LED产品视觉人因和光健康影响研究

　　中国半导体照明网联合CSA多个微信群，将从9月开始推出微信群线上分享会，邀请专家进行线上专题分享。形式为：分享者语音或文字，群友可以随时提问题，提问用文字，半小时分享，半小时交流。经分享内容专家同意的前提下，我们将整理出文稿发布至中国半导体照明网及各大微信群。第一期嘉宾分享已经成功举办，以下是第一期分享资料如下：

 

　　第1期分享会主题：LED产品视觉人因和光健康影响研究

 

　　时间：2015年9月14日20：00-21：00

 

　　研究方向：照明、显示及其他可视化产品（视觉响应产品）的视觉健康与安全防护技术、光学、视光学、标准化、实验室认证认可技术。

       以下是根据蔡建奇研究员在CSA应用推广委员会群分享整理，敬请关注和收藏。

伴随我国绿色照明项目推广的逐渐深入，绿色照明的含义已从项目伊始时着重于照明产品的节能性要求逐步提升为在具备节能性要求的同时能够有效改善光健康质量的要求，光健康质量即照明对于人的健康舒适度影响，它是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的重要指标，也是推广绿色照明从而最终构建“以人为本”的环保社会的核心要求之一。

 

　　伴随LED照明产品的全球推广，LED光源产品的健康安全问题愈发为世人所关注，本文系统性的介绍了健康舒适度评价这一有别于传统物理检测的人因评测方法和评价指标体系，并对其中的各个评价指标及产业化应用进行了简要的概述。

 

　　一、何为照明产品健康舒适度

 

　　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，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--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、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。

 

　　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。

 

　　二、视觉健康舒适度是照明产品健康舒适度研究的首要研究议题

 

　　人眼作为照明产品的最终受体，其健康影响主要是视觉影响、眼生理机能影响以及脑力负荷影响三个方面，其中视觉影响是上述研究的首要重点，理由如下：

 

　　1.视觉健康与否直接影响人的生活质量

 

　　伴随信息化社会的来临，信息的汲取已成为人类生活、学习、工作、成长发展的核心要素，而人的信息获取90%来自于视觉，因此视觉健康与否不但影响着人的身体健康，更对人的生活、学习、工作、成长起着重要的作用。

 

　　2.照明、显示及其他可视化产品的普及已成为人眼屈光不正（近视、散光、远视）大幅增长的诱因

 

　　半个世纪以来照明、显示及其他可视化产品技术飞速发展，与之伴生的视觉健康问题愈加严重。世界卫生组织2012年报告显示--屈光不正（近视、散光、远视）这一视觉功能不健康的最重要表征疾病已成为全球第二大致残疾病，而在中国，近视患者占全球的33%，高出世界平均水平10%。截至2013年，中国戴眼镜的人数接近4亿，患有屈光不正的人口超过5亿。41%的5~15岁未成年人存在屈光不正问题，而未实施矫正的比例高达85%，高于世界上的许多其他国家（广州日报，2013年11月13日）。北京市2014年发布的《中小学生体质健康状况调研报告》显示，超六成学生视力不良。2009-2010学年到2012-2013学年，北京市中小学生视力不良检出率从59.96%增加到62.96%，小学阶段的视力不良检出率已经达到49.77%，中学阶段达到了81.19%。小学一年级学生视力不良检出率为33.75%，初中一年级学生视力不良检出率为72.23%，高中三年级学生视力不良检出率为88.79%。照明条件不佳及因此而继发的视觉疲劳问题已成为道路交通安全事故的诱因

 

　　研究显示，道路交通事故特别是夜间道路交通安全事故中，不同程度上都存在照明条件不佳、驾驶者视觉疲劳（观视模糊、应激反应下降）、驾驶者生理疲劳（注意力分散）的问题，这些问题多与视觉问题相关。照明条件不佳是视觉疲劳迅速累积的诱因，视觉疲劳累积将造成应激反应能力下降从而诱发交通事故发生。

 

　　3.照明条件及因此而继发的视觉疲劳问题影响工作效率

 

　　北美工业学会研究结果显示，视觉质量下降严重影响工作效率。这在工厂产线中表现的尤为明显，根据本工作室在辽宁一大型国企自2012年-2014年近2年跟踪实验结果显示，以小时单位计算，采用优质照明质量的生产线上的工人的视觉疲劳度比采用一般照明质量的生产线上的工人视觉疲劳度低近15%，而反映到生产效率上，两者的最大平均效率差（精细化加工生产线工人）接近20%。

 

　　因此综上所述，照明健康舒适度研究的首要是视觉健康舒适度，通过研究视觉健康舒适度--照明产品对于人的视觉疲劳影响，即短期健康影响，继而深入研究照明产品各光参数，特别是光谱对于人眼的生理机能影响，即中长期健康影响，最终基于短期和中长期影响的数据和理论基础探索出照明产品对于脑力负荷的影响，即人因行为学和长期性健康影响。

