室內照明燈具統一眩光指數 (UGR) 之研究與分析

室內照明燈具統一眩光指數 (UGR) 之研究與分析

張琪芬* 王泰元 劉芩相

財團法人臺灣電子檢驗中心電子技術試驗部

摘 要

LED產業的蓬勃發展，不僅帶動 LED 發光效率的快速提升，亦使得 LED 的使用率普遍至各個家庭。然而，LED 燈高亮度及高指向性之行為相較傳統常 用的日光燈與省電燈泡，LED 燈更易造成眩光 (glare) 之問題，這對照明品質 上是具有非常重要之影響。長久以來，對於照明品質非常重視，不僅要求空間 照度充足，還要空間照度分配均勻，才不會導致眩光及配光均勻度差異太大，

造成空間舒適度下降。嚴重的眩光會使得人眼產生視覺疲勞，而無法適應光亮 之感覺，更可能引起厭惡、不舒服，喪失明視度。

室內照明對於人眼之交互作用來說有直接之影響，無論是在辦公場合、學 校教室或居家環境內，燈具所造成的光空間分布與統一眩光指數 (unified glare rating, UGR) 之大小皆會影響到人眼上之感受。論文內容是以測試樣品之燈具 類型包含燈泡、燈管、格柵燈及投光燈等室內照明燈具，比較與分析各類型之 室內照明燈具之配光曲線圖及統一眩光指數 (unified glare rating, UGR) 之結 果，並探討各燈具之間的差異性，其具有實用價值之意義。

關鍵詞：LED，眩光，配光曲線圖，統一眩光指數 (UGR)。

RESEARCH AND ANALYSIS OF THE UNIFIED GLARE RATING (UGR) OF INDOOR LIGHTING

Chi-Fen Chang* Tai-Yuan Wang Chin-Hsiang Liu

Electronics Testing Center Taiwan Electronics Testing Department

Taoyuan County, Taiwan 333, R.O.C.

Key Words: LED, glare, goinphotometer curve diagram, unified glare rating (UGR).

ABSTRACT

The rapid development of the LED industry has not only led to a rapid increase in the efficiency of LED luminance, but has also contributed to the prevalence of LED usage in households. However, due to the high brightness and high-directivity properties of LED lights compared to conventional fluorescent lights and energy-saving bulbs, LED lights are more prone to glare, a feature that has a major impact on quality of lighting.

Quality of lighting has long been a focus of concern as not only adequate

*通訊作者：張琪芬，e-mail: nancy@etc.org.tw

Corresponding author: Chi-Fen Chang, e-mail: nancy@etc.org.tw

spatial illumination, but also uniform distribution are needed in order to prevent disparities between glare and lighting uniformity, which in turn results in diminished spatial comfort. Severe glare will cause fatigue of the human eye, creating an inability to adapt to light, or even causing discomfort and loss of luminance.

Indoor lighting has a direct impact on the way the human eye interacts.

Whether in an office, a school classroom, or a home environment, lighting-driven spatial distribution and Unified Glare Rating size has an impact on perception of the human eye. The contents of this paper include test samples of lighting types, including bulbs, light tubes, grilles, and spotlights, and other indoor lighting. The results of the various types of indoor lighting, a goinphotometer curve diagram, and the UGR were compared and analyzed. Additionally, differences between lighting types and the significance of their practical values were explored.

一、前 言

隨著照明市場的趨勢帶動，LED 照明產業逐漸地受到 重視，近年來，各個國家不僅對節能減碳有積極的正面態 度，對白熾燈產品的停產和禁用計劃，也以政策性的對策 來支持，使得 LED 照明應用領域逐漸有更好的發展機遇。

LED之高效率發光具有節能的益處，相較於傳統燈源並沒 有汞汙染與其他汙染等問題，因此，LED 擁有取代各種照 明燈具之趨勢，進而成為未來全面化的照明基礎。

然而，LED 燈源的光學特性相較於傳統燈具卻不一定 都是有益無害的，由於不同的新型燈源與燈具，對於與人 因之間的交互作用必定與傳統燈源有所不同，其中，由 LED燈源所引起的眩光感受則是其中之一。強烈眩光的感 受，係因 LED 燈源於高流明輸出下的發光面積相較傳統 燈源小許多，使得此種燈源在照明空間中造成的環境輝度 比對懸殊，當此高亮度的光源在人眼視野範圍出現時，在 眼內散射的結果會導致人眼對目標物的影像對比度降 低，故會造成所謂的「失能眩光 (disability glare)」，而其 引起不舒適的感覺，則稱為「不舒適眩光 (discomfort glare)」[1]。

