面向視覺健康需求的教室照明要求

蔡建奇，郭 婭，唐姍姍，溫蓉蓉，衛(wèi) 科，黃 帥

(1.中國標準化研究院，北京 100088；2.北京理工大學(xué)，北京 100088；3.北京陽明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.綿陽市質(zhì)量檢驗所，四川 綿陽 621000)

引言

人類超過80%的外部信息接收依賴視覺，伴隨著視覺負荷的顯著加重，由此產(chǎn)生了一系列問題和影響。2016年2月《Ophthalmology》刊登了華柏恩教授的《近視和高度近視在全球范圍內(nèi)的流行以及2000年至2050年的時間趨勢》。該文回顧了145項研究報告，覆蓋全球210萬人群，文中指出2000年全球近視患者為14.06億，2010年近19.5億(占全球人口比例28.3%)，同時研究預(yù)測2020年全球預(yù)計有26.2億近視患者，2050年全球近視人口將達一半(47.58億)，包括9.38億的高度近視人口。據(jù)統(tǒng)計，中國近視人群比例高達47%；2014年近視眼患病人數(shù)約6.429億；中國青少年近視眼患病率高達50%～60%；近視眼已經(jīng)成為嚴重影響公眾健康及生活質(zhì)量的公共衛(wèi)生問題[1-6]。2018年8月習近平總書記就我國兒童青少年近視高發(fā)問題作出重要指示，要求有關(guān)方面結(jié)合深化教育改革，拿出有效的綜合防治方案，共同呵護好孩子的眼睛，讓他們擁有一個光明的未來。2018年8月28日教育部、國家衛(wèi)健委、國家體育總局等八個部委正式公布了《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，目標是：到2023年力爭實現(xiàn)全國兒童青少年總體近視率在2018年的基礎(chǔ)上每年降低0.5個百分點以上，近視高發(fā)省份每年降低1個百分點以上；到2030年6歲兒童近視率控制在3%左右，小學(xué)生下降到38%以下，初中生下降到60%以下，高中生下降到70%以下。

近視的誘因目前還未確定，但現(xiàn)有研究認為其誘因包括以下幾個方面：首先是遺傳原因，研究發(fā)現(xiàn)高度近視具有較高的遺傳比率；其次是作業(yè)習慣，不良的閱讀書寫習慣易導(dǎo)致近視；再次是光環(huán)境影響，目前日均人工光照(主要以照明與顯示為主)時長已占我們非睡眠時長2/3以上，而大量醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)戶外自然光照可以有效抑制近視的發(fā)生與發(fā)展；最后就是睫狀肌調(diào)節(jié)過度，由于青少年睫狀肌調(diào)節(jié)能力強，當其處于不當光照或不當閱讀時易出現(xiàn)睫狀肌調(diào)節(jié)過度、眼軸長度過度增長的現(xiàn)象。通過上述誘因簡述不難看出，光環(huán)境影響是造成近視發(fā)育的主要客觀原因，考慮到青少年每天有超過1/2的時間處于教室光環(huán)境下，因此科學(xué)、健康的教室照明成為近視防控的主要突破口。本文將基于作者前期對于青少年進行的大樣本視覺人因?qū)嶒灁?shù)據(jù)去探討如何構(gòu)建健康舒適的教室照明環(huán)境。

1 面向視覺健康需求的教室照明要求

1)照明系統(tǒng)分類。照明系統(tǒng)是按照其發(fā)光方式分類的，如：上照(間接照射)或下照(直接照射)。照明系統(tǒng)采用間接照射、半間接照射、直接-間接照射、一般漫射、半直接照射和直接照射的方式(見圖1)。光分布曲線可以在向上和向下分布的限度范圍內(nèi)呈現(xiàn)許多形式，具體取決于光源和照明設(shè)計。

圖1 照明系統(tǒng)分類Fig.1 Lighting system classification

國際照明委員會(CIE)將一般照明燈具按照水平線上下的總亮度輸出比例進行分類，其中采用間接照明系統(tǒng)時，來自燈具的90%～100%的光線被引到燈上方的天花板或上部墻壁等反射面，再通過這些反射面，被反射到房間的各個部分；使用半間接照明系統(tǒng)時，來自燈具的60%～90%的光向上照射，其余的向下照射；采用直接-間接照明系統(tǒng)時，上照光線與下照光線大致相等(每個方向都是總燈光輸出量的40%～60%)；采用一般漫射照明系統(tǒng)時，上照/下照的光線分布與直接-間接照明系統(tǒng)相同，但水平方向附近的光線輸出是不受限制的；采用半直接照明系統(tǒng)時，60%～90%的光線朝向水平工作面向下照射，以便使照明系統(tǒng)得到更有效地利用，而10%～40%的光線向上照亮天花板，增加了漫射同時降低了燈具與天花板之間的亮度比；采用直接照明系統(tǒng)，幾乎所有的光線都是向下照射的(用于嵌裝隱藏式燈具，向下的比例為100%)[7]。目前教室照明的燈具多采用直接照明的方式，但是考慮到半直接照明在降低空間對比度上優(yōu)勢，我們認為未來的教室照明應(yīng)在直接照明的基礎(chǔ)上開發(fā)半直接照明系統(tǒng)。

