基于视觉疲劳的频闪评价实验研究

2021-08-15张恭铭张武广赵建平

照明工程学报 2021年3期

张恭铭，张武广，赵建平，罗涛

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

引言

频闪是健康照明重要的光品质因子，不良的照明频闪环境不仅会影响人们对光质量感知并产生不适，还会对人的视觉神经产生刺激进而引发视觉疲劳、青少年近视和偏头痛等健康问题[1-3]。LED光源出现后，由于其自身可调可控的特性，使得人们在技术手段上已经可以实现无频闪照明，但同时LED的频闪变化范围更大，不良的LED灯具频闪甚至比传统光源更加严重[4]。因此，灯具频闪标准化的规范约束必不可少，传统频闪评价指标已无法满足LED照明的需求。虽然目前频闪效应可视度SVM(Stroboscopic Effect Visibility Measure)指标在国内外认可度较高，但具体限值规定尚未统一，而且SVM指标是基于频闪效应可见性角度提出的[5]，并未与健康影响直接联系，因此有必要开展SVM用于预测频闪视觉疲劳影响的适用性研究。

1 SVM指标的提出及应用现状

为了改进传统频闪评价指标如频闪比、频闪指数等对于波形、频率等影响参数考虑的欠缺，2015年Perz等[6]通过理论研究和频闪效应转盘实验提出了频闪评价指标SVM，可见阈值为1。其原理是对测量光波进行傅里叶变化，再将每一个不同频率的波幅值和对应的归一化可见度加权求得[6,7]。

CIE TN 006—2016《Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models》中推荐在80～2 000 Hz频域内使用SVM表示频闪程度，并标明应用范围为移动速度<4 m/s的普通工作环境[8]。同年欧洲照明行业协会(Lighting Europe)明确提出未来将采用SVM指标评估频闪。美国能源之星(Energy Star)在2017年开始使用SVM作为评价调光灯具频闪评价指标[9]。同年美国电气制造商协会(NEMA)发布NEMA 77-2017标准文件，推荐使用SVM指标并针对室内照明应用提出SVM≤1.6的限值要求[10]。

出于安全考虑，SVM目前主要应用于室内工作场所而不在工业领域中使用，因为工业领域中人员可能会接触到带有高速运动部件的机器，比如转轴、皮带和滑轮等，如果机械快速旋转的频率与光输出频率一致则可能会产生机器静止的错觉进而造成严重危险。

2 实验过程

2.1 实验目的

基于上述分析我们认为有必要探寻SVM与生理健康之间的关联性，视觉疲劳是生理健康角度较好的切入点。通过设计频闪视觉疲劳评价实验，使用安菲莫夫校字表剂量作业诱发视觉疲劳，以被试前后临界闪光融合频率差值(ΔCFF)、阅读速度及校字正确率反应被试视觉疲劳程度，对比分析SVM用于预测频闪对视觉疲劳影响的合理性和适用性，研究SVM与视觉疲劳的显著性关系得出影响规律，同时基于限制视觉疲劳程度的目标确定频闪指标的合理限值范围，为相关标准和实际应用提供技术支撑。

2.2 实验设备及实验台搭建

实验使用N6705C直流电源分析仪控制输入电流以调整灯具光通量变化及桌面照度水平、控制输入电流波形及频率以模拟实验所需照明频闪条件；LFA-3000光源频闪测试仪用于监测实验空间照明频闪水平，匹配实验预设值；SPIC-300光谱彩色照度计监测实验空间色温、显色指数等指标；XYI-III照度计监测桌面照度水平，匹配实验预设值。

同时搭建了两个2.5 m×2.5 m×2.8 m的模拟办公区域，每个区域放置一套相同的桌椅，实验台四周用外表面深蓝色内表面浅灰色的遮光布进行围合遮挡，双实验台可在不同工况下同时工作(图1)。

