嚴(yán)永紅 關(guān)楊 王寧 張小康

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030)

1 引言

近年來，研究光對人的心理、生理效應(yīng)已成為照明研究重要的領(lǐng)域之一［1］。研究表明，由于光生物效應(yīng)作用，光源光譜差異可影響人體的晝夜節(jié)律、體溫和機(jī)敏程度，因此，直接影響工作效率及人體健康［2］。在教室照明中，由于學(xué)生長時(shí)間處在某一種特定的光環(huán)境中，因此，教室照明光源的光譜對其學(xué)習(xí)效率、健康的影響是不容忽視的。

通過對我國重慶、成都等地多所大學(xué)教室照明的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)目前大學(xué)教室普遍采用6500K左右的高色溫T5熒光燈作為教室一般照明，黑板照明也采用同樣的光源。通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生反映這樣的色溫配置易疲勞。同時(shí)，通過對教室光源色溫喜好的問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對色溫的偏好并非一成不變，而是隨教室功能、照度水平而變化［3］，以此作為教室照明色溫選擇的依據(jù)顯然并不可靠。因此，為了解何種色溫的光源視功效表現(xiàn)更好、更有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，及黑板照明與教室一般照明光源色溫間是否存在最佳組合關(guān)系，我們特選定色溫2700K、4000K、6500K的 T5熒光燈(亮度可調(diào))作為研究對象，對其進(jìn)行視功效對比研究及學(xué)習(xí)效率、視疲勞及生理節(jié)律影響研究。限于篇幅，本文僅介紹視功效對比研究實(shí)驗(yàn)部分。

本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段:實(shí)驗(yàn)一采用調(diào)光方便、省時(shí)的白熾燈作為視標(biāo)光源，上述三種光色的熒光燈分別作為背景照明光源，尋找出視功效表現(xiàn)最佳的背景光源。

實(shí)驗(yàn)二 (見“三種色溫T5熒光燈光色配比識(shí)別率對比實(shí)驗(yàn)研究”)將視標(biāo)光源更改為熒光燈(模擬黑板照明)，背景光源仍為熒光燈 (模擬教室一般照明)，光色兩兩配比，比較在不同光色搭配條件下的視功效差異，尋找最佳光色搭配方案。

2 實(shí)驗(yàn)一 白熾燈——熒光燈視功效對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對比不同色溫?zé)晒鉄艄庠醋鳛楸尘肮庠?，在視?biāo)光源統(tǒng)一為白熾燈的條件下受試人的視功效表現(xiàn)，以了解背景光源的光譜光色對受試人視功效的影響，尋找出在同等亮度條件下，可有效提高受試人識(shí)別率的背景光源。

2.2 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)選擇8名在校大學(xué)生，年齡在18～21歲，身體健康，雙眼裸眼視力1.0以上，其中男4名，女4名。每次實(shí)驗(yàn)前均已排除了身體、心理異常的樣本。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院5樓建筑照明實(shí)驗(yàn)室，房間尺寸為7.2m×10m×3.9m，西向有兩個(gè)側(cè)窗，窗內(nèi)側(cè)設(shè)有黑色遮光布及銀灰色木質(zhì)推拉門以控制天然光，室內(nèi)設(shè)空調(diào)。

所有實(shí)驗(yàn)均在每晚7:00～10:30進(jìn)行，這一時(shí)間段的選擇有利于完全排除天然光的影響，且可保證各受試人每次實(shí)驗(yàn)均處在相近的生理節(jié)律周期中，以確保其測試數(shù)據(jù)的相對連續(xù)性和可比性。

對室內(nèi)溫、濕度、CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證每次實(shí)驗(yàn)室溫、濕度、CO2濃度等環(huán)境條件基本相同。如出現(xiàn)明顯差異，及時(shí)進(jìn)行溫、濕度及通風(fēng)調(diào)節(jié)。

2.4 視功效實(shí)驗(yàn)裝置

裝置為一照度可控的小房間，為方便儲(chǔ)藏和適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)需求，由可分拆的木板拼裝而成，詳見圖1、2。木板一面為反射比約0.93的白色漫反射面 (啞光面)，另一面為反射比相同的白色反光油漆面 (光面)。此次實(shí)驗(yàn)小房間所有內(nèi)壁均為漫反射面。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置平面圖

