照明光环境对视觉健康舒适度的影响

照明光环境对视觉健康舒适度的影响蔡建奇1杜鹏2温蓉蓉2
1 中国标准化研究院
2 北京阳明智道光电科技有限公司
【摘要】：人对外界信息的获得有80%以上来自视觉，所以影响照明健康的重要机制之一来源于视觉通道。

如何评价视觉舒适度一直是研究人员的关注内容，本文介绍了几种评价视觉健康舒适度的方法，从视觉功能、视网膜细胞和脑力认知负荷等三个方面介绍了照明光环境对视觉健康舒适度影响情况和评价方法，为LED室内照明光源对人体视觉舒适度评价的标准的研制提供数据基础和技术支持。

【关键词】：光环境、视觉健康、舒适度。

1. 概述
人对外界信息的获得有80%以上来自视觉，所以影响照明健康的重要机制之一来源于视觉通道。

人类经过长期的进化，形成了与之对应的接受光感受光的系统。

光线穿过瞳孔、晶状体、玻璃体到达视网膜，然后被视锥细胞和视杆细胞接收，转换成电信号传递到大脑的视皮层，最后在大脑内转换成视觉信号。

通过视觉不舒适而引发的视觉疲劳和视觉损伤也是非常值得引起重视。

长期处于不舒适的照明环境，例如不合适的照度、不均匀的光分布、强烈的频闪、眩光等，对健康的伤害是很严重的。

例如研究表明频闪的存在会引发偏头痛、不舒适眩光引起视觉疲劳等。

因此有必要研究外界光环境（照明、显示、可视化产品等）对人的视觉健康舒适度的影响，才能更有效评价光质量的健康舒适度，并从人的生理和感知的角度有效评价光对于人是否存在健康安全性影响，这也是推广绿色健康照明从而最终构建“以人为本”的环保社会的核心要求之一。

2. 何为照明产品的视觉健康舒适度
照明对于人的影响一般可归结为三个方面：视觉影响、脑力负荷影响以及皮肤影响 ，其中皮肤影响最小，而产生视觉影响与脑力负荷影响的受体器官是人眼，因此照明产品健康舒适度即是以照明的最终核心受体——人眼为研究对象2 ，从人的生理和感知的角度，有效评价照明光是否存在健康安全性影响（图1）——研究照明产品不同光参数（亮度、照度、色温、显色指数、峰值光谱、频闪等）与人眼各项视生理功能及相关的脑部负荷功能之间的对应关系，构建人眼视觉（疲劳）、人眼光谱影响、人眼细胞影响、脑力负荷影响等客观评价模型，提出客观量化人眼健康舒适度的评价指标、限定值/限定范围，并基于客观量化指标形成产品物理参数-人体生理功能参数互为映射的、能够有效指导企业研发生产的光源配比模型，从而指导企业生产出兼具节能性和健康安全性的照明产品，引导照明产品
的健康发展 。

. All Rights Reserved.
30|CHINA HOUSING FACILITIES
31
2016.11-12 |健康舒适度的概念源自于人因工程学，它是研究人类在不同环境、产品以及服务影响下的不同身体和心理状态的理论。

由于过去对于人体科学的研究尚不发达，因此传统人因学更多着眼于以心理学为基础的产品可用性研究——利用主观心理问卷的方法，通过统计学的方式，指导产品的可用性研发；但是伴随近30年来测试技术的高速发展，人因学的研究方向也从传统的主观心理研究逐步转向客观生理研究，其主要目标也从过去的产品可用性研究逐步转向产品“健康”性研究 。

健康舒适度研究作为人因学未来的主要发展方向，利用前沿的人体机能检测设备，通过大样本量的人因测试所形成多参数数据库，客观量化出人-机（产品、服务等）-环三者之间的匹配关系，从而最终形成有别于传统产品物理性能指标的“人因评价指标”，并通过人因评价指标有效规范产品物理性能指标的限定值及限定范围，最终基于“产品物理参数与人体生理功能参数能够互为映射”这一人因评价指标的主要特点，形成能够有效指导企业研制出更具“健康”属性产品的“人因-物理指标参数配比模型”（针对照明领域本团队将其称作光源配比模型）。