图1 实验场景Fig.1 Experiment scene

2.3 实验对象

招募13名年龄在21～31岁的青年，其中有7名女性和6名男性，所有被试均无已诊断的眼部疾病史；矫正视力≥1.0；无屈光不正、结膜炎、角膜炎、干眼等眼部疾病；无屈光手术史及内眼手术史。

2.4 实验条件及流程

实验共设置16种光环境模式，包括两种色温(3 500 K、5 000 K)、两种桌面照度(300 lx、500 lx)以及四种频闪条件(SVM=0、SVM=0.4、SVM=1、SVM=1.6)，表1为16个工况的参数设置。

表1 实验工况参数

具体实验流程为：1)将实验区光环境调整为实验工况；2)被试在休息结束后使用闪光融合频率计进行两次CFF值采集，若数据有偏差则休息5 min后重新采集直至测值稳定；3)被试进入对应实验区，使用预先放置的安菲莫夫校字表进行1 h的视觉剂量作业；4)采集被试CFF值并记录，收集校字表数据；5)被试进行眼部休息，佩戴眼罩辅助缓解视觉疲劳，并准备进行下一组实验。

3 实验结果及分析

3.1 SVM对视觉疲劳的影响规律

由于本实验设置两种照度和两种色温模式，因此在分析SVM与ΔCFF变化规律前需通过多因素协方差分析排除照度、色温变化对本实验的干扰。分别以SVM、色温、照度作为自变量，ΔCFF为因变量进行协方差分析，结果表明照度(F=0.767，P>0.05)及色温(F=0.134，P>0.05)两个协变量对ΔCFF影响无统计学意义，且SVM与照度(F=0.163，P>0.05)、SVM与色温(F=1.717，P>0.05)的交互作用检验结果P均大于0.05，表明本实验中照度及色温的变化对频闪视觉疲劳影响规律组间干扰可以忽略。

表2 照度、色温协变量分析结果

图2为4种照度色温模式下因变量ΔCFF随自变量SVM变化的箱线图，随着SVM值的增大，被试视觉疲劳度均明显呈升高趋势(P<0.001)。灯具直流驱动无频闪时，被试在实验前后临界闪光融合频率变化很小而在SVM=1.6时，被试临界闪光融合频率差值在2.0以上，明显高于其他几种频闪模式。可以认为SVM能较好地预测频闪对人视觉疲劳的影响程度。

图2 4种照度色温模式下，SVM对ΔCFF的影响Fig.2 Influence of SVM on ΔCFF in four modes of illuminance combined of illuminance and color temperature

利用SPSS软件对SVM和ΔCFF拟合显示最优拟合函数为Y=0.1X2+0.85X+0.44(R2=0.869，F=163.09)，如图3所示。

图3 SVM与ΔCFF拟合曲线Fig.3 Linear regression fitting of SVM and ΔCFF

表3对4种频闪水平多重比较分析结果显示，SVM=0与SVM=0.4两种模式对视觉疲劳的影响组间无显著差异，可以近似认为SVM 0～0.4、SVM 0.4～1、SVM 1～1.6为视觉疲劳角度三种显著不同的频闪程度。欧盟法规SVM限值为0.4、CIE规定SVM限值为1、NEMA77-2017推荐SVM限值为1.6，本实验结果与上述相关研究结果较为吻合。

3.2 SVM对视觉工效影响分析

视觉工效可以用来间接反映被试视觉疲劳程度，统计原始数据中阅读速度为m页/h，校字正确率为n%，考虑到被试在阅读速度和校字正确率上存在不可控的个体差异，因此在数据分析前将阅读速度以及校字正确率进行了归一化处理，便于在一定程度上减弱个体差异性带来的误差影响。图4可以看出SVM=0与SVM=1.6两种频闪程度在对阅读速度(P=0.009)及校字正确率(P=0.003)的影响上存在显著性差异，而其余频闪程度间差异性不显著，因此可以判断SVM达到1.6后视觉工效水平将出现明显下降。