小房間前后兩側(cè)分別為觀察面和視覺作業(yè)呈現(xiàn)面，在觀察面一側(cè)開有觀察窗口——實(shí)驗(yàn)時(shí)，受試者將頭放在窗口的托架上以固定視距，觀察對面視標(biāo)。在房間一側(cè)和視標(biāo)上端分別安裝背景光源和視標(biāo)光源，通過調(diào)光裝置可分別控制背景亮度和視標(biāo)亮度，由此調(diào)節(jié)視覺面的對比度。目標(biāo)與背景的亮度對比度在0.02～120內(nèi)可變。在以往的視功效實(shí)驗(yàn)中，背景光源大多未與視標(biāo)光源明確地分開 (兩個(gè)光源相互疊加)，而本次實(shí)驗(yàn)為了更精確地了解背景亮度/光色與視標(biāo)亮度/光色間微妙差異所帶來的視功效差異，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，將視標(biāo)光源隱藏在視標(biāo)背面，以保證視標(biāo)光源僅對視標(biāo)進(jìn)行照明，而幾乎不在其背景面上形成逸散光 (見圖2)。

視標(biāo)采用白底黑色郎道爾環(huán)，安裝在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制裝置上，開口方向隨機(jī)呈上、下、左、右四個(gè)方向，曝光時(shí)間可通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行設(shè)定。通過實(shí)驗(yàn)對比，本次實(shí)驗(yàn)采用0.5s/次的曝光時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)開始前，讓觀察者進(jìn)行充分的視覺適應(yīng)、固定視距。實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察者注視正前方的視標(biāo)，旋轉(zhuǎn)裝置隨機(jī)呈現(xiàn)不同開口方向的郎道爾環(huán)12次，觀察者回答所看到的開口方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除1/4的偶然正確機(jī)率，統(tǒng)計(jì)視標(biāo)識(shí)別率。每次試驗(yàn)每位受試者測試2次，如2次結(jié)果差異較大，則增加一次，對其中結(jié)果相近的兩次進(jìn)行算術(shù)平均作為識(shí)別率的最終結(jié)果。

視標(biāo)光源:2700K/40W/E27標(biāo)準(zhǔn) P型球狀磨砂白熾燈泡一支 (可調(diào)光);背景光源:3000K、4000K、6500K，功率54W 、Ra=85的 T5可調(diào)光OSRAM熒光燈管各一支，燈具為索恩教室專用可調(diào)光燈具，可實(shí)現(xiàn)0～100光輸出。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置剖面圖

圖3 視標(biāo)

視標(biāo)尺寸的選擇:

通過對重慶大學(xué)20個(gè)教室的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，表明在符合我國設(shè)計(jì)規(guī)范要求的教室中，最后一排學(xué)生能清楚辨識(shí)的黑板面最小漢字所對應(yīng)的學(xué)生最小視角約為4′，也即是說，本實(shí)驗(yàn)的視標(biāo)最小值應(yīng)為4′。但通過視功效預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如視標(biāo)尺寸達(dá)到4′，在本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，即使在背景亮度僅0.018 cd/m2的情況下，其識(shí)別率都接近100%，而根據(jù)視功效曲線定義，必須滿足識(shí)別率小于或等于95%的前提條件下才可能繪制出視功效曲線［4］。因此，本實(shí)驗(yàn)采用 1′、2′和3′視標(biāo)，選取識(shí)別率 P=50%，來繪制視功效曲線。

視角計(jì)算公式:

式中 R——觀察距離 (mm);

L——物體尺寸 (mm)。

對比度計(jì)算公式為:

式中 C——對比度;

Bb——背景亮度;

Bt——視標(biāo)亮度。

2.5 實(shí)驗(yàn)方法

在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前，我們曾選擇不同年齡段15人進(jìn)行了為期兩個(gè)月的預(yù)實(shí)驗(yàn)。包括9名在校大學(xué)生 (4男5女，其中一名女生由于數(shù)據(jù)異常被剔除)、4名成年人 (2男 2女)、2名兒童 (1男 1女)。實(shí)驗(yàn)的本意欲初步繪制出各年齡段人群的參考視功效曲線，但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于本次實(shí)驗(yàn)的目的在于尋找背景亮度/光色與視標(biāo)亮度/光色間微妙差異所帶來的視功效差異，對精度的要求遠(yuǎn)高于一般視功效試驗(yàn)。因此，每測試完一位，在下一位測試者開始測試前，必須對背景、視標(biāo)亮度進(jìn)行復(fù)檢以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性;一名受試者測試一個(gè)點(diǎn)的耗時(shí)約在20分鐘左右 (包括亮度適應(yīng)、調(diào)光、實(shí)驗(yàn)條件檢查等)，若要同時(shí)滿足15名受試者的識(shí)別率均為50%的條件下來繪制準(zhǔn)確的視功效曲線，耗時(shí)極長。由于所有受試人均為在校學(xué)生或工作人員，工作、學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，無法保證長時(shí)間配合測試，因此，我們通過綜合評價(jià)15名受試者的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，從樣本最大的青年組中挑選出識(shí)別能力較具代表性(約能代表8名受試者中的4名)且表現(xiàn)最穩(wěn)定的一名受試者 (下文稱“參考人”)來繪制出他的特定視功效曲線，然后以此曲線作為參照物，測試出8名受試者在同樣條件下的平均識(shí)別率。

