牛萍娟，方晶璐，田会娟，梁立君

(天津工业大学 电气工程与自动化学院；天津工业大学半导体照明工程研发中心，天津 300387)

引言

2002年，人眼视网膜上的第三类感光细胞——本征感光视网膜神经结细胞(ipRGCs)被发现，它可以通过对进入人眼的可见光辐射产生一系列化学生物反应来控制人的生理节律、生物钟和人眼瞳孔大小，从而对人的生理、心理等产生影响，被视为科学界近年来十大发现之一。[1-2]因此，光照对人体的生理、心理健康产生的影响成为国际照明、医学领域研究的热点。[3]近年来，研究结果表明照明环境不仅会对人体的各项生理参数，例如血压、心率、褪黑激素等产生影响，同时对人员的工作效率和视功能也具有显著的影响。[4、5]Kobayashi H等[6]的研究证实，荧光灯的相关色温会影响舒张压。Baron RA等[7]的研究表明照明环境的色温和照度水平会影响人的睡眠质量、情绪、警醒程度和自我唤醒的水平。胡瑞荣[8]研究了照度Ev从25 lx逐渐提高到95 lx，学生阅读效率和计数准确率的变化。结果表明：照度Ev越高，阅读效率和计数的准确率越高，双眼的疲劳程度越低。Van Bom-mel等[9]在工业生产中研究了工作环境的照度对工作效率的影响。结果表明：人员的工作效率随环境照度Ev的增加有显著地提高。当照度Ev从300 lx提高到500 lx生产效率可以提高8%；从300 lx提高至2000 lx时，生产效率可以提高20%。鲁玉红等[10]研究了不同峰值波长的蓝光对人体光生物效应的影响，实验结果表明人在峰值波长为468 nm 的蓝光下，脑力工作能力指数(IMC) 最高，工作速度最快，工作最舒适，不易感到疲劳。但生理参数测定结果表明，人在峰值波长为468 nm 的蓝光下脉搏变化率最大。

LED光源被认为是人类发展史上继火焰、白炽灯、荧光灯之后的第四代光源。和前三代光源相比较，LED 具有节能、环保、寿命长、高可靠性、响应时间短等诸多优点。近年来，随着LED 技术的发展，LED 的亮度不断提高，功率不断增大，已开始广泛地应用于交通指示、显示屏、各种照明电器、背光照明、道路照明、室内照明、医学治疗等领域。同时，随着LED 应用规模、领域的不断扩大，LED 光生物安全性问题越来越受到人们的关注。本论文研究了在三种典型相关色温Tc不同照度水平Ev下LED照明环境对受试者学习效率、双眼视调节力、生理指标参数及主观评价的影响。

1 实验研究

1.1 实验环境设置

实验场地为两间大小相同，尺寸为5.12m×3.4m×2.8m的办公室。每间实验房间都是统一的装修，屋顶和墙壁是白色的，地面是大理石，相应的反射系数为屋顶pc=0.86，墙壁pw=0.78，地面pf=0.54。

实验采用相关色温Tc分别为2700 K、4500 K、6500 K的LED T8灯管作为实验灯具，功率光谱图如图1所示。采用控制单一变量法设计实验光环境，形成不同相关色温Tc、不同照度Ev的9种LED照明环境，如表1所示。根据《中小学校教室采光和照明卫生标准》的要求[11]，每一种实验环境的桌面照度均匀度Uc≥0.7。同时，为了减小温度、湿度对受试者生理状态的影响，我们将实验环境的温度控制在21～25℃，湿度控制在40%±10%。[12]

图1 实验所用LED光源的光谱图Fig.1 The spectra of LED light source in the experiment

表1 实验照明环境Table 1 Light environment

1.2 实验对象

本次实验共招募10名受试者(5名男生，5名女生)，均为年龄在23～25岁之间的在校学生。该10名受试者身体健康，双眼矫正视力为1.0以上，非色盲，无眼部疾病，无高血压、心脏病，无酗酒、吸烟等不良嗜好，并且在实验期间不允许摄入含酒精和咖啡因的饮品和食物。

1.3 实验方法

1.3.1 学习效率测试

受试者在每一个光环境中都需要接受一系列的视觉作业来测验注意力集中程度、学习疲劳和视觉敏感度，从而对学习效率进行评估。

(1)注意力集中程度测试

注意力集中程度是通过由两组不同的数字组成的数字核对表来测试。要求受试者找出两组数的不同之处，并标出不同项。

(2)学习疲劳程度测试

通过由A、B、C、E、H、K、N、X八个字母随机组成的安莫非夫字母表测试受试者的学习疲劳程度。每个字母出现的频率为20次，总共160个测试字母。受试者要求找到特定的字母并且做出标记。