二、研究目的

隨著照明產業的快速發展，LED 燈具也逐漸地取代傳 統燈具。長久以來，大眾對於照明品質非常重視，不僅要 求空間照度充足，還要空間照度分配均勻，才不會導致於 眩光及配光均勻度差異太大，而造成空間舒適度下降。一 般來說，造成人眼感到不舒服之光線均稱為眩光 (glare)，

眩光分為三種情況：直接眩光、反射眩光與背景眩光。直 接眩光是造成眩光最主要之原因，是來自光源直接入射眼 睛所造成的現象，而人眼的直接眩光區為自垂直面 45 度~

80度之間[2]。

室內照明對於人眼之交互作用來說有直接之影響，無 論是在辦公場合、居家環境或學校教室內，燈具所造成的

表一 燈具類型

燈具類型 光源類型 型號

燈泡 LED/SMD 4.5W-5000K 燈泡 螢光燈 (FL) 1-5-PHILIPS

(SLED)

燈泡 (白熾燈) 鎢絲 200W

4” T8燈管 LED/SMD T8 LED

4” T8燈管 螢光燈 (FL) T8 FL 2” × 2”平板燈 LED/SMD 903-HB384-30W 2” × 2”格柵燈 螢光燈 (FL) T8 3 PCS TUBE 2” × 4”格柵燈 LED/ SMD T8 LED Panel

Light-3 PCS 2” × 4”格柵燈 螢光燈 (FL) T8 FL Panel Light-3 PCS 投光燈 LED/High

Power LED

EAGLE-OPL035 series 投光燈 LED/COB FA060C-001,002

光空間分布與統一眩光指數 (unified glare rating, UGR) 之 大小皆會影響到人眼上之感受。眩光指數 (UGR) 的範圍 約在 10~30 之間，大多數照明系統所產出的值都會落在這 範圍內，數值高代表具有顯著的令人不適眩光，而數值低 則代表不太會造成不舒適的眩光，具有 UGR 值低於 10 的 照明系統，可被認為不會產生不舒適感，且已歸類為全球 通用的 UGR < 10 之標準值[3, 4]。

本實驗測試樣品之燈具類型包含燈泡、燈管、格柵燈 及投光燈等室內照明燈具，比較與分析各類型燈具之配光 曲線圖及統一眩光指數 (unified glare rating, UGR) 之結 果，並探討各燈具之間的差異性。

1. 燈具類型與燈具規格

本實驗測試之燈具類型如表一所示，燈具規格則如表 二所示。測試之燈具包含傳統式燈源之燈具與 LED 燈源之 燈具。

表二 燈具規格

燈具類型 光源類型 電壓 瓦數 燈泡 LED/SMD 100 Vac 4.5 W 燈泡 螢光燈 (FL) 120 Vac 17 W 燈泡 (白熾燈) 鎢絲 120 Vac 210 W

4” T8燈管 LED/SMD 220 Vac 20 W 4” T8燈管 螢光燈 (FL) 220 Vac 42 W 2” × 2”平板燈 LED/SMD 110 Vac 40 W 2” × 2”格柵燈 螢光燈 (FL) 220 Vac 42 W 2” × 4”格柵燈 LED/SMD 220 Vac 60 W 2” × 4”格柵燈 螢光燈 (FL) 220 Vac 126 W

投光燈 LED/High

Power LED 110 Vac 35 W 投光燈 LED/COB 110 Vac 60 W

表三 儀器規格

儀器名稱 廠牌型號

High Speed Moving Mirror Goniophotometer

LIGHTING SCIENCES Inc./# 6440

Standard Lamps LIGHTING SCIENCES 95A/95B/95C Digital Power Meter YOKOGAWA/WT210

AC Power Source ELGAR/CW1251

2. 設備環境與系統架置

標準檢驗局與臺灣電子檢驗中心合作設置「LED 照明 系統檢測驗證平台」中心實驗室為此測試之實驗室，配光 曲線儀為 Lighting Sciences Inc. (LSI) 高速鏡面旋轉配光曲 線儀 (High Speed Moving Mirror Goniophotometer，型號：

