基于光生物效應的LED 辦公照明環境研究

牛萍娟，方晶璐，田會娟，梁立君

(天津工業大學 電氣工程與自動化學院；天津工業大學半導體照明工程研發中心，天津 300387)

引言

2002年，人眼視網膜上的第三類感光細胞——本征感光視網膜神經結細胞(ipRGCs)被發現，它可以通過對進入人眼的可見光輻射產生一系列化學生物反應來控制人的生理節律、生物鐘和人眼瞳孔大小，從而對人的生理、心理等產生影響，被視為科學界近年來十大發現之一。[1-2]因此，光照對人體的生理、心理健康產生的影響成為國際照明、醫學領域研究的熱點。[3]近年來，研究結果表明照明環境不僅會對人體的各項生理參數，例如血壓、心率、褪黑激素等產生影響，同時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，熒光燈的相關色溫會影響舒張壓。Baron RA等[7]的研究表明照明環境的色溫和照度水平會影響人的睡眠質量、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，學生閱讀效率和計數準確率的變化。結果表明：照度Ev越高，閱讀效率和計數的準確率越高，雙眼的疲勞程度越低。Van Bom-mel等[9]在工業生產中研究了工作環境的照度對工作效率的影響。結果表明：人員的工作效率隨環境照度Ev的增加有顯著地提高。當照度Ev從300 lx提高到500 lx生產效率可以提高8%；從300 lx提高至2000 lx時，生產效率可以提高20%。魯玉紅等[10]研究了不同峰值波長的藍光對人體光生物效應的影響，實驗結果表明人在峰值波長為468 nm 的藍光下，腦力工作能力指數(IMC) 最高，工作速度最快，工作最舒適，不易感到疲勞。但生理參數測定結果表明，人在峰值波長為468 nm 的藍光下脈搏變化率最大。

LED光源被認為是人類發展史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第四代光源。和前三代光源相比較，LED 具有節能、環保、壽命長、高可靠性、響應時間短等諸多優點。近年來，隨著LED 技術的發展，LED 的亮度不斷提高，功率不斷增大，已開始廣泛地應用于交通指示、顯示屏、各種照明電器、背光照明、道路照明、室內照明、醫學治療等領域。同時，隨著LED 應用規模、領域的不斷擴大，LED 光生物安全性問題越來越受到人們的關注。本論文研究了在三種典型相關色溫Tc不同照度水平Ev下LED照明環境對受試者學習效率、雙眼視調節力、生理指標參數及主觀評價的影響。

1 實驗研究

1.1 實驗環境設置

實驗場地為兩間大小相同，尺寸為5.12m×3.4m×2.8m的辦公室。每間實驗房間都是統一的裝修，屋頂和墻壁是白色的，地面是大理石，相應的反射系數為屋頂pc=0.86，墻壁pw=0.78，地面pf=0.54。

實驗采用相關色溫Tc分別為2700 K、4500 K、6500 K的LED T8燈管作為實驗燈具，功率光譜圖如圖1所示。采用控制單一變量法設計實驗光環境，形成不同相關色溫Tc、不同照度Ev的9種LED照明環境，如表1所示。根據《中小學校教室采光和照明衛生標準》的要求[11]，每一種實驗環境的桌面照度均勻度Uc≥0.7。同時，為了減小溫度、濕度對受試者生理狀態的影響，我們將實驗環境的溫度控制在21～25℃，濕度控制在40%±10%。[12]

圖1 實驗所用LED光源的光譜圖Fig.1 The spectra of LED light source in the experiment

表1 實驗照明環境Table 1 Light environment

1.2 實驗對象

本次實驗共招募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，并且在實驗期間不允許攝入含酒精和咖啡因的飲品和食物。

1.3 實驗方法

1.3.1 學習效率測試

受試者在每一個光環境中都需要接受一系列的視覺作業來測驗注意力集中程度、學習疲勞和視覺敏感度，從而對學習效率進行評估。

(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字組成的數字核對表來測試。要求受試者找出兩組數的不同之處，并標出不同項。

(2)學習疲勞程度測試

通過由A、B、C、E、H、K、N、X八個字母隨機組成的安莫非夫字母表測試受試者的學習疲勞程度。每個字母出現的頻率為20次，總共160個測試字母。受試者要求找到特定的字母并且做出標記。

(3)視覺敏感度測試

通過由不同方向的C環組成的蘭道環實驗，測試受試者的視覺敏感度。要求受試者找出規定開口的C環。

上述內容用于學習效率測試的視覺作業，受試者要求在沒有筆尖或者手指的協助下盡快的完成實驗，并記錄完成時間。每一個測試環境的工作效率如式(1)所示：

(1)