(3)视觉敏感度测试

通过由不同方向的C环组成的兰道环实验，测试受试者的视觉敏感度。要求受试者找出规定开口的C环。

上述内容用于学习效率测试的视觉作业，受试者要求在没有笔尖或者手指的协助下尽快的完成实验，并记录完成时间。每一个测试环境的工作效率如式(1)所示：

(1)

1.3.2 双眼调节力

在眼科学中双目视调节力是指由远到近调节晶状体焦距，通过一系列的睫状肌使得在视网膜上清晰成像的能力。如果视调节力增加，说明眼部放松，视觉效果良好。相反，如果视调节力下降则说明调节储备不足，从而不能精确的聚焦导致在视网膜的后方成像。测试是由专业的验光师使用综合验光仪完成。在整个实验过程中我们记录下实验前后视调节力的变化。

1.3.3 生理指标参数测试

根据人体应激反应，当人体受到外界刺激时，血压、脉搏、心率、呼吸、内分泌量等各项生理指标参数均会发生相应的变化，不同照明环境会对受试者产生一定的刺激从而引起生理效应。[13]

本文研究了不同相关色温、不同照度水平Ev的照明环境下，受试者血压、脉搏、心率实验前后的变化Δxi，取其方差，来衡量生理指标参数实验前后变化的波动性大小，分析得出照明环境对受试者生理的影响和作用，其计算公式如式(2)所示：

(2)

1.3.4 主观评价

此外，参与实验的受试者在每一个实验环境中都需要记录下他们的主观评价。问卷包括9个问题，包含了光照环境、视觉舒适度、疲劳程度和情绪方面的评价。[14]每一项都有从“一点也不满意”到“非常满意”7个等级的评价，按照1～7计分。受试者需要记录下每一实验环境中“此刻”的感受。

1.4 实验安排

每一个受试者都需要进入9个独立的测试环境。10名受试者被分为2组，每组进入不同的色温环境，照度按照300 lx→500 lx→800 lx的顺序进行实验。在进入实验环境之前，首先对双目视调节力进行测试，然后进入测试环境，适应5分钟后，对生理指标参数进行测量记录并且完成视觉作业。经过一个半小时时间的学习或者工作，填写主观评价问卷，再次测量生理指标参数和双目视调节力。每一个光环境的测试时间为2个小时，完成一组实验后进入休息室休息1个小时，让眼睛得到充分的休息然后进入下一个测试环境。

2 实验结果与分析

2.1 学习效率

根据实验心理学中速度与准确性权衡的原理[13]，在进行实验时，应考虑速度与准确性两个指标。经过对视觉作业的核对，受试者作业完成的准确率在100%，因此可以直接通过比较受试者完成视觉作业的时间长短来分析照明环境对学生学习效率的影响，完成时间越短，学习效率越高。

我们采用控制单一变量来分析实验结果，图2和图3显示在9种不同的LED照明环境下视觉作业的测试结果。

在同一照度水平Ev不同相关色温Tc的条件下，受试者完成视觉作业平均时间如图2所示。从图2可以看出：在实验设定的相关色温变化范围内，当Tc=4500K，受试者完成各项视觉作业的平均时间最短，即在Tc=4500K的测试环境中，受试者的注意力集中程度和视觉敏感度最高，学习疲劳最低。据此可以初步认为：学习效率与相关色温Tc呈开口向下的抛物线型的关系，单纯的提高照明光源的色温并不能提高学习效率。这一实验结果与Breanne[15]的实验结果相一致，在中间色温的环境中受试者完成视知觉测试包括颜色识别要比其他环境中的要快，同时唤醒水平高，沮丧情绪低。其原因为：根据光对人体产生的光生物效应，相关色温的增加可以提高大脑皮层的兴奋性。低色温的光源给人一种放松、温暖的感觉，大脑皮层的兴奋性相对较低，不能使人员进入良好的学习和工作的状态；高色温的光源可以使大脑处于高度的兴奋状态，但这种兴奋状态反而使人不能全身心的投入到学习和工作；而中间色温由于其更接近日光的颜色，既给人以平和、自然的感觉，又可以增加大脑皮层兴奋程度，使工作人员能更好的投入到学习和工作当中，从而提高学习和工作效率。

图2 同一照度不同色温条件下完成视觉作业的平均时间Fig.2 The average completed time at the same Ev combined with different CCT condition