# 6440)，並符合 IESNA LM-79 及 IESNA LM-75 Type C Goniophotometer型式之要求。被測光源或燈具懸置於配光 曲線儀的旋轉中心並保持靜止狀態，在實驗中，確保被測 光源或燈具處於穩定狀態後進行測試。

儀設周圍室溫為 25±1°C，相對濕度小於 65% RH 條件 下進行測試[5]。將待測樣品以發光面朝下方式進行量測，

量測前需先點燈 1 hr，以確定待測樣品特性達到穩定程 度。其他相關儀器規格如表三所示。

三、研究背景

1. CGI眩光指數定義及原理

根據 CIE 55-1983、CIE119-1955 定義出室內照明燈具 之不舒適眩光指數 CGI (CIE Glare Index, CGI) [3, 4, 6]：

d 2

2

d i

1 E CGI 8 log 2 * 500* L

E E P

 + 

 ω

=  +

∑

表四 不舒適眩光主觀效應[6]

眩光等級 眩光效應評判標準 眩光指數

A Just intolerable 28

B Just uncomfortable 22

C Just acceptable 16

D Just perceptible 8

E_d：在人眼上所造成的直射垂直照度 (Direct Vertical Illuminance，lx)

Ei： 在 人 眼 上 所 造 成 的 非 直 射 照 度 (Indirect Illuminance，lx)

L：單一燈具在人眼的視線端之亮度值 (Luminance，

nit)

ω：單一燈具在人眼所形成的立體角 (Solid Angle) P：單一燈具的 Guth 位置指數 (Guth Position Index) 其中 Guth 位置指數與燈具及人眼的位置有關。

此結果與英國眩光指數 BGI (british glare index) 的計 算結果相當接近，因此，可以用與 BGI 相同的評價尺度來 說明不舒適眩光的主觀效應，如表四所示[7]。

2. UGR眩光指數定義及原理

CIE 117-1995中也定義了另一個不舒適的眩光指數，

稱為統一眩光指數 UGR (Unified Glare Rating, UGR) [1, 2, 7, 8]：

2

2 b

0.25 L

* UGR 8 log

L P

 ω

=  



∑

Lb：環境的背景亮度 (Luminance，nit)

L：單一燈具在人眼的視線端之亮度值 (Luminance，

nit)

ω：單一燈具在人眼所形成的立體角 (Solid Angle) P：單一燈具的 Guth 位置指數 (Guth Position Index) Guth位置指數與 CGI 不舒適眩光指數的定義相同，在 CIE 117-1995 中說明位置函數 (position index) 可由查表 得知。

UGR公式產出一份眩光評分量表，這項評分量表是一 項心理性的參數，目的在對含有光源的視覺環境量測任何 不利的主觀不適反應。這份眩光評分量表是間距量表，透 過這份量表，數字間的差異代表了在心理上所感受到的 值，在間距量表中，只有在量表值之間的差異才是有意義 的[4]。統一眩光等級 (UGR 法)，可用以評估完整照明系 統的眩光特性[6]。

(一) 相關測試依據規範

(1) 依據「IESNA LM-79-08 Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products」規範 中所提到的配光曲線儀量測方式來進行測試[5]。

圖1 燈泡/LED/SMD/4.5 W-5000 K

圖2 燈泡/螢光燈 (FL)/1-5-PHILIPS (SLED)

圖3 燈泡 (白熾燈)/鎢絲/200 W

(2) 依據節能標章「室內照明燈具節能標章能源效率基 準及標示方法」中的統一眩光指數 (unified glare rating, UGR) 測試條件及方法進行量測[9] 。 (二) 相關模擬軟體

統一眩光指數 (UGR) 之模擬是利用 DIALux 4.8 版以 上軟體所模擬，將測角光度計所量測出的 IES 檔 (.ies) 帶入 DIALux 軟體中，模擬出統一眩光指數 (UGR) 之 值。

