劉 余，吳佩蓉，羅 明

(1.浙江大學光電學院，浙江 杭州 310000；2.臺中科技大學資訊與流通學院，臺灣 臺中 40402)

引言

近年來，由不同的光參數(shù)如相對色溫(CCT)、照度和特定光譜波長引起變化的警覺性、工作表現(xiàn)和睡眠品質(zhì)研究是光學領域中的一個熱點。由于LED技術的飛速發(fā)展，使得能夠快速變化的動態(tài)光的研究成為可能。這些系統(tǒng)中的的參數(shù)有照度、相對色溫、Duv、顯色指數(shù)、同色異譜等。因為光對人體健康影響上的共識，國際照明委員會(CIE)[1]在2018年提出了包含視桿細胞、視錐細胞和視網(wǎng)膜感光神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGC)上的5個光視素的敏感度曲線，等效照度值分別為Emc、Elc、Esc、Er和Ez。2005年Rea等[2]在Brainard等[3]和Thapan等[4]測得的夜間褪黑激素的光譜靈敏度曲線上提出的節(jié)律刺激值(Circadian Stimulus, CS)的模型。

動態(tài)光的研究領域中主要運用根據(jù)某一參數(shù)例如CCT或者照度，以一定的速率變化的連續(xù)不斷的光。Hu等[5]在2012年研究對比了CCT從6 500～12 000 K的動態(tài)光與12 000 K的靜態(tài)光，發(fā)現(xiàn)動態(tài)光能誘發(fā)更多的警覺性。Zheng等[6]研究了4個不同條件的動態(tài)光，CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為2 h; CCT 范圍從6 000～12 000 K，周期為4 h; 9 000 K的靜態(tài)光； 6 000 K的靜態(tài)光。其結果是相比靜態(tài)光，在動態(tài)光條件下被試的工作效率更高。變化更快的光使得被試的工作效率更高。Wang和Luo[7]研究了8～10歲的兒童，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)光下更高的CS誘發(fā)更佳的任務表現(xiàn)。Ye等[8]拓展了Zheng等[6]的工作，進一步調(diào)查了CCT范圍和動態(tài)光的變化周期。結果顯示，更高的CCT從6 000～12 000 K相比4 000～10 000 K，能使被試警覺度更高且任務表現(xiàn)更好，但不同的變化周期 帶來的影響十分有限。

本實驗的假設是高褪黑激素照度Emel或者CS會使被試警覺性更高。本次研究的實驗目的是為了調(diào)查相同的CCT 范圍內(nèi)不同的Emel水平對工作表現(xiàn)的影響。這兩個參數(shù)并未放在一起研究。另一個目標則是為了調(diào)查多通道的LED系統(tǒng)控制動態(tài)光的能力。

1 研究方法

1.1 光源條件

實驗在辦公室中進行。將常州某公司生產(chǎn)的10個LEDcube?安裝在辦公室的天花板上。通過軟件控制11個LED通道實現(xiàn)調(diào)制出目標光譜。光源的桌面照度為500 lx，眼部照度為160 lx。圖1為實驗中的光環(huán)境。

圖1 實驗光環(huán)境Fig.1 The experimental environment

實驗中的光源控制十分嚴格。實驗中Emel和CCT對應于時間的關系如圖2(a)所示。60個光源在實驗中2.5 h內(nèi)變化6000 K并且連續(xù)的兩個光源之間Duv盡可能地小以保證光源平滑地變化，如圖2(b)顯示，Duv會依不同的CCT而改變，但他們之間的改變是有連續(xù)性的，沒有閃爍光的產(chǎn)生。

圖2 動態(tài)光的Emel和Duv與CCT的關系Fig.2 The dynamic light settings

表1提供了兩個光源的指標。JETI Specbos 1211UV 光譜輻射計用于測量和校準所有光。

表1 光源參數(shù)Table 1 Parameters of light source

1.2 實驗流程

16個被試(7男9女；23.1±1.4歲)參加實驗。所有招募被試均無攝入咖啡因及酒精或吸煙的習慣。實驗共進行兩周，時間為20:00—23:00。每個被試均要參加兩個光源條件。兩次實驗間隔4天以避免由前一個光源造成的任何影響。要求所有被試在實驗期間保持一個規(guī)律的作息。他們每天大約睡8 h，由Actiwatch記錄睡眠信息。圖3是實驗流程。 一開始被試須在黑暗環(huán)境下適應30 min，接著做2.5 h的實驗。每隔0.5 h收集一次數(shù)據(jù)，其他時間均讀書。只有go/no-go 和 D2 任務是在22:30 到 23:00之間完成的。另外Actiwatch Spectrum PRO腕式記錄儀用于測量睡眠品質(zhì)及入睡時間。

