LED教室照明燈具對人眼生理特性的影響

郭 婭，曾珊珊，郝文濤，陳 偉，唐珊珊，衛 科，溫蓉蓉，潘麗君，蔡建奇，樊嘉杰

(1.中國標準化研究院公共安全標準化研究所，北京 100191；2.昆山人因健康工程研發中心有限公司，江蘇 蘇州 215333 ；3.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022；4.北京理工大學生命科學院，北京 100081；5.綿陽產品質量監督檢驗所，四川 綿陽 621000；6.常州友晟電子有限公司，江蘇 常州 213000)

引言

隨著光效、顏色一致性和耐用性的不斷發展，LED已經在室內照明、商業照明、汽車照明、醫療照明等領域獲得了廣泛的應用[1,2]。在室內照明應用中，以往的研究多集中在節能環保方面，但由于未考慮人的因素而顯得不夠全面。越來越多的學者開始關注各種照明環境下的視覺舒適性，也即光致視疲勞[3-16]。對于特定的照明環境，光質量(照度、日光系數、日光自主性等)和光分布(照度均勻性)等可以描述其特征。對于燈具，評價光質量和眩光可應用其光學性能，如照度、亮度、色溫(CCT)[10]和光譜能量分布(SPD)。光分布指數在燈具產品中并不常見，通常用于室內照明。這些光學指標可以涵蓋照明環境的整體特征，并有相應的評價標準，其中大部分評價是基于對視覺不適的主觀感知。

視覺不適或疲勞一般表現為眼酸、流淚和成像模糊，其中眼酸和流淚與睫狀肌調節有關，成像模糊則是由睫狀肌調節晶狀體焦距失敗引起的。在不同光照環境下的短期視覺任務中，睫狀肌的調節能力呈現出不同的變化，導致晶狀體形狀的不同。在人眼測量中，睫狀肌的調節能力可用調節(ACC)來表示，高階像差(HOAs)可以有效地表征晶狀體的變化。因此，人眼的疲勞知覺總是與ACC和HOAs等眼生理參數有關。用主觀問卷評分法直接測量不適感往往容易受到人的情緒和認知的影響，因而往往會產生不穩定的結果。而ACC和HOAs等眼生理參數則由于其相對穩定而常被用于臨床診斷。因此，通過對ACC和HOAs的眼生理參數的測量，有望獲得更準確的視覺不適或視疲勞的結果。

在相同持續時間的各種照明環境中，人眼往往會有不同的反應，這可以通過ACC和HOAs的不同變化反映出來。在恒定時間內，燈具的光學性能可能與眼生理參數的變化(ΔACC和ΔHOAs)有關。對于燈具而言，光學性能指標包括光質量和光分布，其中光質量僅取決于單個燈具，而光分布不僅取決于單個燈具，還取決于空間分布。本研究旨在比較不同燈具光學性能對人眼視覺的影響，找出燈具物理指標與人眼生理特性的關系。這項工作的貢獻在于，用客觀的方法根據生理參數而不是主觀感知來定量評估LED燈具的光學性能。本研究的方法與結果適用于照明和顯示領域，并可為人工光源的研發提供參考。

1 材料和方法

1.1 光環境搭建

當人在一定時間內停留在特定光照環境中時，有必要測量其ΔACC 和 ΔHOAs。在這種照明環境下，應提前測量其照明指標包括光質量和光分布。光質量取決于燈具的SPD，光分布取決于光的分布曲線以及燈具的空間分布。

為了構造照明環境，我們使用了兩種標有樣品1和樣品2的教室燈具。用積分球(Everfine YF1000)和測角光度計(Everfine GO-2000A-V1)測量LED燈具的光學性能。根據CIE 127:2007[17]標準進行測量，測量結果見表1。兩個燈具的SPD和光分布曲線如圖1所示，表明這兩個燈具具有相似的SPD。在藍光、綠光和紅光部分有三個峰值波長，其中綠光部分的強度與紅光部分相似。對于兩個燈具的光分布曲線，樣品2的平均出光角明顯大于樣品1(幾乎是樣品1的兩倍)。對于0度的光強，樣品1明顯高于樣品2。

