基于視覺疲勞的頻閃評價實驗研究

張恭銘，張武廣，趙建平，羅 濤

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

引言

頻閃是健康照明重要的光品質因子，不良的照明頻閃環境不僅會影響人們對光質量感知并產生不適，還會對人的視覺神經產生刺激進而引發視覺疲勞、青少年近視和偏頭痛等健康問題[1-3]。LED光源出現后，由于其自身可調可控的特性，使得人們在技術手段上已經可以實現無頻閃照明，但同時LED的頻閃變化范圍更大，不良的LED燈具頻閃甚至比傳統光源更加嚴重[4]。因此，燈具頻閃標準化的規范約束必不可少，傳統頻閃評價指標已無法滿足LED照明的需求。雖然目前頻閃效應可視度SVM(Stroboscopic Effect Visibility Measure)指標在國內外認可度較高，但具體限值規定尚未統一，而且SVM指標是基于頻閃效應可見性角度提出的[5]，并未與健康影響直接聯系，因此有必要開展SVM用于預測頻閃視覺疲勞影響的適用性研究。

1 SVM指標的提出及應用現狀

為了改進傳統頻閃評價指標如頻閃比、頻閃指數等對于波形、頻率等影響參數考慮的欠缺，2015年Perz等[6]通過理論研究和頻閃效應轉盤實驗提出了頻閃評價指標SVM，可見閾值為1。其原理是對測量光波進行傅里葉變化，再將每一個不同頻率的波幅值和對應的歸一化可見度加權求得[6,7]。

CIE TN 006—2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中推薦在80～2 000 Hz頻域內使用SVM表示頻閃程度，并標明應用范圍為移動速度<4 m/s的普通工作環境[8]。同年歐洲照明行業協會(Lighting Europe)明確提出未來將采用SVM指標評估頻閃。美國能源之星(Energy Star)在2017年開始使用SVM作為評價調光燈具頻閃評價指標[9]。同年美國電氣制造商協會(NEMA)發布NEMA 77-2017標準文件，推薦使用SVM指標并針對室內照明應用提出SVM≤1.6的限值要求[10]。

出于安全考慮，SVM目前主要應用于室內工作場所而不在工業領域中使用，因為工業領域中人員可能會接觸到帶有高速運動部件的機器，比如轉軸、皮帶和滑輪等，如果機械快速旋轉的頻率與光輸出頻率一致則可能會產生機器靜止的錯覺進而造成嚴重危險。

2 實驗過程

2.1 實驗目的

基于上述分析我們認為有必要探尋SVM與生理健康之間的關聯性，視覺疲勞是生理健康角度較好的切入點。通過設計頻閃視覺疲勞評價實驗，使用安菲莫夫校字表劑量作業誘發視覺疲勞，以被試前后臨界閃光融合頻率差值(ΔCFF)、閱讀速度及校字正確率反應被試視覺疲勞程度，對比分析SVM用于預測頻閃對視覺疲勞影響的合理性和適用性，研究SVM與視覺疲勞的顯著性關系得出影響規律，同時基于限制視覺疲勞程度的目標確定頻閃指標的合理限值范圍，為相關標準和實際應用提供技術支撐。

2.2 實驗設備及實驗臺搭建

實驗使用N6705C直流電源分析儀控制輸入電流以調整燈具光通量變化及桌面照度水平、控制輸入電流波形及頻率以模擬實驗所需照明頻閃條件；LFA-3000光源頻閃測試儀用于監測實驗空間照明頻閃水平，匹配實驗預設值；SPIC-300光譜彩色照度計監測實驗空間色溫、顯色指數等指標；XYI-III照度計監測桌面照度水平，匹配實驗預設值。

同時搭建了兩個2.5 m×2.5 m×2.8 m的模擬辦公區域，每個區域放置一套相同的桌椅，實驗臺四周用外表面深藍色內表面淺灰色的遮光布進行圍合遮擋，雙實驗臺可在不同工況下同時工作(圖1)。

圖1 實驗場景Fig.1 Experiment scene

2.3 實驗對象

招募13名年齡在21～31歲的青年，其中有7名女性和6名男性，所有被試均無已診斷的眼部疾病史；矯正視力≥1.0；無屈光不正、結膜炎、角膜炎、干眼等眼部疾病；無屈光手術史及內眼手術史。

2.4 實驗條件及流程

實驗共設置16種光環境模式，包括兩種色溫(3 500 K、5 000 K)、兩種桌面照度(300 lx、500 lx)以及四種頻閃條件(SVM=0、SVM=0.4、SVM=1、SVM=1.6)，表1為16個工況的參數設置。