2)桌面水平照度和水平照度均勻性?，F(xiàn)有國標對于桌面水平照度基本按照大于300 lx進行要求，該指標是基于ISO 8995-1：2002《工作場所照明要求第一部分：室內(nèi)照明》的照度要求，但是不可忽視的是ISO 8995-1對于照度的要求是以白種人即高加索人種為主體定制的，而屬于東亞蒙古人種的中國人群在生理特征上與高加索人種存在顯著的生理結(jié)構(gòu)差異——中國人的瞳孔大小約為3～5 mm，而高加索人種的瞳孔大小約為6～8 mm，作為黃種人的中國人的色素耐光性遠高于白種人的色素耐光性，上述人種差異直接造成我們的眼瞳孔的入光量較白種人需求更高，根據(jù)我們近5年來累計進行的樣本量為300人以上、實驗人次數(shù)超過900人次的視覺人因?qū)嶒灲Y(jié)果顯示，500～600 lx的桌面水平照度是最適于中國人眼生理特性的，而教室內(nèi)課桌面上照度的水平均勻度應(yīng)不低于0.8。

3)桌面水平亮度與桌面水平均勻度。從光度學(xué)的角度上，亮度是更為直觀反映光入射人眼狀態(tài)的物理量，我們常常在實驗中發(fā)現(xiàn)桌面照度基本一致的不同桌面燈具，其人眼的視覺舒適性存在著顯著性差異，這其中既與光分布相關(guān)也與其桌面亮度相關(guān)。我們采用了以下測試方法對于桌面亮度和亮度水平均勻度進行了測試：將去除講臺以外的教室空間水平分為9等份，在每個區(qū)域的中心點放置課桌，課桌高度設(shè)為0.75 m，如圖2所示；在距課桌邊緣0.05 m(即正常人群坐姿距課桌面的平均距離)，高度為1.2 m(平均坐姿眼高度)的位置放置亮度計，測試課桌中心點亮度，如圖3所示；分別對9個區(qū)域進行亮度測試，計算亮度均勻度Lu。

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圖2 教室空間分割示意圖Fig.2 Schematic diagram of classroom space segmentation

圖3 亮度計放置位置示意圖Fig.3 Luminance meter placement position diagram

在測量桌面亮度的同時，我們通過視覺人因?qū)嶒灧謩e對桌面亮度為50，60，70，80，90，100 nit和120 nit 七檔亮度進行了大樣本視覺人因?qū)嶒灒ㄟ^視覺人因?qū)嶒?，我們發(fā)現(xiàn)當桌面亮度大于80 nit以上時，人眼的高階像差、調(diào)制傳遞函數(shù)以及睫狀肌的調(diào)節(jié)能力都明顯優(yōu)于80 nit以下的桌面亮度，而當其亮度均勻性大于或等于0.85時，教室光環(huán)境對于人眼的視覺健康舒適度更優(yōu)。

4)黑板反射照度及均勻度。盡管新發(fā)布的GB/T 36876—2018 《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》中對于黑板面維持平均照度(不低于500 lx)，照度均勻度(不低于0.8)進行了要求，但是由于其沒有設(shè)置上限要求，因此可能造成高光強對于人眼的刺激性，我們采用以下方法對于黑板面的照度以及其照度均勻度進行測試：將黑板平均分為9個區(qū)域，如圖4所示。在每個區(qū)域中心點位置，距離黑板板面0.5 m處分別測量其反射照度E，并計算照度均勻度Eu。

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圖4 測試黑板反射照度示意圖Fig.4 Test blackboard reflection illuminance diagram

在測量黑板照度的基礎(chǔ)上，我們通過樣本量156人，實驗人次數(shù)624人次的視覺人因?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)，教室黑板照度應(yīng)在500～750 lx之間，而其照度均勻度應(yīng)大于或等于0.85。

5)教室照明的色溫選擇。2015年和2016年我們基于視覺人因?qū)嶒?，通過對人眼第4～12項像差以及調(diào)制傳遞函數(shù)進行分析，從而明確了教室照明的色溫以5 000 K為宜的實驗結(jié)論，后期我們又通過多次視覺人因?qū)嶒灪湍X力負荷對于該結(jié)論進行了實驗驗證，就現(xiàn)有實驗結(jié)果而言，考慮到兼顧人眼視覺舒適度和人腦的作業(yè)效率，我們認為4 500～5 500 K的色溫區(qū)間是能夠有效保障人眼的視覺健康同時兼顧學(xué)生的作業(yè)效率的色溫區(qū)間。

7)眩光。由于目前眩光UGR是針對直接照明系統(tǒng)的評測方法，因此針對直接照明系統(tǒng)時，我們認為UGR應(yīng)小于或等于16，而針對非直接照明系統(tǒng)，如所討論的半直接照明系統(tǒng)時，該指標則無法適用。

8)藍光危害。對于藍光危害，首先需要將其進行有效的區(qū)分，藍光損傷作為一種光化學(xué)損傷其可分為短期損傷和中長期損傷，目前CIE S009以及基于其編制的IEC 62471和IEC 62778，對于藍光危害的判定都是基于短期藍光損傷而言的，由于中長期藍光損傷無法通過細胞分子學(xué)的方法進行研究，而需要通過靈長類動物的長期藍光動物實驗才能明確，因此就目前藍光短期損傷而言，達到RG0級(無危害)即可以證明其對于人眼不存在短期損傷。

2 結(jié)束語

一般地，青少年從6歲進入小學(xué)，到18歲高中畢業(yè)，這12年的時間可以表征青少年視功能發(fā)育的全過程。在這個過程中，教室照明占據(jù)了他們視覺作業(yè)近60%的時長，因此保障視覺健康、有益作業(yè)效率的教室照明系統(tǒng)已成為我國青少年近視防護的第一道陣線。只有通過科學(xué)嚴謹?shù)墓馍餀C理研究以及與之配套的教室照明系統(tǒng)設(shè)計，才能真正實現(xiàn)有效降低近視發(fā)生率，共同呵護好孩子的眼睛，讓他們擁有一個光明的未來的目標。