基于光生物效應(yīng)的LED 辦公照明環(huán)境研究

牛萍娟，方晶璐，田會(huì)娟，梁立君

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院；天津工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體照明工程研發(fā)中心，天津 300387)

引言

2002年，人眼視網(wǎng)膜上的第三類感光細(xì)胞——本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)結(jié)細(xì)胞(ipRGCs)被發(fā)現(xiàn)，它可以通過對進(jìn)入人眼的可見光輻射產(chǎn)生一系列化學(xué)生物反應(yīng)來控制人的生理節(jié)律、生物鐘和人眼瞳孔大小，從而對人的生理、心理等產(chǎn)生影響，被視為科學(xué)界近年來十大發(fā)現(xiàn)之一。[1-2]因此，光照對人體的生理、心理健康產(chǎn)生的影響成為國際照明、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。[3]近年來，研究結(jié)果表明照明環(huán)境不僅會(huì)對人體的各項(xiàng)生理參數(shù)，例如血壓、心率、褪黑激素等產(chǎn)生影響，同時(shí)對人員的工作效率和視功能也具有顯著的影響。[4、5]Kobayashi H等[6]的研究證實(shí)，熒光燈的相關(guān)色溫會(huì)影響舒張壓。Baron RA等[7]的研究表明照明環(huán)境的色溫和照度水平會(huì)影響人的睡眠質(zhì)量、情緒、警醒程度和自我喚醒的水平。胡瑞榮[8]研究了照度Ev從25 lx逐漸提高到95 lx，學(xué)生閱讀效率和計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率的變化。結(jié)果表明：照度Ev越高，閱讀效率和計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確率越高，雙眼的疲勞程度越低。Van Bom-mel等[9]在工業(yè)生產(chǎn)中研究了工作環(huán)境的照度對工作效率的影響。結(jié)果表明：人員的工作效率隨環(huán)境照度Ev的增加有顯著地提高。當(dāng)照度Ev從300 lx提高到500 lx生產(chǎn)效率可以提高8%；從300 lx提高至2000 lx時(shí)，生產(chǎn)效率可以提高20%。魯玉紅等[10]研究了不同峰值波長的藍(lán)光對人體光生物效應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人在峰值波長為468 nm 的藍(lán)光下，腦力工作能力指數(shù)(IMC) 最高，工作速度最快，工作最舒適，不易感到疲勞。但生理參數(shù)測定結(jié)果表明，人在峰值波長為468 nm 的藍(lán)光下脈搏變化率最大。

LED光源被認(rèn)為是人類發(fā)展史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第四代光源。和前三代光源相比較，LED 具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、高可靠性、響應(yīng)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，LED 的亮度不斷提高，功率不斷增大，已開始廣泛地應(yīng)用于交通指示、顯示屏、各種照明電器、背光照明、道路照明、室內(nèi)照明、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域。同時(shí)，隨著LED 應(yīng)用規(guī)模、領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，LED 光生物安全性問題越來越受到人們的關(guān)注。本論文研究了在三種典型相關(guān)色溫Tc不同照度水平Ev下LED照明環(huán)境對受試者學(xué)習(xí)效率、雙眼視調(diào)節(jié)力、生理指標(biāo)參數(shù)及主觀評價(jià)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

實(shí)驗(yàn)場地為兩間大小相同，尺寸為5.12m×3.4m×2.8m的辦公室。每間實(shí)驗(yàn)房間都是統(tǒng)一的裝修，屋頂和墻壁是白色的，地面是大理石，相應(yīng)的反射系數(shù)為屋頂pc=0.86，墻壁pw=0.78，地面pf=0.54。

實(shí)驗(yàn)采用相關(guān)色溫Tc分別為2700 K、4500 K、6500 K的LED T8燈管作為實(shí)驗(yàn)燈具，功率光譜圖如圖1所示。采用控制單一變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光環(huán)境，形成不同相關(guān)色溫Tc、不同照度Ev的9種LED照明環(huán)境，如表1所示。根據(jù)《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求[11]，每一種實(shí)驗(yàn)環(huán)境的桌面照度均勻度Uc≥0.7。同時(shí)，為了減小溫度、濕度對受試者生理狀態(tài)的影響，我們將實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度控制在21～25℃，濕度控制在40%±10%。[12]

圖1 實(shí)驗(yàn)所用LED光源的光譜圖Fig.1 The spectra of LED light source in the experiment