表1 實驗工況參數

具體實驗流程為：1)將實驗區光環境調整為實驗工況；2)被試在休息結束后使用閃光融合頻率計進行兩次CFF值采集，若數據有偏差則休息5 min后重新采集直至測值穩定；3)被試進入對應實驗區，使用預先放置的安菲莫夫校字表進行1 h的視覺劑量作業；4)采集被試CFF值并記錄，收集校字表數據；5)被試進行眼部休息，佩戴眼罩輔助緩解視覺疲勞，并準備進行下一組實驗。

3 實驗結果及分析

3.1 SVM對視覺疲勞的影響規律

由于本實驗設置兩種照度和兩種色溫模式，因此在分析SVM與ΔCFF變化規律前需通過多因素協方差分析排除照度、色溫變化對本實驗的干擾。分別以SVM、色溫、照度作為自變量，ΔCFF為因變量進行協方差分析，結果表明照度(F=0.767，P>0.05)及色溫(F=0.134，P>0.05)兩個協變量對ΔCFF影響無統計學意義，且SVM與照度(F=0.163，P>0.05)、SVM與色溫(F=1.717，P>0.05)的交互作用檢驗結果P均大于0.05，表明本實驗中照度及色溫的變化對頻閃視覺疲勞影響規律組間干擾可以忽略。

表2 照度、色溫協變量分析結果

圖2為4種照度色溫模式下因變量ΔCFF隨自變量SVM變化的箱線圖，隨著SVM值的增大，被試視覺疲勞度均明顯呈升高趨勢(P<0.001)。燈具直流驅動無頻閃時，被試在實驗前后臨界閃光融合頻率變化很小而在SVM=1.6時，被試臨界閃光融合頻率差值在2.0以上，明顯高于其他幾種頻閃模式。可以認為SVM能較好地預測頻閃對人視覺疲勞的影響程度。

圖2 4種照度色溫模式下，SVM對ΔCFF的影響Fig.2 Influence of SVM on ΔCFF in four modes of illuminance combined of illuminance and color temperature

利用SPSS軟件對SVM和ΔCFF擬合顯示最優擬合函數為Y=0.1X2+0.85X+0.44(R2=0.869，F=163.09)，如圖3所示。

圖3 SVM與ΔCFF擬合曲線Fig.3 Linear regression fitting of SVM and ΔCFF

表3對4種頻閃水平多重比較分析結果顯示，SVM=0與SVM=0.4兩種模式對視覺疲勞的影響組間無顯著差異，可以近似認為SVM 0～0.4、SVM 0.4～1、SVM 1～1.6為視覺疲勞角度三種顯著不同的頻閃程度。歐盟法規SVM限值為0.4、CIE規定SVM限值為1、NEMA77-2017推薦SVM限值為1.6，本實驗結果與上述相關研究結果較為吻合。

3.2 SVM對視覺工效影響分析

視覺工效可以用來間接反映被試視覺疲勞程度，統計原始數據中閱讀速度為m頁/h，校字正確率為n%，考慮到被試在閱讀速度和校字正確率上存在不可控的個體差異，因此在數據分析前將閱讀速度以及校字正確率進行了歸一化處理，便于在一定程度上減弱個體差異性帶來的誤差影響。圖4可以看出SVM=0與SVM=1.6兩種頻閃程度在對閱讀速度(P=0.009)及校字正確率(P=0.003)的影響上存在顯著性差異，而其余頻閃程度間差異性不顯著，因此可以判斷SVM達到1.6后視覺工效水平將出現明顯下降。

表3 SVM對ΔCFF影響組間比較分析

圖4 不同SVM對校字正確率及閱讀速度影響Fig.4 Effect of different SVM on reading speed and text-check accuracy

4 結論

通過以上研究分析可以判斷在本實驗條件下：

1)SVM指標可以用于預測頻閃對視覺疲勞的影響程度，隨著SVM值的增大，被試視覺疲勞程度明顯隨之增強，二者之間擬合方程為Y=0.1X2+0.85X+0.44。

2)近似認為SVM在0～0.4、0.4～1、1～1.6的不同取值范圍對應3種不同的頻閃視覺疲勞影響程度，在長時間視覺作業場所照明設計中可以將此作為參考。

3)SVM達到1.6后頻閃將會顯著降低視覺作業人員的視覺工效水平，SVM在0～1之間頻閃對視覺工效影響不明顯。

本實驗樣本量偏少，且人體視覺疲勞表現存在個體差異性，長時間暴露在頻閃光下人體會出現頻閃適應，這可能會減弱頻閃對視覺疲勞的影響程度。此外本實驗中光輸出波形均為為正弦波，沒有考慮波形的變化可能對頻閃視覺疲勞影響規律的影響。未來將針對這些問題繼續完善實驗。