1.3.2 雙眼調節力

在眼科學中雙目視調節力是指由遠到近調節晶狀體焦距，通過一系列的睫狀肌使得在視網膜上清晰成像的能力。如果視調節力增加，說明眼部放松，視覺效果良好。相反，如果視調節力下降則說明調節儲備不足，從而不能精確的聚焦導致在視網膜的后方成像。測試是由專業的驗光師使用綜合驗光儀完成。在整個實驗過程中我們記錄下實驗前后視調節力的變化。

1.3.3 生理指標參數測試

根據人體應激反應，當人體受到外界刺激時，血壓、脈搏、心率、呼吸、內分泌量等各項生理指標參數均會發生相應的變化，不同照明環境會對受試者產生一定的刺激從而引起生理效應。[13]

本文研究了不同相關色溫、不同照度水平Ev的照明環境下，受試者血壓、脈搏、心率實驗前后的變化Δxi，取其方差，來衡量生理指標參數實驗前后變化的波動性大小，分析得出照明環境對受試者生理的影響和作用，其計算公式如式(2)所示：

(2)

1.3.4 主觀評價

此外，參與實驗的受試者在每一個實驗環境中都需要記錄下他們的主觀評價。問卷包括9個問題，包含了光照環境、視覺舒適度、疲勞程度和情緒方面的評價。[14]每一項都有從“一點也不滿意”到“非常滿意”7個等級的評價，按照1～7計分。受試者需要記錄下每一實驗環境中“此刻”的感受。

1.4 實驗安排

每一個受試者都需要進入9個獨立的測試環境。10名受試者被分為2組，每組進入不同的色溫環境，照度按照300 lx→500 lx→800 lx的順序進行實驗。在進入實驗環境之前，首先對雙目視調節力進行測試，然后進入測試環境，適應5分鐘后，對生理指標參數進行測量記錄并且完成視覺作業。經過一個半小時時間的學習或者工作，填寫主觀評價問卷，再次測量生理指標參數和雙目視調節力。每一個光環境的測試時間為2個小時，完成一組實驗后進入休息室休息1個小時，讓眼睛得到充分的休息然后進入下一個測試環境。

2 實驗結果與分析

2.1 學習效率

根據實驗心理學中速度與準確性權衡的原理[13]，在進行實驗時，應考慮速度與準確性兩個指標。經過對視覺作業的核對，受試者作業完成的準確率在100%，因此可以直接通過比較受試者完成視覺作業的時間長短來分析照明環境對學生學習效率的影響，完成時間越短，學習效率越高。

我們采用控制單一變量來分析實驗結果，圖2和圖3顯示在9種不同的LED照明環境下視覺作業的測試結果。

在同一照度水平Ev不同相關色溫Tc的條件下，受試者完成視覺作業平均時間如圖2所示。從圖2可以看出：在實驗設定的相關色溫變化范圍內，當Tc=4500K，受試者完成各項視覺作業的平均時間最短，即在Tc=4500K的測試環境中，受試者的注意力集中程度和視覺敏感度最高，學習疲勞最低。據此可以初步認為：學習效率與相關色溫Tc呈開口向下的拋物線型的關系，單純的提高照明光源的色溫并不能提高學習效率。這一實驗結果與Breanne[15]的實驗結果相一致，在中間色溫的環境中受試者完成視知覺測試包括顏色識別要比其他環境中的要快，同時喚醒水平高，沮喪情緒低。其原因為：根據光對人體產生的光生物效應，相關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，不能使人員進入良好的學習和工作的狀態；高色溫的光源可以使大腦處于高度的興奮狀態，但這種興奮狀態反而使人不能全身心的投入到學習和工作；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習和工作當中，從而提高學習和工作效率。

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

在同一相關色溫Tc不同照度水平Ev的LED照明環境下，受試者完成視覺作業的平均時間如圖3所示。從圖3可以看出，在實驗設定的照度變化范圍內，在Ev=500 lx的環境下，完成視覺作業1和視覺作業2的時間最短，在Ev=800lx的環境下，完成視覺作業3的時間最短，即受試者在500lx 的照明環境中受試者的注意力集中程度最高，學習疲勞感最低，在800lx 的環境中視覺敏感度最高。據此可以初步認為在實驗設置的照度范圍內，學習效率與注意程度和學習疲勞程度與照度呈開口向上的拋物線關系，視覺敏感度則是隨著照度的增加而提高。這與國內其他學者[16]公布的結果相一致——學生在高照度的工作環境下視覺感覺舒適，學習效率也相對較高，在教室中如果條件允許，建議采用500～750 lx的照明環境。原因為：在一定范圍內隨著照度Ev的提高，進入血液中的褪黑激素減少，人體的喚醒能力就越強，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提高可以有效的提高學習和工作效率。