简而言之，健康舒适度是评测并指导改进产品 “健康、舒适、安全、效率”性能的方法，其核心就是持续提升产品的“健康、安全、高效”三大属性。

3. 光环境对人眼功能的影响
从国内外照明和显示相关健康舒适度研究的现状可见，当下照明视觉健康舒适度的主要研究方法还是从主观认知变化及反馈的角度来进行。

纵观ISO,IEC,CIE 发布的现有国际照明产品相关标准，全部是以欧美人群为测试对象5 ，以欧美人群的视觉功能基础构建的，而医学研究表明欧美
人种与亚裔人种的眼部功能特点从虹膜、屈光、散光等诸多方面都有明显区别，因此以亚洲人眼部功能特点为研究对象的照明视觉健康舒适度研究尚处于空白状态。

人眼是作为光感受器，是外界光环境的第一受体，不同光参数（色温、照度、频闪等）的光源对人眼的功能会产生不同的影响 67 ，本研究团队通过分析不同照明光源环境下人眼的功能状态：基础屈光、AC/A，眼压、高阶像差、光学传递函数（MTF）等变化值，同时结合CIE 现行的主观问卷式调查，将该评价体系划分为5级分档。

然后，项目组利用神经网络算法，通过实验获得的客观视觉指标参数，选取了6项客观指标作为网络的输入层P （Input），测试过程中用户的主观打分作为输出层T（Output）。

用试凑法确定隐含层节点个数，根
据不同个数的神经网络经过多次训练后的误差值，
图1 光对人的主要影响
. All Rights Reserved.
32 | CHINA HOUSING FACILITIES
确定隐含层为10节点的模型逼近效果最好，成功确立了客观视觉指标与健康舒适度之间的关系，构建了主观感受与客观指标相统一的照明健康舒适度评价模型，并首次提出VICO(Visual Comfortable index)评价指数，VICO 指数是独立于照明产品物理指标（色温、显指、照度、亮度、频闪等）的、完全从人眼视功能角度、能够客观量化评价照明产品对于人眼视觉影响的指标，其主要评价照明产品对于人眼视光学角度下的视觉疲劳影响——眼轴和角膜屈光影响 ，VICO 指数共分为5级。

级数越高说明健康舒适度程度越低，具体如表1所示。

4. 光环境对视网膜细胞的影响
视网膜是接受光能、形成视觉的重要组织结构之一,如果光线的强度、光照的时间等超过了视网膜的承受力,将会造成视网膜的光损伤 9。

年龄相关性黄斑变性(ARMD)是眼科常见病、多发病己成为当今世界上主要的致盲眼病之一10 。

近期国内外的许多文献报道其发病机制与长期光照的积累效应有关 11,长期的光照积累会导致视网膜色素上皮
（Retinal Pigmented Epithelial，RPE）细胞和神经视网膜的损伤 1213 。

此外,日光性视网膜炎等经研究证实均与光损伤有密切的关系14 。

随着发光二极管（Lighting Emitting Diode, LED）的效率高，寿命长等优点，LED 光源逐步进入我们的生活，日渐成为新一代照明光源，但与此同时对人们的视觉损害（主要为光化学损伤）也逐渐被大家所关注。

LED 光谱波段中的蓝光损伤一直是现在争论的重点 15，
但是在LED 暴露状态下，细胞活性的下降已被本研究团队证实 16。

我们的实验研究主要以人RPE 细胞和小鼠光感受器细胞来
研究光源的光化学损伤。

人视网膜色素上皮细胞株（ARPE-19）在培养皿中可以无限传代和扩增，并且具有稳定的细胞特征（如图2所示）。

其在特定培养阶段表现出与眼内RPE 近乎相同的生物学特征：1）细胞质内饱含色素；2）细胞与细胞之间表达紧密连接——视网膜外屏障的生理基础；3）分泌神经营养因子；4）胞外微绒毛；5）吞噬功能。

考虑到神经视网膜中光感受器细胞是光电转化产生视觉的源头，也是容易受损的细胞类型，因此增加光感受器细胞作为评估光化学损伤的模型。

人类的光感受器细胞目前无法在体外稳定培养，因而采用了小鼠的光感受器细胞株（661W），其在体外培养条件的形态（图3），通过免疫染色可验证其表达光感受器细胞特异性蛋白（图4）。

