LED照明環境下照明參數對人眼視疲勞的影響

楊春宇，胡皓，向奕妍，汪統岳

(重慶大學 建筑城規學院；山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

視疲勞是伴隨著視知覺活動而產生的一種現象，主要表現為眼酸、眼痛、視覺作業的速度和精確度的降低[1]。人眼作為直接感受光刺激的器官，眼部活動的變化最能直觀地反映出視疲勞，比如，眨眼頻次(每分鐘內的眨眼次數)和閉眼時間百分比(眨眼時80%以上眼閉合度的時間占每次眨眼總時間的百分比)。研究表明，人在焦慮時眨眼頻次會增加，在高度警惕的狀態下眨眼頻次會減少；Borghini等[2]通過建立視疲勞模型發現眨眼次數也會隨著視疲勞的加重而增加；Papadelis等[3]發現疲勞時的閉眼時間百分比顯著上升。眨眼頻次和閉眼時間百分比的變化與人眼的視疲勞程度息息相關，而人眼在不同的光環境下疲倦程度不同，通過對這兩項指標變化的研究可以評價照明環境對視疲勞的刺激和影響。在不同色溫的熒光燈對人視覺的影響方面，不同的研究結論不盡相同。林丹丹[4]認為5 000 K和6 500 K色溫可延緩視覺疲勞，提高學習效率；嚴永紅等[5]研究表明4 000 K色溫適合，6 500 K不適合。LED相對于傳統熒光燈更節能、壽命更長，其發光原理和光譜特征與傳統光源不同，安全性和舒適性也尚不明確[6]；視疲勞隨色溫增加，先增大后減小，隨照度的增加，先減小后增大[7]。在照度值和色溫相同的條件下，被試者在LED光環境下的總體視疲勞顯著小于熒光燈下的視疲勞，同時，在LED光環境下的閱讀效率也優于熒光燈下的閱讀效率，但并未達到顯著性[8]。黃海靜等[9]研究發現，大學教室照度值應在500～750 lx，500 lx時瞳孔面積變化率最大，4 000 K熒光燈下瞳孔變化率和生理指數變化率小，視覺作業最舒適；LED照明環境下不同色溫和照度條件對人眼視疲勞的影響尚不明確，人眼最敏感的光譜為555 nm[10]。為選擇適宜的LED照明參數，使用LED燈管提供不同色溫和照度，探究人在不同環境下學習不同時長后眼睛的視疲勞狀況。

1 實驗過程

1.1 實驗對象

經過預實驗，篩選得出有穩定生理參數的被試者共10人，矯正視力在5.0以上，無眼部疾病且色覺正常，生活作息規律。將10名被試者劃分為A、B兩組，進行交叉實驗。每組被試者完成1 d測量后休息1 d再進入下一組光環境進行測量。

1.2 實驗方法

視疲勞作為光環境評價的重要指標，一般采用近點作業法[11]和閃光融合頻率法[12]測量，其中眼電信號能比較客觀、準確地獲取視疲勞信息[13]。研究采用眼電信號來評價不同照明環境下的視疲勞程度，使用美國BIOPAC公司生產的MP150型號16導生理信號儀采集被試者的眼電信號，利用AcqKnowledge軟件內置的閾值頻次檢測方法，提取眨眼頻次，進一步算出閉眼時間，定量評價被試者在不同照明環境下的視疲勞程度。

1.3 實驗場景

使用全析因實驗方法，選定影響視疲勞的3個因素：色溫、照度和光照時間。雖然《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)規定，教室、閱覽室、辦公室等場所的工作面照度標準值為300～500 lx(宜采用中間色溫3 300～5 300 K)[14]，但還規定了照度分級標準最高達5 000 lx；日本照明學會對于該類工作房間的照度值規定為500 lx，色溫宜在4 000 K以上[15]；CIE標準規定色溫不得低于4 000 K，部分空間要求達到6 500 K[16]；歐盟的照度標準值為500 lx，色溫宜介于4 000～6 500 K[17]；有研究表明[18]，隨照度增加，滿意人數百分比上升，超過3 000 lx時，滿意人數反而減少。Partonen等[19]發現人在2 500 lx的眼部照度下活力度顯著提升。為進行視覺疲勞的研究，將實驗照度值劃分為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 lx共6個水平，結合相關研究成果，色溫取4 000、5 000、6 500 K共3個水平；共組合成18種不同的光環境。實驗室使用黑色遮光布劃分成9個隔間(見圖1)，互不干擾，窗戶使用黑色遮光簾布遮擋，排除室外天然光的影響(見圖2)。光源采用飛利浦LED燈管，單只功率16 W，可通過開關控制改變隔間工作面的照度值，不同照度值使用已校對準確的XYI-Ⅲ全數字照度計結合工作面網格均勻布點法進行測定；不同色溫采用相應色溫的燈管，并用CL-500A分光輻射照度計核實。將光照時間分為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h共6個時長，各水平交叉組合，搭配出108種光照組合，通過實驗得出最佳的色溫、照度和光照時間組合。