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

2.2 雙目視調節力

雙目視調節力的變化結果如圖4所示。在同一環境下，由于個體差異，受試者的變化不一樣，因此我們選擇調節力增加最大的環境作為每位受試者眼部最舒適的環境，統計結果如表2所示。由于2號選手在色溫為2700K，照度為300lx和800lx 時的照明環境中視調節力的增加的幅度相同，所以最后的統計結果為11。統計結果顯示在Ev=500lx，Tc=4500K的照明環境中視調節力增加的人數最多，據此我們可以認為Ev=500lx，Tc=4500K的照明環境為最舒適的環境。

圖4 雙目視調節力的變化情況Fig.4 The change of binocularvision accommodation of every subject

表2 眼部舒適度最佳的測試環境統計結果Table 2 The total statistical result

2.3 生理參數

不同LED照明環境下受試者實驗前后的舒張壓、收縮壓以及心率的變化方差如圖5所示。數據顯示，在Tc=2700K，Ev=800lx測試環境下，實驗前后舒張壓的變化方差最小；在Tc=4500K，Ev=500lx測試環境下，實驗前后收縮壓、心率的變化方差最小。從人體生理學角度分析，各項生理指標參數的變化方差越小，說明生理指標參數波動性越小，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的照明環境對人的光生物效應最小。

2.4 主觀評價

不同測試環境中受試者的主觀評價結果如表3所示。數據顯示Tc=4500K，Ev=500lx測試環境得分最高，這就表明Tc=4500K，Ev=500lx測試環境的總體舒適度最高。在實驗的過程中，通過對受試者的跟蹤訪問得知，他們認為Tc=2700K很容易犯困，Tc=6500K的照明環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的環境整體給人以舒適柔和的感覺，適合學習工作。

注：測試環境1～9的順序與表1中的順序一致

表3 9種不同LED測試環境的主觀評價Table 3 The results of subjective assessment

3 結論

本文采用學習效率測試法、視調節力測試法、生理參數測試法和主觀評價法研究了9種不同的LED照明環境對人體光生物效應的影響。實驗結果表明：(1)良好的照明環境會對受試者的注意力、學習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習效率；(2)照明環境對人眼雙眼視調節力有明顯的影響，良好的照明環境對預防近視有重要的意義；(3)照明環境會對人體的生理和心理產生刺激。根據實驗數據，我們認為Tc=4500K，Ev=500lx的LED照明環境對學習效率、視調節力和生理參數都有積極的影響，為理想的學習和工作的照明環境。這項工作為探索綠色、舒適的半導體照明環境提供一定的理論和實驗基礎。

[1] Berson DM, Dunn FA, Motoharu Takao.Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadion clock [J]. Science， 2002，295:1070-1073.

[2]Behar-Cohen F，Martinsons C, Viénot F, et al. Light-emitting diodes (LED) for domestic lighting: Any risks for the eye? [J]. Progress in Retinal and Eye Research,2011,30:239-257.

[3] van Bommel WJM, van den Beld GJ. Lighting for work: a review of visual and biological effects [J]. Lighting Research and Technology， 2004，36:255.

[4]CIE. The Influence of Daylight and Artificial Light on Diurnal and Seasonal Variations in Humans-a Bibliography[R]. CIE， 2001.

[5] Wargocki P，Sepp?nen O. Indoor climate and productivity in offices-how to integrate productivity in life-cycle cost analysis of building services[R]. Finland: REHVA，2006.

[6]Kobayashi H, Sato M. The effect of color temperature of lighting sources on mental activity level[J]. Annals of Physiological Anthropology,1992，11: 45-49.

[7] Baron RA, Rea MS, Daniels SG. Effects of indoor lighting (illuminance and spectral distribution) on the performance of cognitive tasks and interpersonal behaviors: the potential mediating role of positive affect[J]. Motivation and Emotion，1992，16: 1-33.

[8]HU R R. Productivity and visual function response to different luminance level [J].心理學報,1966, 2：94-102.

[9] Van Bommel W J M , van den Beld G J. Lighting for work: a review of visual and biological effects[J]. Light Res. Technol， 2004，36：255-269.

[10] 魯玉紅，王毓榮，金尚忠，等.不同波長藍光LED對人體光生物節律效應的影響[J]. 發光學報,2013,34(8):1061-1065.

[11] 中華人民共和國衛生部.中小學校教室采光和照明衛生標準[S].北京：中國標準出版社，2011.

[12] 蘭麗.室內環境對人員工作效率影響機理與評價研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[13] Li Xiaohan, Shang Shaomei et al. Basic Nursing [M].Beijing: People’s Medical Publishing House，2006，11.

[14] Yang Zhiliang. Experimental Psychology [M]. Zhejiang：ZheJiang Education Publishing House，2003.

[15] Breanne K Hawes, Tad T Brunye. Effect of four workplace lighting technologies on perception, cognition and affective state[J]. International Journal of Industrial Ergonomics， 2012，42:122-128.

[16] Lin DanDa,Hao Luoxi. Experimental research on relationship between vision health and luminous environment for the primary and middle school students [J]. China Illuminating Engineering Journal, 2007, 18(4):38-42.