表1 實(shí)驗(yàn)照明環(huán)境Table 1 Light environment

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

本次實(shí)驗(yàn)共招募10名受試者(5名男生，5名女生)，均為年齡在23～25歲之間的在校學(xué)生。該10名受試者身體健康，雙眼矯正視力為1.0以上，非色盲，無眼部疾病，無高血壓、心臟病，無酗酒、吸煙等不良嗜好，并且在實(shí)驗(yàn)期間不允許攝入含酒精和咖啡因的飲品和食物。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 學(xué)習(xí)效率測試

受試者在每一個(gè)光環(huán)境中都需要接受一系列的視覺作業(yè)來測驗(yàn)注意力集中程度、學(xué)習(xí)疲勞和視覺敏感度，從而對學(xué)習(xí)效率進(jìn)行評估。

(1)注意力集中程度測試

注意力集中程度是通過由兩組不同的數(shù)字組成的數(shù)字核對表來測試。要求受試者找出兩組數(shù)的不同之處，并標(biāo)出不同項(xiàng)。

(2)學(xué)習(xí)疲勞程度測試

通過由A、B、C、E、H、K、N、X八個(gè)字母隨機(jī)組成的安莫非夫字母表測試受試者的學(xué)習(xí)疲勞程度。每個(gè)字母出現(xiàn)的頻率為20次，總共160個(gè)測試字母。受試者要求找到特定的字母并且做出標(biāo)記。

(3)視覺敏感度測試

通過由不同方向的C環(huán)組成的蘭道環(huán)實(shí)驗(yàn)，測試受試者的視覺敏感度。要求受試者找出規(guī)定開口的C環(huán)。

上述內(nèi)容用于學(xué)習(xí)效率測試的視覺作業(yè)，受試者要求在沒有筆尖或者手指的協(xié)助下盡快的完成實(shí)驗(yàn)，并記錄完成時(shí)間。每一個(gè)測試環(huán)境的工作效率如式(1)所示：

(1)

1.3.2 雙眼調(diào)節(jié)力

在眼科學(xué)中雙目視調(diào)節(jié)力是指由遠(yuǎn)到近調(diào)節(jié)晶狀體焦距，通過一系列的睫狀肌使得在視網(wǎng)膜上清晰成像的能力。如果視調(diào)節(jié)力增加，說明眼部放松，視覺效果良好。相反，如果視調(diào)節(jié)力下降則說明調(diào)節(jié)儲(chǔ)備不足，從而不能精確的聚焦導(dǎo)致在視網(wǎng)膜的后方成像。測試是由專業(yè)的驗(yàn)光師使用綜合驗(yàn)光儀完成。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中我們記錄下實(shí)驗(yàn)前后視調(diào)節(jié)力的變化。

1.3.3 生理指標(biāo)參數(shù)測試

根據(jù)人體應(yīng)激反應(yīng)，當(dāng)人體受到外界刺激時(shí)，血壓、脈搏、心率、呼吸、內(nèi)分泌量等各項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，不同照明環(huán)境會(huì)對受試者產(chǎn)生一定的刺激從而引起生理效應(yīng)。[13]

本文研究了不同相關(guān)色溫、不同照度水平Ev的照明環(huán)境下，受試者血壓、脈搏、心率實(shí)驗(yàn)前后的變化Δxi，取其方差，來衡量生理指標(biāo)參數(shù)實(shí)驗(yàn)前后變化的波動(dòng)性大小，分析得出照明環(huán)境對受試者生理的影響和作用，其計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

1.3.4 主觀評價(jià)

此外，參與實(shí)驗(yàn)的受試者在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中都需要記錄下他們的主觀評價(jià)。問卷包括9個(gè)問題，包含了光照環(huán)境、視覺舒適度、疲勞程度和情緒方面的評價(jià)。[14]每一項(xiàng)都有從“一點(diǎn)也不滿意”到“非常滿意”7個(gè)等級的評價(jià)，按照1～7計(jì)分。受試者需要記錄下每一實(shí)驗(yàn)環(huán)境中“此刻”的感受。