盡管這種方法不能得出8名受試者準(zhǔn)確的平均視功效曲線，但由于本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)不在于繪制出特定人群準(zhǔn)確的視功效曲線，而在于比較不同光源在同等條件下的視功效差異。在目前實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)及時(shí)間的限制下，采用這種方法可在相對較短的時(shí)間內(nèi)得出1′、2′和3′視標(biāo)的視功效曲線趨勢，再通過平均識(shí)別率高低來判斷各種光源的優(yōu)劣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是在背景光源為6500K熒光燈、視標(biāo)光源為白熾燈，P值為50%的條件下，“參考人”的1′、2′和3′視標(biāo)視功效參考曲線。圖4是龐蘊(yùn)凡等人測定的我國成年人在P=50%下視功效特性圖。對比可看出，盡管由于實(shí)驗(yàn)條件不同，本實(shí)驗(yàn)所繪制的“參考人”視功效參考曲線絕對值與圖4相差較大，但曲線大體趨勢一致。證明本實(shí)驗(yàn)與龐蘊(yùn)凡等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。此處需說明的是，在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)背景亮度分別達(dá)到0.5cd/m2、0.316cd/m2后，無論在何種色溫條件下，預(yù)實(shí)驗(yàn)中的15位受試者對2′、3′視標(biāo)的識(shí)別率均超過95%，因此，在正式實(shí)驗(yàn)中，2′、3′視標(biāo)的背景亮度取點(diǎn)分別只取到0.316cd/m2和0.117cd/m2。

得出“參考人”視功效參考曲線后，按照相同的實(shí)驗(yàn)方法和曲線取點(diǎn)，保持視標(biāo)光源為白熾燈不變，統(tǒng)計(jì)出其余7名受試者分別在背景光源為2700K、4000K和6500K熒光燈條件下的識(shí)別率。通過比較2700K、4000K和6500K分別作為背景光源時(shí)的識(shí)別率來分析低、中、高色溫光源的視功效差異。結(jié)果見本文小結(jié)。

圖4 龐蘊(yùn)凡等人測定的我國成年人視功效參考曲線(P=50%)

4 數(shù)據(jù)分析

基于上述實(shí)驗(yàn)方法，由于背景亮度取值及對比度都相同 (誤差控制5%以內(nèi))，識(shí)別率高低便成為比較各背景光源優(yōu)劣的主要指標(biāo)，1′、2′和3′視標(biāo)時(shí)各背景光源識(shí)別率見圖5、6、7。

圖5 “參考人”視功效參考曲線 (視標(biāo)光源為白熾燈，背景光源為6500K熒光燈，P=50%)

4.1 1′視標(biāo)識(shí)別率比較

由圖6各背景光源識(shí)別率曲線可以看出，三種光源的識(shí)別率曲線變化大體可分三個(gè)區(qū)段，在背景亮度為0.018～0.1cd/m2的區(qū)段1，2700K的識(shí)別率最高;背景亮度在 0.1 ～1cd/m2的區(qū)段 2，4000K的識(shí)別率最高，2700K的識(shí)別率降至最低;背景亮度在1～3.16cd/m2的區(qū)段3，6500K的識(shí)別率最好，4000K次之，2700K最差。從背景亮度在0.018～3.16cd/m2間10個(gè)點(diǎn)的平均識(shí)別率來看，2700K背景光源別率最低，為46.45%;4000K和6500K光源的差異不大，分別為49.4%和49.6%。