在同一相关色温Tc不同照度水平Ev的LED照明环境下，受试者完成视觉作业的平均时间如图3所示。从图3可以看出，在实验设定的照度变化范围内，在Ev=500 lx的环境下，完成视觉作业1和视觉作业2的时间最短，在Ev=800lx的环境下，完成视觉作业3的时间最短，即受试者在500lx 的照明环境中受试者的注意力集中程度最高，学习疲劳感最低，在800lx 的环境中视觉敏感度最高。据此可以初步认为在实验设置的照度范围内，学习效率与注意程度和学习疲劳程度与照度呈开口向上的抛物线关系，视觉敏感度则是随着照度的增加而提高。这与国内其他学者[16]公布的结果相一致——学生在高照度的工作环境下视觉感觉舒适，学习效率也相对较高，在教室中如果条件允许，建议采用500～750 lx的照明环境。原因为：在一定范围内随着照度Ev的提高，进入血液中的褪黑激素减少，人体的唤醒能力就越强，疲倦程度越低，人员的注意力集中程度提高，而对于视觉敏感度则是照度越高，敏感程度越高。从而可以得到在一定范围内提高可以有效的提高学习和工作效率。

图3 同一色温不同照度条件下完成视觉作业的平均时间Fig.3 The average completed time at the same CCT combined with different Ev condition

2.2 双目视调节力

双目视调节力的变化结果如图4所示。在同一环境下，由于个体差异，受试者的变化不一样，因此我们选择调节力增加最大的环境作为每位受试者眼部最舒适的环境，统计结果如表2所示。由于2号选手在色温为2700K，照度为300lx和800lx 时的照明环境中视调节力的增加的幅度相同，所以最后的统计结果为11。统计结果显示在Ev=500lx，Tc=4500K的照明环境中视调节力增加的人数最多，据此我们可以认为Ev=500lx，Tc=4500K的照明环境为最舒适的环境。

图4 双目视调节力的变化情况Fig.4 The change of binocularvision accommodation of every subject

表2 眼部舒适度最佳的测试环境统计结果Table 2 The total statistical result

2.3 生理参数

不同LED照明环境下受试者实验前后的舒张压、收缩压以及心率的变化方差如图5所示。数据显示，在Tc=2700K，Ev=800lx测试环境下，实验前后舒张压的变化方差最小；在Tc=4500K，Ev=500lx测试环境下，实验前后收缩压、心率的变化方差最小。从人体生理学角度分析，各项生理指标参数的变化方差越小，说明生理指标参数波动性越小，说明人体的舒适度就越高，由此可以推出受试者在Tc=4500K，Ev=500lx的照明环境对人的光生物效应最小。

2.4 主观评价

不同测试环境中受试者的主观评价结果如表3所示。数据显示Tc=4500K，Ev=500lx测试环境得分最高，这就表明Tc=4500K，Ev=500lx测试环境的总体舒适度最高。在实验的过程中，通过对受试者的跟踪访问得知，他们认为Tc=2700K很容易犯困，Tc=6500K的照明环境给人以比较刺眼的感觉，照度越高，越刺眼，并且给人以紧张的感觉，而Tc=4500K的环境整体给人以舒适柔和的感觉，适合学习工作。

注：测试环境1～9的顺序与表1中的顺序一致

表3 9种不同LED测试环境的主观评价Table 3 The results of subjective assessment

3 结论

本文采用学习效率测试法、视调节力测试法、生理参数测试法和主观评价法研究了9种不同的LED照明环境对人体光生物效应的影响。实验结果表明：(1)良好的照明环境会对受试者的注意力、学习疲劳程度以及视觉敏感度有积极的影响，从而提高受试者的学习效率；(2)照明环境对人眼双眼视调节力有明显的影响，良好的照明环境对预防近视有重要的意义；(3)照明环境会对人体的生理和心理产生刺激。根据实验数据，我们认为Tc=4500K，Ev=500lx的LED照明环境对学习效率、视调节力和生理参数都有积极的影响，为理想的学习和工作的照明环境。这项工作为探索绿色、舒适的半导体照明环境提供一定的理论和实验基础。

[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，Seppänen 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].心理学报,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] 鲁玉红，王毓荣，金尚忠，等.不同波长蓝光LED对人体光生物节律效应的影响[J]. 发光学报,2013,34(8):1061-1065.

[11] 中华人民共和国卫生部.中小学校教室采光和照明卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2011.

[12] 兰丽.室内环境对人员工作效率影响机理与评价研究[D].上海：上海交通大学，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.