表1 燈具照明參數詳細信息Table 1 Lighting parameters of the luminaires

圖1 兩種燈具的光學性能測量結果Fig.1 Optical characteristics of the two kinds of luminaires

在照明環境中，光的分布取決于兩個因素：單個燈具的光分布曲線和所有燈具的位置分布。在本研究中，我們比較了上述兩種具有不同光分布曲線的教室燈具。為了簡單起見，我們將燈具的位置分布保持不變，如圖2所示。桌椅以3×4的矩陣均勻分布。教室左墻上有兩扇門(前、后)、兩扇窗(灰色窗簾)，右墻上有四扇窗(灰色窗簾)，黑板放在教室前面。如圖3所示，我們用兩種不同的燈具模擬了設計照明環境中的光分布，這表明了環境中的光均勻性不同。

1.2 人因實驗

對25名被試者進行測量，這些被試接受檢查以確保沒有白內障、外斜視或弱視等眼病(表2)。光致視疲勞是一種與過程相關的累積效應?；诖?，我們設計了一種通過生理參數測量來定量評價光致視疲勞的方法。首先，要求所有參與者閉上眼睛15 min，以達到最佳和穩定狀態。其次，對參與者進行測量，收集視覺生理參數數據。最后，引導參與者執行視覺任務45 min。根據視覺疲勞的不同誘因，視覺任務分為兩類：照明和顯示。對于照明類型，根據ISO 8995《Lighting of Indoor Work Places》(室內工作場所的照明)構建實驗環境，視覺任務內容為蘭道環。設計時長為45 min，因為大多數人在學校時習慣了這種時間長度。中小學的課時設置為45 min，電視劇的集長設置為45 min。在本研究中，我們的目的是評估光致視疲勞。45 min的時間內，對視疲勞的輕微影響會逐漸累積，在此期間，視疲勞程度會逐漸發生變化。

測量過程如圖4所示。在我們的人因實驗中，在樣品1教室燈具的照明環境中進行了5 d的測量。在配備樣品1教室燈具的教室中，不同位置的桌子有不同的桌面照明。我們選擇350 lx、450 lx和550 lx作為照度進行測量。隨后的5 d，在樣品2教室燈具的照明環境中進行測量。在配備樣品2教室燈具的教室中，桌面照度也隨桌子位置的不同而變化。在本研究中，我們期望以眼生理參數為基礎，以客觀的方法評估桌面照度對人眼的影響。因此，我們同樣選擇350 lx、450 lx和550 lx作為照度進行測量。測量的詳細信息見表3。

圖2 設計照明環境中的光分布Fig.2 Light distribution in the designed lighting environment

在本研究中，我們使用ΔACC 和 ΔHOAs作為照明環境影響的指標。通過對放松狀態的測量，得到了ACC和HOAs的初始值。通過對疲勞狀態的測量，得到了ACC和HOAs的最終值。當最終值減去初始值，我們就可以得到變化值。變化的絕對值可以代表照明環境的影響。通過測量，我們可以得到三種類型的ACC值：ACCmax、ACCmin和ACC變量。ACCmax描述了睫狀肌達到最大拉力時的屈光度。ACCmin描述了無附加拉力的屈光度。ACC變量是ACCmax和ACCmin之間的差值。

ACC由NIDEK AR-1S儀器測量，測量過程中，參與者將下巴和前額置于儀器的指定位置，并注視儀器中的圖像。圖像隨時間和ACC值(平均值、最大值和最小值)變化，儀器將自動采集。通過NIDEK OPD Scan III自動采集像差數據，并以澤尼克多項式的形式呈現。高階像差的球差來源于澤尼克多項式的展開。在目前的研究中，我們使用ACCmin來反映睫狀肌的調節能力，并用ΔACCmin來描述ACCmin的變化。為簡單起見，我們將ΔACCmin記為ΔACC。

表2 參與者的詳細信息Table 2 The detailed information of the participants

圖4 實驗過程詳細信息Fig.4 The experiment process

項目信息內容在5 d內:所有參與者在樣品1教室燈具的照明環境中進行45 min的蘭道環計數(桌面照度:350 lx、450 lx、550 lx)隨后5 d:所有參與者在樣品2教室燈具的照明環境中進行45min的蘭道環計數(桌面照度:350 lx、450 lx、550 lx)設備ACC: NIDEK AR-1S (由北京市計量試驗研究所校準,校準證書編號: DC18J-QQ000362)HOAs: NIDEK OPD Scan III (由北京市計量試驗研究所校準,校準證書編號:JC17C-AB010010)PS: NIDEK AL Scan (由北京市計量試驗研究所校準,校準證書編號: HD14C-QZ7196)