1.4 實(shí)驗(yàn)安排

每一個(gè)受試者都需要進(jìn)入9個(gè)獨(dú)立的測試環(huán)境。10名受試者被分為2組，每組進(jìn)入不同的色溫環(huán)境，照度按照300 lx→500 lx→800 lx的順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)境之前，首先對雙目視調(diào)節(jié)力進(jìn)行測試，然后進(jìn)入測試環(huán)境，適應(yīng)5分鐘后，對生理指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測量記錄并且完成視覺作業(yè)。經(jīng)過一個(gè)半小時(shí)時(shí)間的學(xué)習(xí)或者工作，填寫主觀評價(jià)問卷，再次測量生理指標(biāo)參數(shù)和雙目視調(diào)節(jié)力。每一個(gè)光環(huán)境的測試時(shí)間為2個(gè)小時(shí)，完成一組實(shí)驗(yàn)后進(jìn)入休息室休息1個(gè)小時(shí)，讓眼睛得到充分的休息然后進(jìn)入下一個(gè)測試環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 學(xué)習(xí)效率

根據(jù)實(shí)驗(yàn)心理學(xué)中速度與準(zhǔn)確性權(quán)衡的原理[13]，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮速度與準(zhǔn)確性兩個(gè)指標(biāo)。經(jīng)過對視覺作業(yè)的核對，受試者作業(yè)完成的準(zhǔn)確率在100%，因此可以直接通過比較受試者完成視覺作業(yè)的時(shí)間長短來分析照明環(huán)境對學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響，完成時(shí)間越短，學(xué)習(xí)效率越高。

我們采用控制單一變量來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2和圖3顯示在9種不同的LED照明環(huán)境下視覺作業(yè)的測試結(jié)果。

在同一照度水平Ev不同相關(guān)色溫Tc的條件下，受試者完成視覺作業(yè)平均時(shí)間如圖2所示。從圖2可以看出：在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的相關(guān)色溫變化范圍內(nèi)，當(dāng)Tc=4500K，受試者完成各項(xiàng)視覺作業(yè)的平均時(shí)間最短，即在Tc=4500K的測試環(huán)境中，受試者的注意力集中程度和視覺敏感度最高，學(xué)習(xí)疲勞最低。據(jù)此可以初步認(rèn)為：學(xué)習(xí)效率與相關(guān)色溫Tc呈開口向下的拋物線型的關(guān)系，單純的提高照明光源的色溫并不能提高學(xué)習(xí)效率。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Breanne[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，在中間色溫的環(huán)境中受試者完成視知覺測試包括顏色識別要比其他環(huán)境中的要快，同時(shí)喚醒水平高，沮喪情緒低。其原因?yàn)椋焊鶕?jù)光對人體產(chǎn)生的光生物效應(yīng)，相關(guān)色溫的增加可以提高大腦皮層的興奮性。低色溫的光源給人一種放松、溫暖的感覺，大腦皮層的興奮性相對較低，不能使人員進(jìn)入良好的學(xué)習(xí)和工作的狀態(tài)；高色溫的光源可以使大腦處于高度的興奮狀態(tài)，但這種興奮狀態(tài)反而使人不能全身心的投入到學(xué)習(xí)和工作；而中間色溫由于其更接近日光的顏色，既給人以平和、自然的感覺，又可以增加大腦皮層興奮程度，使工作人員能更好的投入到學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中，從而提高學(xué)習(xí)和工作效率。

圖2 同一照度不同色溫條件下完成視覺作業(yè)的平均時(shí)間Fig.2 The average completed time at the same Ev combined with different CCT condition

在同一相關(guān)色溫Tc不同照度水平Ev的LED照明環(huán)境下，受試者完成視覺作業(yè)的平均時(shí)間如圖3所示。從圖3可以看出，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的照度變化范圍內(nèi)，在Ev=500 lx的環(huán)境下，完成視覺作業(yè)1和視覺作業(yè)2的時(shí)間最短，在Ev=800lx的環(huán)境下，完成視覺作業(yè)3的時(shí)間最短，即受試者在500lx 的照明環(huán)境中受試者的注意力集中程度最高，學(xué)習(xí)疲勞感最低，在800lx 的環(huán)境中視覺敏感度最高。據(jù)此可以初步認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的照度范圍內(nèi)，學(xué)習(xí)效率與注意程度和學(xué)習(xí)疲勞程度與照度呈開口向上的拋物線關(guān)系，視覺敏感度則是隨著照度的增加而提高。這與國內(nèi)其他學(xué)者[16]公布的結(jié)果相一致——學(xué)生在高照度的工作環(huán)境下視覺感覺舒適，學(xué)習(xí)效率也相對較高，在教室中如果條件允許，建議采用500～750 lx的照明環(huán)境。原因?yàn)椋涸谝欢ǚ秶鷥?nèi)隨著照度Ev的提高，進(jìn)入血液中的褪黑激素減少，人體的喚醒能力就越強(qiáng)，疲倦程度越低，人員的注意力集中程度提高，而對于視覺敏感度則是照度越高，敏感程度越高。從而可以得到在一定范圍內(nèi)提高可以有效的提高學(xué)習(xí)和工作效率。