表1 视觉健康舒适度(VICO 指数)量化分级
图3 光感受细胞体外培养
图2 体外培养的人视网膜色素上皮细胞
在不同培养阶段的特征
. All Rights Reserved.
33
2016.11-12 |本研究团队自主研发了SmartLight2.0光损伤试验箱（图1-a 所示），该试验箱能能提供不同色温和照度的LED 光源，且提供ARPE-19细胞存活的
恒温状态（图1-b 所示），试验箱包括①显示控制端，②LED 光源，③滤光片，④温度传感器，⑤亮度传感器，⑥培养皿放置区，⑦半导体空调板槽。

图4 体外培养光感受器细胞株661W 表达特征性蛋白
图
5 视网膜光损伤测试试验箱（a）和恒温测试结果（b）[M-L Gao et al. 2016]
采用WST-1（water-soluble tetrazolium salt）试验检测光照后细胞活性变化情况（图6所示），图6-a 表示在不同LED 光照度情况下ARPE-19细胞的细胞活性（Cell Viability，CV）有显著性变化（n=5，***p<0.001）；ARPE-19细胞光暴露时间积累毒性作用如图6-b 所示，在长时间LED 光
环境暴露下，对照组和光照组均存在显著性差异（n=10，***p<0.001）；图6-c 表示初级人眼成纤维细胞在10000Lux 光环境暴露9小时，对照组和光照组均没有出现细胞凋亡，且两组间无显著性差异（n=7）。

. All Rights Reserved.
34 | CHINA HOUSING FACILITIES
5. 光环境对脑力认知负荷的影响
室内的光环境对脑力认知负荷的影响体现在工
作效率、工作有效性、反应时等认知心理指标的变化，
人们对室内环境的作用一般有以下反应：1）产生主观感觉，一般是情感或者情绪方面的感受，如工作热情降低等；2）产生相应的生理变化；3）影响信息加工，即影响工作效率。

因此，室内光环境对工作效率的影响可以从这3个方面进行研究：主观感知评价、生理反应和信息认知加工。

这三个方面并不是孤立自行互不相关的，而是相互联系的（如人员主观的心理期望会导致相应的生理反应），它们共同组成了一个反应过程，决定了工作的准确率和速度，以及最终的工作效率。

研究人员构建了室内光环境质量对工作效率的影响机制模型 。

该模型给出了工作效率系统化且合理化评价的理论框架。

主观的感知反应有对环境质量的评价、工作的热情、病态建筑综合症等。

生理测量包括人体的调节状况和身体的健康状况。

信息加工的有效性反映在最后的工作效率中。

认知是一系列的心理能力所组成的复杂系统。

认知过程分为：接受信息、解释信息、组织信息、提取信息，而认知的功能则是指认知成分或过程在知识的获取和应用中所起的作用。

根据信息的加工过程，
认知分为以下四类：1）感知。

指人脑对客观事物的整体反映，这种客观事物必须直接作用于人体感觉器官，主要包括信息的选择、获取、归类与整合。

其中视知觉是很重要的一种信息输入通道；2）学习与记忆。

记忆一般有短时记忆与长时记忆。

短时记忆即信息的短暂保存，但工作记忆这个概念，在描述短暂保持的记忆方面考虑得更加完整，对于语言、学习、推理、理解等复杂的任务来说是必不可少的；3）思维。

思维是运用人们已存储的知识对客观事物进行系统概况的评价，是认知活动的高级形式，其包含广泛的心理过程；4）表达能力。

表达能力是对脑力信息的加工结果进行的表达，如总结过程、写作、交流等。

图6 细胞活性（CV）测试结果[M-L Gao et al. 2016]
图
7 室内光环境对工作效率的影响机制模型
. All Rights Reserved.
35
2016.11-12 |尽管，每种认知能力各自对应的行为是不同的，但是在实际问题的解决过程中，往往需要多项的认知能力，以满足活动的各个方面的需求 。