圖1 實驗室隔間平面布置圖Fig.1 Floor plan of the compartment

圖2 實驗室隔間實景圖 Fig.2 Picture of laboratory

1.4 實驗步驟

通過預實驗，每位被試者已熟悉實驗流程，且適應檢測儀器。實驗時間為下午14:00—17:00，持續3 h。光照前對被試者按順序進行第一次劑量作業任務、生理指標的采集和疲勞主觀自評，生理參數持續測量5 min；疲勞自評結束后，被試者進入對應光環境隔間自習，學習材料自行準備；光照時間達到0.5 h后，讓被試者按順序完成第2次劑量作業任務、生理指標的采集和疲勞主觀自評，生理參數仍測量5 min；光照時間達到1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h后，再讓被試者依次測量；第7次任務結束后，當天的測量結束。A組被試者和B組被試者交叉進行實驗，每組完成測量后休息一天，再進行下一組光環境的實驗。

2 數據分析與討論

2.1 眨眼頻次和閉眼時間的計算

對16導生理信號儀采集得到的眼電信號先進行降噪處理，然后采用雙閾值眨眼檢測算法，設置眨眼動作產生的眼電壓最低閾值，把電壓超過7 mV的眼電信號自動標記為眨眼動作，計算樣本每分鐘的眨眼次數和閉眼時間；每個樣本有7組數據，每組取5 min實驗的平均值作為該組的代表值；最后，計算出所有被試者光照后的眨眼頻次和閉眼時間的變化率。

2.2 方差分析

利用SPSS軟件先對眨眼頻次和閉眼時間變化率的數據進行正態分布檢驗(數據均通過95%的置信度檢驗)，P值均大于0.05，說明數據具有正態性，可進行方差分析；然后進行單因變量多因素方差分析,可得光照時間、照度、色溫、色溫和照度的交互作用對眨眼頻次和閉眼時間變化率的影響具有顯著性(P<0.05)，而色溫和光照時間的交互作用、照度和光照時間的交互作用影響不顯著(P>0.05)。

2.3 各因素單獨效應分析

眨眼頻次變化率=

(1)

閉眼時間變化率=

(2)

(3)

式中：a為因素(即色溫、照度、時間)；b為因素水平，n為實驗編號，N為a因素按照b水平參與的實驗組數之和。Knb為a因素按照b水平參與n實驗組的實驗指標結果。

眨眼頻次和閉眼時間變化率隨著光照時間的增加呈上升趨勢，說明視疲勞越來越嚴重(見圖3)；光照開始的0.5～1.0 h內，各指標變化率較低，視疲勞并不明顯；1.5～2.0 h期間，各指標變化率有所提高，視疲勞開始加重；2.0 h以后，平均變化率急劇增加，視疲勞現象嚴重；以視疲勞為評價指標，光照時間的最優水平為0.5～1.0 h，不宜超過1.5 h。

圖3 眨眼頻次和閉眼時間平均變化率隨光照時間的變化Fig.3 Average change rate of eye frequency and closed time changed with lighting time

不同照度水平對眨眼頻次和閉眼時間的變化率影響顯著，隨著照度的提高，各指標變化率總體呈現先降低后上升的趨勢(見圖4)。1 500 lx照度下閉眼時間的平均變化率有所突變，可能與實驗誤差有關，具體原因有待進一步分析。以視疲勞為評價指標，照度的最優水平為1 000～2 000 lx，超過2 000 lx后，照度越高視疲勞越嚴重。

圖4 眨眼頻次和閉眼時間平均變化率隨照度的變化Fig.4 Average change rate of blink frequency and closed time changed with illumination

4 000 K條件下，眨眼頻次和閉眼時間平均變化率最低，視疲勞程度最輕；6 500 K時視疲勞較嚴重；5 000 K時，視疲勞程度最高(見圖5)。以視疲勞為評價指標，色溫的最優水平為4 000 K。

圖5 眨眼頻次和閉眼時間平均變化率隨色溫的變化Fig.5 Average change rate of the frequency and closed time changed with color temperature