圖3 同一色溫不同照度條件下完成視覺作業(yè)的平均時(shí)間Fig.3 The average completed time at the same CCT combined with different Ev condition

2.2 雙目視調(diào)節(jié)力

雙目視調(diào)節(jié)力的變化結(jié)果如圖4所示。在同一環(huán)境下，由于個(gè)體差異，受試者的變化不一樣，因此我們選擇調(diào)節(jié)力增加最大的環(huán)境作為每位受試者眼部最舒適的環(huán)境，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由于2號選手在色溫為2700K，照度為300lx和800lx 時(shí)的照明環(huán)境中視調(diào)節(jié)力的增加的幅度相同，所以最后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為11。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在Ev=500lx，Tc=4500K的照明環(huán)境中視調(diào)節(jié)力增加的人數(shù)最多，據(jù)此我們可以認(rèn)為Ev=500lx，Tc=4500K的照明環(huán)境為最舒適的環(huán)境。

圖4 雙目視調(diào)節(jié)力的變化情況Fig.4 The change of binocularvision accommodation of every subject

表2 眼部舒適度最佳的測試環(huán)境統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The total statistical result

2.3 生理參數(shù)

不同LED照明環(huán)境下受試者實(shí)驗(yàn)前后的舒張壓、收縮壓以及心率的變化方差如圖5所示。數(shù)據(jù)顯示，在Tc=2700K，Ev=800lx測試環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)前后舒張壓的變化方差最??；在Tc=4500K，Ev=500lx測試環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)前后收縮壓、心率的變化方差最小。從人體生理學(xué)角度分析，各項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)的變化方差越小，說明生理指標(biāo)參數(shù)波動(dòng)性越小，說明人體的舒適度就越高，由此可以推出受試者在Tc=4500K，Ev=500lx的照明環(huán)境對人的光生物效應(yīng)最小。

2.4 主觀評價(jià)

不同測試環(huán)境中受試者的主觀評價(jià)結(jié)果如表3所示。數(shù)據(jù)顯示Tc=4500K，Ev=500lx測試環(huán)境得分最高，這就表明Tc=4500K，Ev=500lx測試環(huán)境的總體舒適度最高。在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過對受試者的跟蹤訪問得知，他們認(rèn)為Tc=2700K很容易犯困，Tc=6500K的照明環(huán)境給人以比較刺眼的感覺，照度越高，越刺眼，并且給人以緊張的感覺，而Tc=4500K的環(huán)境整體給人以舒適柔和的感覺，適合學(xué)習(xí)工作。

注：測試環(huán)境1～9的順序與表1中的順序一致

表3 9種不同LED測試環(huán)境的主觀評價(jià)Table 3 The results of subjective assessment

3 結(jié)論

本文采用學(xué)習(xí)效率測試法、視調(diào)節(jié)力測試法、生理參數(shù)測試法和主觀評價(jià)法研究了9種不同的LED照明環(huán)境對人體光生物效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)良好的照明環(huán)境會(huì)對受試者的注意力、學(xué)習(xí)疲勞程度以及視覺敏感度有積極的影響，從而提高受試者的學(xué)習(xí)效率；(2)照明環(huán)境對人眼雙眼視調(diào)節(jié)力有明顯的影響，良好的照明環(huán)境對預(yù)防近視有重要的意義；(3)照明環(huán)境會(huì)對人體的生理和心理產(chǎn)生刺激。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為Tc=4500K，Ev=500lx的LED照明環(huán)境對學(xué)習(xí)效率、視調(diào)節(jié)力和生理參數(shù)都有積極的影響，為理想的學(xué)習(xí)和工作的照明環(huán)境。這項(xiàng)工作為探索綠色、舒適的半導(dǎo)體照明環(huán)境提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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