圖6 1′視標(biāo)條件下，“參考人”視功效曲線、對應(yīng)各背景光源識(shí)別率曲線圖

4.2 2′視標(biāo)識(shí)別率比較

由圖7各背景光源識(shí)別率曲線可以看出，三種光源的識(shí)別率曲線變化可分三個(gè)區(qū)段，背景亮度為0.018cd/m2～0.056cd/m2的區(qū) 段 1，2700K 與4000K光源的識(shí)別率相近，但6500K光源的識(shí)別率明顯低于另兩種光源;背景亮度在0.056cd/m2～0.178cd/m2的區(qū)段2，4000K的識(shí)別率最高，6500K次之，2700K的識(shí)別率降至最低;背景亮度在0.178～0.316cd/m2的區(qū)段3，2700K背景光源的識(shí)別率最差，4000K和6500K的差別不大。從背景亮度在0.018～0.316cd/m2間6個(gè)點(diǎn)的平均識(shí)別率來看，4000K背景光源識(shí)別率明顯高于另兩種光源，為68.67%;2700K和6500K背景光源的識(shí)別率差異不大，分別為58.5%和59.3%。

圖7 2′視標(biāo)條件下，“參考人”視功效曲線、對應(yīng)各背景光源識(shí)別率曲線圖

4.3 3′視標(biāo)識(shí)別率比較

由圖8各背景光源識(shí)別率曲線可以看出，三種光源的識(shí)別率曲線變化可分三個(gè)區(qū)段，背景亮度在0.018～0.032cd/m2的區(qū)段1，三種背景光源的識(shí)別率差異不大，但2700K相對最高;背景亮度在0.032～0.056cd/m2的區(qū)段 2，6500K的識(shí)別率最高，2700K和4000K的識(shí)別率差異不大;背景亮度在0.056～0.178cd/m2的區(qū)段3，4000K背景光源的識(shí)別率最高，6500K次之，2700K最差。從亮度在0.018～0.117cd/m2間5個(gè)點(diǎn)的平均識(shí)別率來看，2700K背景光源識(shí)別率明顯低于另兩類光源，為67.8%;4000K和6500K背景光源的識(shí)別率差異不大，分別為71.8%和72.97%。

5 小結(jié)

(1)使用白熾燈作為視標(biāo)照明光源時(shí)，從識(shí)別率曲線的總體趨勢來看，大體呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):

① 在三種光色中，在極低亮度背景下 (即區(qū)段1)，2700K光源的識(shí)別率略高;但隨著背景亮度的提高，2700K光源的識(shí)別率明顯下降，且低于其他兩種色溫光源的識(shí)別率;

圖8 3′視標(biāo)視條件下，“參考人”視功效曲線、對應(yīng)各背景光源識(shí)別率曲線圖

②在極低亮度背景下，6500K光源的識(shí)別率相對最低;但當(dāng)亮度背景提高后，6500 K光源的識(shí)別率明顯上升;

③與其他兩種光色相比，4000K光源的識(shí)別率始終為中——高，較穩(wěn)定。

(2)視標(biāo)大小對不同光色下的識(shí)別率高低有一定影響。各背景光源下的平均識(shí)別率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下:

① 1′視標(biāo):

6500K≈4000K>2700K

② 2′視標(biāo):

4000K>6500K>2700K

③ 3′視標(biāo):

6500K>4000K>2700K

也就是說，當(dāng)使用低色溫光源 (白熾燈，色溫2200K)作為視標(biāo)照明光源時(shí)，低色溫的背景光源(2700K)只有在極低亮度條件下識(shí)別率略高于中——高色溫光源;但隨著亮度的提升，中——高色溫光源的識(shí)別率明顯優(yōu)于低色溫光源。在三種光源中，中等色溫光源在各亮度區(qū)段及不同視標(biāo)條件下的識(shí)別率表現(xiàn)最為穩(wěn)定。

從平均識(shí)別率來看，當(dāng)使用低色溫光源 (白熾燈，色溫2200K)作為視標(biāo)照明光源時(shí)，采用與其反差較大的中、高色溫的背景光源可有效提高視功效。

本項(xiàng)目受國家自然科學(xué)基金 (50778182)、亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(2009KB15)資助。

［1］CIE:The influence of daylight and artificial light on diurnal and seasonal variations in humans-a bibliography，Publication CIE 139～2001

［2］楊銘，郝允祥.日光和人工光對人的每日及季節(jié)變換的影響研究進(jìn)展概況.照明工程學(xué)報(bào) ［J］.2000年第4期:p53～55

［3］嚴(yán)永紅.國家自然科學(xué)基金面項(xiàng)目“基于光生物效應(yīng)的教室健康照明研究”2008年年度進(jìn)展報(bào)告 ［R］.p11～12

［4］龐蘊(yùn)凡.視覺與照明.中國鐵道出版社，1993年