通過人因實驗，我們可以得到第1～35項澤尼克像差，只有第4項和第12項獨立于測量角度。因此下面的分析將集中在這兩個像差。我們用HOA4表示第4項澤尼克像差，HOA12表示第12項澤尼克像差。HOA4(離焦)和HOA12(球差)與晶狀體的形狀有關，因此ΔHOA4和ΔHOA12可以反映晶體的變形，從而表征照明的影響。因此，我們采用ΔACC、ΔHOA4和ΔHOA12來描述光致視疲勞。

本研究還收集了不同光環境下被試者的PS(瞳孔大小)數據，因為HOA值往往受瞳孔大小的影響，而瞳孔大小對光照條件非常敏感。

2 實驗結果

2.1 桌面照度

針對人造燈具，有幾個指標可以用來描述光的質量。在本研究中，測量是在同一教室內進行的。用于照明的燈具具有相似的SPD分布，因此教室中的CCT幾乎不會在每次測量中改變。因此，光質量的主要差異是桌面照度。被試者在不同的桌面照度下執行蘭道環計數任務，其眼部生理參數(ACC、HOA4和HOA12)在任務持續時間內有所變化。這些參數的變化可以反映相應的桌面照度對人眼生理特征的影響。

ACC描述了睫狀肌的調節能力，其變化反映了由于光照引起的視疲勞導致睫狀肌調節能力的降低。在視覺任務期間，樣品1教室燈具和樣品2教室燈具的ΔACC均在照度為550 lx的時候達到最小值，因為盡管存在重疊區域，但550 lx的箱體位置明顯低于450 lx和350 lx的箱體位置(圖5(a)和(b))。對ΔACC數據進行顯著性分析，結果如表4所示。這意味著睫狀肌調節能力在550 lx的桌面照度中呈現最小變化。對于450 lx和350 lx中的ΔACC，因為方框圖的中線幾乎處于同一水平很難判斷較大和較小的值。對于樣品1教室燈具，350 lx下的ΔACC數據比450 lx下的分布相對更分散。但對于樣品2教室燈具而言，350 lx下的ΔACC數據比450 lx下的數據更集中。分散或集中分布可能取決于參與者是否認真完成任務。

HOA4和HOA12通過量化視網膜中形成的圖像畸變來描述人眼的成像質量。HOA4和HOA12的變化不太可能被察覺，因為與原始值相比，這些值的變化非常小。然而，HOA4和HOA12與晶狀體形狀直接相關，晶狀體形狀由與睫狀肌相連的懸韌帶控制。因此，這說明ΔHOA4和ΔHOA12與睫狀肌的伸展狀態有關。睫狀肌拉力越大，疲勞越容易累積。在樣品1和樣品2教室燈具的照明環境中，與其他兩種照度相比，ΔHOA4和ΔHOA12在照度為550 lx時變化最小(圖5(c)和(d))。ΔHOA數據的顯著性分析結果如表4所示，說明照明環境此時對HOA4和HOA12的影響最小。對于450 lx和350 lx照度下的ΔHOA12，樣品1和樣品2教室燈具的結果略有不同。

圖5 不同桌面照度的比較Fig.5 Comparison of the various desk illuminance

表4 不同照度下人眼參數的顯著性分析結果Table 4 The significance analysis of ocular characteristics with various illuminance

注：*——p<0.05，**——p<0.01

2.2 光分布曲線

光分布曲線是描述單個燈具特性的物理指標，盡管它與多個燈具構成的照明環境中的光分布有關。當光從燈具發出時，陣列的方向是不同的。針對LED燈，我們設計了封裝結構，以協調陣列的空間分布，從而實現特定的光分布。在單個燈具的照明環境中，不同位置的光強度可用極坐標系或直角坐標系來描述。本研究中，教室內的照明環境由天花板上的11盞燈構成(2個橫向布置在黑板上方，9個按照3×3的方式縱向布置)。光的空間分布來自于11盞燈的綜合效應。配以不同配光曲線的燈具，使教室內的配光效果明顯。