圖3 實驗流程Fig.3 The experiment procedure

一系列測試包括任務表現(xiàn)，眼疲勞，睡眠品質(zhì)和生物指標用于評價這兩種光源。測試包括：任務表現(xiàn)(D2 和 go/no-go), 卡洛林斯卡睡意問卷 (KSS), 閃光融合頻率(CFF), 虛擬現(xiàn)實癥狀問卷(VRSQ) (癥狀包括眼疲勞、眼酸/眼痛、視物模糊、難以集中焦點), 生化反應 (褪黑素和皮質(zhì)醇), 和腕式活動記錄儀(Actiwatch)。

D2測試是一個長期穩(wěn)定有效的測量人眼視覺掃描精確度和速度的測量方法。D2測試是要劃掉所有字母為d，上下豎杠加起來總共是兩個。忽略掉字母為p或是上下豎杠加起來不為2的d字母。go/no-go主要檢測被試的自我控制能力和反應時間。被試在聽到“go”的信號時迅速作出反應，而聽到“no go”的信號時禁止反應。

KSS將疲勞程度共分成9個等級，其中1代表“非常警覺”，9代表“非常困倦極力保持清醒”，卡洛林斯卡困倦度的分值越低代表受試者越清醒。

閃光融合頻率臨界值(CFF)被定義為某閃光點能觀察者帶來視覺上的穩(wěn)定效果的最低頻率。人越疲勞時，閃光融合頻率會越低。

2 實驗結果

IBM SPSS Statistics 22 software?用于分析實驗結果。所有結果均歸一化后得到。例如問卷和CFF得分由減去暗適應30 min后的分數(shù)得到。而唾液樣本的數(shù)據(jù)除以基線數(shù)值得到。一般線性模型中的重復測量兩個因素“光源×時間”的分析方法用于問卷，CFF和生化反應的結果。主要結果總結如下：

任務表現(xiàn)：實驗結果如圖4所示，對于D2和go/no-go任務，相較于低Emel光源被試在高Emel光源下犯錯更少，其中go/no-go任務中高Emel光源統(tǒng)計學上顯著犯錯更少(p=0.034)。另外，高Emel光源下的反應速度比低Emel更快。該實驗結果表明在高Emel光源下被試警覺性更高。

圖4 D2和go/no-go任務的錯誤個數(shù)Fig.4 D2 and go/no-go tasks’ error number results

KSS問卷：圖5(a) 展示了KSS問卷結果。和預期一致，統(tǒng)計學上KSS問卷時間主效應顯著，被試隨著實驗進行睡意顯著增加。同時被試在低Emel光源下有更困倦的傾向。

圖5 KSS問卷結果Fig.5 KSS results

眼疲勞問卷：眼疲勞問卷中趨勢不甚明顯。

CFF測量：如圖6所示，被試眼睛在高Emel光源下更加疲勞，且隨著實驗進行感覺更加疲勞，時間主效應顯著(p<0.05)。

圖6 CFF測量結果Fig.6 CFF results

生理化學信號：唾液樣本用于分析唾液中褪黑素和皮質(zhì)醇的含量。褪黑素和皮質(zhì)醇分泌有顯著的時間效應。如圖7所示，褪黑素分泌隨著時間推移增加，在高Emel光源下分泌更少；皮質(zhì)醇隨著實驗光環(huán)境下停留的時間增加逐漸減少分泌，相較于低Emel光源，高Emel光源下分泌更多的皮質(zhì)醇。二者的結果一致表明在高Emel光源下被試更加清醒。

圖7 生理化學信號的結果Fig.7 Biochemical’s results

睡眠質(zhì)量：由于一次實驗只能測量一個被試的睡眠，實驗數(shù)據(jù)不充分，Actiwatch的結果無明顯趨勢。將來應當進一步研究睡眠品質(zhì)。

3 結束語

本文主要研究了不同Emel的動態(tài)光對被試的任務表現(xiàn)、睡意和眼疲勞的影響。這意味著被試隨著實驗的進行，睡意增加，清醒程度下降。生理化學信號、任務表現(xiàn)和KSS問卷結果表明，在高Emel光源下被試感覺更加清醒，褪黑激素分泌更少，皮質(zhì)醇分泌更多，反應更快，錯誤更少。這意味著，高Emel光會使人使人在夜間更加清醒，對人體晝夜節(jié)律影響更大。CFF結果顯示，在高Emel光環(huán)境下被試眼睛更疲勞。