的主要元素,也是设计团队面临特殊的问题。在创建成功的照明设计的时候,就必然的视场亮度而言,必须控制直接眩光和反射眩光。

       (1)办公室读写作业照明环境

       -VDT屏幕的倾斜是重要的。

       离观察者的角度范围从垂直到与垂直成45°。许多VDT提供垂直调节,因此,角度可能是不固定的。人机工程学通常推荐建议倾斜角度离垂直5°至15°,这值似乎形成了相当地共识。沿着眼睛高度与屏幕高度的倾斜角度,确定了几何图形和可产生反射眩光亮度区域的位置。

       -VDT屏幕的位置是重要的。

       对敞开式平面布置的办公室,应假定VDT可放置在空间内的任何地方,照明条件超出规定的工作站,可能影响VDT屏幕的能见度。板和隔断可减轻屏幕反光。屏幕前方的隔断可限制来自灯具和窗的直接眩光。窗是最难处理的问题。窗帘百叶窗总是需要的,屏幕的方向垂直于窗可限制反射眩光和光幕反射。在单人办公室内,天花板灯具通常直接在头顶上,以正常的观察角度,很少可能产生直接和反射眩光。

       -VDT屏幕的特性也是重要的。

       屏幕可以显示正对比字符(暗背景上的亮字母)或负对比字符(亮背景上的暗字母)。后者对光幕反射最小化是更好的。屏幕表面可以是镜面或者是漫射面。后者对减少反射眩光好得多,事实上,最现代的屏幕使用漫反射屏幕。表面还可以具有不同的形状。凸的宽角度的屏幕更可能反射来自窗和灯具的光,产生反射眩光。

       (2)舒适照明的对策

       -保持相对低的一般照明

       在有VDT屏幕的办公室内,特别是在敞开式平面布置的环境,保持相对低的一般照明是适当的。低的照度水平减少低亮度的反射,因此,对屏幕对比度的影响较小。水平工作面的平均维持照度水平应不超过500lx。尽管在VDT占支配地位时照度不应超过该值,但如果反射的影像亮度仍然高的话,提供更低的照度水平可能是适当的。窗可能是与反射亮度有关的一个专门的问题。如果进行纸的作业要求更高照度的话,对于作业照明的质量应特别予以关注。视场内的其他亮度不应超过推荐的为办公环境设立的亮度比(图16)。

       -保持适宜的亮度比

       VDT视觉作业以另一种非常重要的方式不同于传统的纸作业。然而,通常完成纸作业是在水平作业上向下看,通常完成VDT视觉作业是以平视屏幕的位置。正因为如此,在大的敞开式平面布置的办公室,天花板重要的一部分可能在视场范围内。鉴于此原因,限制天花板的亮度是重要的。来自间接照明的天花板的亮度还可能产生问题。最大的天花板的亮度不应超过VDT屏幕亮度的10倍,只要标准的亮度比保持住(图17)。窗再次可能是专门的问题,对直接照明灯具视觉舒适度的概率计算可提供有用的信息,但实际上,在特定角度处灯具的平均亮度值更有用。

图17 观看VDT通常需接近水平线观察,天花板大区域在周围视觉范围内

       (三)教室读写作业照明环境与对策

       1. 教室读写作业照明环境

       在通常的视场内,各种表面的亮度必须保持在允许的限值范围内。当眼睛注视在作业面上时,建立适应水平。当眼睛从一个亮度(如一本书)移到另一个亮度(黑板),必须适应新的水平。如果两个水平之间的差异大的话,对于眼睛调节到新情形需要一段时间,它可能需要建立新的适应。如果相差是很大的话,可能要承受不舒适和疲劳。

       在整个视场范围提供低亮度比的一般方法是限制灯具与窗户的亮度,增加教室内各内部表面的亮度。增加表面亮度的两种途径是:增加表面的反射率以及增加照在表面上光的数量。

       2. 对策

       为了良好的视觉性能和舒适性,通常直接观看的任何表面的亮度不应大于作业面亮度的5倍(图18)。无论其在房间中的位置,应没有大的区域的亮度小于作业面亮度的1/3。根据视觉舒适性和性能,直接邻近视觉作业面的表面亮度比视觉周边的更远表面的亮度更关键。直接邻近视觉作业面(如课桌)的表面的亮度不应超过作业面亮度,但应至少有作业面亮度的1/3。在视觉周边,邻近表面之间亮度差应保持尽可能小。

图18 教室中重要表面的亮度与视觉作业的亮度不应相差太大。作业面周边的直接表面的亮度应小于作业面亮度,但不小于作业面亮度的1/3。重要表面的最低亮度不应小于作业面亮度的1/3。最高亮度不应大于作业面亮度的5倍。

       三、总结

       提供视觉舒适的照明环境是重要的。主要作业面与背景的亮度比对于提供视觉舒适的照明环境是至关重要的。无论是家庭、办公室,还是教室,应关注主要作业面与背景的亮度比。

       四、参考文献

       [1] THE IESNA LIGHTING HANDBOOK,NINTH EDITION & TENTH EDITION.

       [2] 章海骢.保护视力的台灯的探讨”PPT. 

       [3] 陈超中,韩  冰.“关注教室黑板与课桌面亮度比”,《照明工程学报》2012年第2期.

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