與樣品1教室燈具相比，樣品2教室燈具的出光角要大得多，幾乎是樣品1教室燈具出光角的兩倍。相應地，樣品1的出光角范圍內的光強要比樣品2大得多。結果表明，樣品2教室燈具的光空間分布更加均勻。在相同桌面照度的照明環境中，樣品1教室燈具中的ΔACC明顯高于樣品2教室燈具中的ΔACC(圖6(a))。對ΔACC數據進行顯著性分析，結果見表5，說明睫狀肌的調節能力對光均勻性敏感。在光線分布更均勻的光照環境中，睫狀肌似乎不太容易累積疲勞。光的空間分布比桌面照度引起的ΔACC差異更為明顯，兩種燈具的ΔACC誤差條之間幾乎沒有重疊區域。

圖6 不同桌面照度比較Fig.6 Comparison of various desk illuminance

光的空間分布對ΔHOA4和ΔHOA12也有明顯的影響，見圖6(b)。關于ΔHOA數據的顯著性分析如表5所示。在光線更均勻的照明環境中，HOA4和HOA12的變化較小。晶狀體是在人眼成像系統中起攝像機鏡頭作用的重要組件。晶狀體改變其形狀以獲得清晰的視網膜圖像，形狀的改變受睫狀肌拉力的控制。隨著照明環境的變化，視網膜不僅會隨著圖像的變化而發生變形。根據我們的結果，光的空間分布似乎比桌面照度更明顯地觸發晶狀體變形。當晶狀體長時間保持一定形狀時，睫狀肌很難改變晶狀體形狀，睫狀肌的調節能力似乎降低，說明視疲勞累積明顯。

表5 不同燈具在同一照度下人眼參數的顯著性分析結果Table 5 The significance analysis of ocular characteristics with the same illuminance of the various luminaires

注：**表示顯著性差異p<0.01

2.3 調節機制

視覺是通過視網膜中的光子捕獲和信號轉換以及通過神經纖維的信號傳輸獲得的。光致11-順式視網膜異構化過程中發生信號轉換。視覺皮層中的圖像信息取決于到達視網膜的光子的數量和波長。如果視網膜沒有清晰的圖像，皮層將通過光神經發送信號來控制睫狀肌。感覺纖維、交感神經纖維和副交感神經纖維三種神經纖維在睫狀肌調節過程中起著重要的作用。感覺纖維接收眼球感覺并傳輸到皮層。副交感神經纖維控制瞳孔括約肌和睫狀肌調節。交感神經纖維控制瞳孔括約肌。瞳孔大小的變化是由不同的神經纖維控制的。在本研究中，眼生理參數值隨光環境的變化呈現出快速變化，因為在不同的光源或不同的燈具中，眼生理參數值沒有顯著差異。推測控制瞳孔大小的副交感神經纖維與控制睫狀肌調節的副交感神經纖維不同。

3 結論

在本研究中，我們通過不同眼部生理參數的變化，比較了不同燈具對人眼物理參數的影響。燈具的物理指標包括桌面照度350 lx、450 lx、550 lx和平均出光角分別為67.9°、116°的光分布曲線。眼生理參數包括ACC、HOA4和HOA12。這三個參數在不同的桌面照度和光分布曲線上呈現相似的趨勢。在桌面照度為550 lx的照明環境中，這三個參數的變化(ΔACC、ΔHOA4和ΔHOA12)達到最小值。當燈具光分布曲線平均出光角較小時，三個參數的變化較大。結果表明，桌面照度和亮度光分布曲線對人眼睫狀肌調節能力均有影響，同時人眼睫狀肌調節能力對光分布曲線更為敏感。

桌面照度在室內照明質量評價中被廣泛采用，測量方便的同時對光的質量有較好的評價效果。但是，如果不考慮用戶-桌面的距離和角度，這看起來不夠全面。因此，不同桌面照度環境下的眼生理參數存在差異，且差異不顯著。光分布曲線描述了燈具的光分布特征，反映了照明環境的光空間分布。與照度相比，眼生理參數對光的空間分布更為敏感。燈具的物理指標代表了發射陣列的特性。在本研究中，物理指標與特定時間內受影響的眼部生理參數有關，其關系對于燈具的設計和優化具有重要意義。未來我們還需要更多的研究來進一步了解這種關系。