圖4 4” T8燈管/LED/SMD/T8 LED

圖5 4” T8燈管/螢光燈 (FL)/T8 FL

圖6 2” × 2”平板燈/LED/SMD/903-HB384-30 W

四、實驗數據分析

本測試結果以光分佈曲線圖與統一眩光指數 (UGR) 進行分析，藉由測試結果，來比較 LED 燈具與傳統燈具之 間的差異。

1. 光分佈曲線圖

光分佈曲線圖之圖形為使用 OxyTech LITESTAR 10

圖7 2” × 2”格柵燈/螢光燈 (FL)/T8 3 PCS TUBE

圖 8 2” × 4”格柵燈/LED/SMD/T8 LED Panel Light-3 PCS

圖9 2” × 4” 格柵燈/螢光燈 (FL)/T8 FL Panel Light-3 PCS

軟體繪製而成，數據來源為各燈具之 Lighting Sciences, Inc.

Goniophotometer ies file.。如圖 1~11 所示。

2. 發光效率與統一眩光指數 (UGR)

依據節能標章「室內照明燈具節能標章能源效率基準 及標示方法」中的統一眩光指數 (UGR) 測試條件及方法 進行量測[9]。

圖10 投光燈/LED/High Power LED/EAGLE-OPL035 Series

圖11 投光燈/LED/COB/FA060C-001, 002

依規定統一眩光指數 (UGR) 測試條件及方法應符合

「CIE 117」規範內容要求，且 UGR 環境條件使用係數如 下：

a. 天花板反射係數 (ceiling reflectance)：0.3 b. 牆面反射係數 (wall reflectance)：0.3 c. 地面反射係數 (floor cavity reflectance)：0.2 d. 室內長寬尺寸 (room dimension)：4H：3H (其中 H 為室內高度)

從表五中可得知，燈泡的統一眩光指數比其他燈具類 型的統一眩光指數來的高，原因是因為燈泡外型為發散式 的投射方式，因此，並沒有受到燈具角度的限制，所以部 份的發光方向會向水平面上方投射，當發光方向若超過人 眼所能接受的角度之外時，其統一眩光指數 (UGR) 就會 增加。其中，燈源類型中又以 LED 光源之燈泡的統一眩光 指數最高，這是因為 LED 燈泡的發光效率較其他兩者燈泡 較高之原因，在每單位面積下若承受高流明亮度的光線 時，亦會產生眩光的情況發生。

單支 T8 燈管與 T8 格柵燈燈具 (T8 TUBE：3 PCS) 測 試結果得知，單支 T8 燈管的發光效率較高，但統一眩光 指數 (UGR) 亦較高，這是因為單支 T8 燈管不如整組燈具 的發光面來的平均，燈具發光面可利用二次反射進行調

表五 發光效率與統一眩光指數之測試數據 統一眩光指數 燈具類型 光源類型 發光 UGR

效率

(lm/W) 橫向觀

察方向 縱向觀 察方向 燈泡 LED/SMD 68.1 34.5 36.5 燈泡 螢光燈 (FL) 52.1 26.5 30.5 燈泡 (白熾燈) 鎢絲 14.8 30.1 34.0

4” T8燈管 LED/SMD 80.8 23.9 24.7 4” T8燈管 螢光燈 (FL) 36.7 25.9 28.2 2” × 2”平板燈 LED/SMD 62.0 17.0 18.5 2” × 2”格柵燈 螢光燈 (FL) 60.6 19.7 21.5 2” × 4”格柵燈 LED/SMD 73.4 17.7 19.1 2” × 4”格柵燈 螢光燈 (FL) 32.6 17.1 18.5

投光燈 LED/High

PowerLED 80.5 18.2 15.9 投光燈 LED/COB 59.3 25.5 24.5

整，故可降低眩光產生；且從表五中可以看出 2” × 2”格柵燈 與 4” × 2”格柵燈，其統一眩光指數 (UGR) 差異並不大，

反而是光源的不同，而造成配光曲線的光分佈不同，從圖 中可以看出，當光源為螢光燈 (FL) 時，此燈具之配光曲 線圖中 90°–270°之軸向會呈現蝴蝶翼的形狀分布，而 LED 光源之燈具則不會有此形狀分布之呈現。