结合室内光环境对工作效率的影响机制模型以及认知心理学和生理学的理论与方法，提出了工作效率的评价模型，系统地评价室内环境因素对工作效率的影响（图8所示）。

由图可以看出，对工作效率的评价可从三个方面展开：主观评价、认知能力和生理反应。

6. 结语
综上所述，室内光环境中影响人体视觉健康舒适度的评价研究较少，大多都是针对产品本身的检测标准，多集中在产品的物理指标上，而没有考虑人的因素。

因此随着LED 室内照明光源的快速发展，研究LED 类产品的视觉健康舒适度评价性能及其相应的指标有着重要的意义。

目前还没有针对LED 室内照明光源对人体视觉舒适度评价的技术标准，国际照明委员会（CIE）和ISO 也没有针对LED 关于对人体视觉系统和脑力认知影响分析的技术报告，CIE 体系中只有关于光生物安全的相关标准。

而随着人们对室内环境和LED 光源越来越高的使用要求，制定和推广基于视觉系统的视觉健康舒适度评价标准具有越来越重要的意义。

根据2012年发布的《质量发展纲要（2011-2020年）》 提出的“以人为本”是质量发展的核心要求，同时需要加强制造业产品质量监管，提升产品质量水平。

而健康质量正是产品质量的关键核心，因此研制室内照明产品的视觉健康舒适度评价标准具有重要的社会意义和经济效益。

参考文献
[1]庞蕴凡，视觉与照明[M]，北京：中国铁道出版社，1993[2] 柴颖斌. LED 光生物健康照明的研究[D]. 复旦大学,2012.[3]边红彪. 日本LED 照明技术标准制定重视安全健康保护[J]. WTO 经济导刊,2012,06:90-92.
[4]普严冉,吕宏,徐士伟,秦睿,张飞. 基于关键词的国内外人因工程研究现状分析[J]. 人类工效学,2015,02:59-64.
[5]CIE. The Influence of Daylight and Artificial Light on Diurnal and Seasonal Variations in Humans. a Bibliography[R]. CIE Publication 139-2001.
[6]梁宝勇, 许连根. 八种照明的视觉疲劳的实验比较[C]. 中国心理学会心理学学术会议文摘选集. 1981.
[7]林燕丹. 光源与视觉的关系[J]. 城市照明, 2013(4):49-50.
[8]蔡建奇,陈凯,胡李敏,杜鹏,杨帆. 评价LED 照明产品对人眼舒适度影响的新方法[J]. 照明工程学报,2013,S1:22-26.[9]周跃华, 李志辉, 孙葆忱. 视网膜光损伤机制的实验研究[J]. 国外医学:眼科学分册, 1998(3):182-185.
[10]Duke-Elder S S, Macfaul P A. Non-mechanical injuries[M]. Henry Kimpton, 1972.
[11]裴付彬, 鲁勃文, 杨忠友,等. 现代实用眼科学[M]. 天津科学技术出版社, 2012.
[12]Hadziahmetovic M, Kumar U, Song Y, Grieco S, Song DL, Li YF et al. Microarray analysis of murine retinal light damage reveals changes in iron regulatory, complement, and antioxidant genes in the neurosensory retina and isolated RPE. Invest Ophthalmol Vis Sci 2012; 53: 5231–5241.
[13]Hunter JJ, Morgan JIW, Merigan WH, Sliney DH, Sparrow JR, Williams DR. The susceptibility of the retina to photochemical damage from visible light. Prog Retin Eye Res 2012; 31:28–42.
[14] Taylor H R, West S, Mu. Oz B, et al. The long-term effects of visible light on the eye[J]. Archives of Ophthalmology, 1992, 110(1):99-104.
[15]施晓红, 陈超中. LED 灯具蓝光危害评估方法[J]. 中国照明电器, 2013(3).
[16]Gao M L, Deng W L, Huang N, et al. Upregulation of GADD45α in light-damaged retinal pigment epithelial cells[J]. Cell Death Discovery, 2016, 2.
[17]兰丽, 连之伟, 宋沅沛. 办公建筑人员工作效率室内环境影响因素及经济分析[J]. 土木建筑与环境工程, 2012(S2):135-139.[18]兰丽. 室内环境对人员工作效率影响机理与评价研究[D]. 上海交通大学, 2010.
[19] 程虹. 以人为本:《质量发展纲要(2011-2020年)》的核心[J]. 中国质量万里行, 2012(3):44-45.
图
8 工作效率评价模型
. All Rights Reserved.。