2.4 交互效應分析

通過方差分析，色溫和光照時間的交互作用、照度和光照時間的交互作用對眨眼頻次和閉眼時間平均變化率的影響不顯著(P>0.05)，僅有色溫和照度的交互作用具有顯著性(P<0.05)，分別計算出眨眼頻次和閉眼時間平均變化率在不同色溫和照度條件下的估算邊際均值(數據均通過95%的置信度檢驗)。在色溫4 000 K條件下，照度處于500～1 500 lx范圍內，眨眼頻次的變化率保持較低水平；照度超過1 500 lx后，變化率迅速上升，3 000 lx時反而有所下降；5 000 K條件下，除500 lx低照度和3 000 lx高照度外，中間照度時眨眼頻次的變化率均較低；6 500 K條件下，照度從500 lx提高到2 500 lx時，眨眼頻次的變化率始終較低，達到3 000 lx時急劇上升；以眨眼頻次為評價指標，4 000 K色溫和1 500 lx照度的條件下，眨眼頻次的變化率最低，視疲勞最不明顯(見圖6)。

圖6 不同色溫和照度條件下眨眼頻次的估算邊際均值Fig.6 Estimated marginal mean values of winking frequency under different color and illumination

不同色溫和照度條件下閉眼時間平均變化率的估算邊際均值各不相同(見圖7)；4 000 K色溫條件下，照度的增加對實驗指標的影響并不大，總體保持較低水平；5 000 K色溫條件下，低照度段(500～1 500 lx)的閉眼時間變化率較低，超過1 500 lx后，平均變化率隨著照度的升高急劇增加；6 500 K色溫條件下的變化趨勢與5 000 K正好相反，閉眼時間變化率在低照度段(500～1 500 lx)始終較高，超過1 500 lx后反而降低；以閉眼時間為評價指標，6 500 K色溫和2 500 lx照度的條件下，閉眼時間的平均變化率最低，視疲勞程度最小。

圖7 不同色溫和照度條件下閉眼時間變化率的估算邊際均值Fig.7 Estimated marginal mean values of change rate of closed time under different color and illumination

2.5 極差分析

極差是最大值與最小值的差值，體現了統計數據的變異量數(見式(4))。不同因素對實驗指標影響的主次順序也是通過極差大小判斷，極差越大說明該因素的影響能力越大。總體而言，色溫與照度的綜合效應影響最大，色溫的影響較小；以眨眼頻次為評價指標，色溫與照度的綜合效應>照度>光照時間>色溫；以閉眼時間變化率為評價指標，色溫與照度的綜合效應>光照時間>色溫>照度(見圖8)。

(4)

式中：Ra為a因素的極差，Ra的數值等于a因素眨眼頻次、閉眼時間變化率平均值的最大值和最小值的差值。

圖8 不同條件下眨眼頻次和閉眼時間變化率的極差統計Fig.8 Difference between the blink frequency and the rate of closed time in different conditions

3 結論

通過對色溫、照度和光照時間3個因素對眼電信號的眨眼頻次和閉眼時間變化率進行統計分析，得到以下結論：

1)光照時間、照度、色溫、色溫和照度的交互作用對眨眼頻次和閉眼時間變化率的影響具有顯著性(P<0.05)，而色溫和光照時間的交互作用、照度和光照時間的交互作用影響不顯著(P>0.05)。

2)隨著光照時間的增加，眨眼頻次和閉眼時間平均變化率均變大，視疲勞加重；光照時間最佳為0.5～1.0 h，且不宜超過1.5 h；隨著照度的提高，各指標平均變化率總體呈現先降低后上升的趨勢，以視疲勞為評價指標，照度的最優水平為1 000～2 000 lx，超過3 000 lx的高照度應予以避免；4 000 K色溫條件下，眨眼頻次和閉眼時間的平均變化率均較小，視疲勞相對較低。

3)以眨眼頻次為評價指標，4 000 K色溫和1 500 lx照度的條件下，眨眼頻次的平均變化率最低；以閉眼時間為評價指標，6 500 K色溫和2 500 lx照度的條件下，閉眼時間平均變化率最低，視疲勞程度最小。

4)色溫與照度的交互作用影響最大，色溫的影響較小；以眨眼頻次為評價指標，色溫與照度的綜合效應>照度>光照時間>色溫；以閉眼時間變化率為評價指標，色溫與照度的綜合效應>光照時間>色溫>照度。

5)照明環境設計中，為減少視疲勞，色溫和照度值需要分段考慮；500～1 500 lx照度環境下，色溫宜選用4 000 K；2 000～2 500 lx照度環境下，色溫宜選用6 500 K；3 000 lx的照度環境下，色溫宜選用4 000 K；總體而言，照度值宜為1 000～2 000 lx。

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