2” × 2”平板燈，採用 LED 模組做為光源 (非 LED T8 TUBE)，因 LED 模組平貼於燈具上，故沒有隔柵角度之問 題，故統一眩光指數 (UGR) 較低，因此，較易通過室內 燈具節能標章之要求。

投光燈燈具之燈源採用高功率 LED (high power LED) 並搭配二次光學透鏡後，能有效地將光線集中投射，當兩邊 光線投射的機會減少時，眩光的情況亦會減少發生；而當光 源為 COB (chip on board) 時，因 COB 為一平面光源，故光 分佈曲線面積較大，故產生眩光的機會也會相對地增加。

五、結 論

1. 燈泡的統一眩光指數 (UGR) 比其他燈具類型的統一眩 光指數來的高，原因是因為燈泡外型為發散式的投射方 式，因此，並沒有受到燈具角度的限制，所以部份的發 光方向會向水平面上方投射而形成眩光。

2. 單支 T8 燈管的發光效率較高，但統一眩光指數 (UGR) 亦較高，這是因為單支 T8 燈管不如整組燈具的發光面 來的平均。

3. 2” × 2”格柵燈與 4” × 2”格柵燈，其統一眩光指數差異並 不大，反而是光源的不同，而造成造成配光曲線的光分 佈不同。

4. 2” × 2”平板燈，採用 LED 模組做為光源，因 LED 模組 平貼於燈具上，故沒有角度之問題，所以統一眩光指數 (UGR) 較低。

5. 投光燈燈具之燈源採用高功率 LED 並搭配二次光學透 鏡後，能有效地將光線集中投射，當兩邊光線投射的機 會減少時，眩光的情況亦會減少發生。

誌 謝

本研究感謝經濟部標準檢驗局「建置 LED 室內外照明 系統及冷凍空調與新興冷媒標準檢測驗證平台」計劃支持 與協助，使本中心實驗室得以順利進行測試，特此致上感 謝之意。

符號索引

CGI 不舒適眩光指數

E_d 在人眼上所造成的直射垂直照度(Direct Vertical Illuminance，lx)

E_i 在 人 眼 上 所 造 成 的 非 直 射 照 度 (Indirect Illuminance，lx)

L 單一燈具在人眼的視線端之亮度值(Luminance，

nit)

L_b 環境的背景亮度(Luminance，nit)

P 單一燈具的 Guth 位置指數(Guth Position Index) UGR 統一眩光指數

ω 單一燈具在人眼所形成的立體角 (Solid Angle) Σ 總和，summation

log 指數對數

參考文獻

1. 孫慶成，「白光 LED 室內照明不舒適眩光之評價建議」，

財團法人臺灣電子檢驗中心合作研究計畫書 (2012)。

2. 百度科學，眩光，http://baike.baidu.com/view/177014.htm#2 3. International Commission on Illumination., Discomfort Glare in Interior Lighting, Commission Internationale de l'Éclairage, (1995).

4. 國際照明委員會，「內部裝潢照明刺眼 (令人不舒適) 的 眩光－技術報告」，第 1-35 頁 (1995)。

5. Illuminating Engineering Society., Approved Method:

Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products, the Illuminating Engineering Society, NY (2007).

6. 張智鴻，「人工智慧應用於室內照明最佳化設計之研 究」，碩士論文，國立臺灣科技大學電機工程系，臺北 (2006)。

7. 工研院量測中心，「智慧化居住空間產業介面整合與標 準計畫(1/4)」，97 年度計畫執行報告，第 34-60 頁 (2008)。

8. 經濟部標準檢驗局，「HV LED 與現有 LED 測試方法標

準適用研究」，FY101 年度建置 LED 室外照明系統及冷 凍空調與新興冷媒標準檢測驗證平台，經濟部標檢局 101年度委辦計畫合作研究計畫書，第 10-11 頁 (2012)。

9. 室內照明燈具節能標章能源效率基準及標示方法，節能 標章全球資訊網

http://www.energylabel.org.tw/news/news/upt.asp?p0=115

2013年 05 月 14 日 收稿 2013年 05 月 17 日 初審 2013年 06 月 28 日 複審 2013年 07 月 08 日 接受