 

　　三、照明产品视觉健康舒适度评价方法、指标及与传统评价方法的区别

 

　　1.视觉健康舒适度评价方法

 

　　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，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。

 

　　本研究是基于人眼视觉功能状态变化的实验研究，本工作室研发人员奔赴全国5个区域（图1所示），其人群全面覆盖未成年（5%）人和成年人（95%），其中视觉异常疾病患者5%，男性49%，女性51%，测试场地包括户外、办公室、厂区、教室等多个区域，总计采集7491人次的中国人眼睛在不同光源照明环境下的视觉功能数据。

　　图1 人因样本分布图

 

　　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、MTF、HF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，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（基于人眼眼轴和角膜屈光变化的视觉健康舒适度指标，表征照明产品的健康舒适度）。方法如图2所示。

　　图2 视觉健康舒适度评价方法

 

　　作为视觉健康舒适度的一种定量评价方法，该评价模型客观快速，而且充分考虑了多项因素对视觉健康舒适性的影响；同时此方法可以随着样本数据量以及参数因子量的增加，来进一步完善神经网络的容错性和预测性，并能更为快捷准确的给出预测结果，是具有客观量化分级方式的照明产品健康舒适度指标评价体系，达到了准确评价各类型照明产品视觉健康舒适度的目的，同时研究成果也弥补了照明领域中在东亚裔人种方面的缺环。

 

　　2.视觉健康舒适度评价指标--VICO指数

 

　　通过视觉健康舒适度评价模型本工作室首创了第一个客观评价照明产品对于人眼视觉影响的指标--基于人眼眼轴及角膜屈光变化的视觉健康舒适度评价指标，简称为VICO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。

　　VICO指数作为一个能够客观评价照明产品对于人眼视功能影响的指标，其核心意义在于指标的内在测量参数与人眼近视成因有着密切的关系，医学领域对屈光不正（主要表征为近视和散光）的成因可基本归结为4个方面：第一方面是遗传及先天因素，第二方面是生活及用眼习惯，第三方面是环境光导致的视觉疲劳累积，第四方面是人眼睫状肌调节过度，上述4方面中，第一和第二方面是先天、固有、很难改变的，而环境光导致的视觉疲劳累积影响以及调节过度却是可以通过技术手段进行改善的，VICO指数其本质就是有效量化表征出光对人眼的视觉疲劳累积程度（RS、MTF、HOAS、HF）以及人眼睫状肌的调节程度（AC/A），因此通过VICO指数不但可以有效评测出照明产品对于诱发人眼近视可能产生的影响，而且可以利用基于VICO指数所形成的光源配比模型去有效指导企业生产出更为“视觉健康”的照明产品。

 

　　3.视觉健康舒适度评价方法与传统人因评价方法的区别

 

　　由于人眼是一个具有复杂生理结构和光学特性的综合功能体，因此长久以来关于视觉健康的评价方法一直是学科难点。传统的视觉健康舒适度评价方法主要是以主观问卷分方式为主，辅助以一些视力监测等辅助量化手段进行，但是由于这些方法的主观人为因素较多，因此评价结果往往误差极大，难以反映人的实时视觉健康舒适度。本研究是基于主观评价为辅、客观测试为主的研究方法，其与传统方法最大的区别如表2所示：

　　由表2可以看出，本研究所采用的方法，是在原有主观评价的基础上，采取主客观相结合的方法，既有效兼容了主观感知评价的在人因研究中的重要作用，又以各类可量化的客观指标作为研究主体，弥补了主观评价方法的不足，保证了实验方法的科学性，实验结果的有效性、准确性，有效解决了传统主观评价方法“误差大，量化难，溯源难，重复性差，稳定性差、精确度等级低、无法切实有效的指导产品研发生产”的诸多问题，从而实现了为产品的“健康舒适”设计提供有效解决方案这一传统人因主观评价方法始终无法完成的目标。

 

　　近三年来，本工作室研发的视觉健康舒适度评价方法及VICO指数已经产业化应用于照明、显示、眼镜及眼视光学产业，在近日由中国轻工业联合会组织的科技成果鉴定中，本研究的鉴定结果为：照明产品视觉健康舒适度评价方法已达到国际领先水平。

 

　　四、照明产品健康舒适度指标体系

 

　　健康舒适度研究作为一个系统性的研究工程其研究的深度与广度是与人体科学技术的发展息息相关的，目前眼视光学的研究已经趋于成熟，眼底及视细胞层研究正在快速发展，而针对大脑的研究尽管势头很旺但是有鉴于人脑的极度复杂性，所以目前的研究尚处于方兴未艾的阶段，而这些研究对应到健康舒适度评价的研究上，其分别对应了如图3所示的人因健康影响。

　　图3 理论研究导图

 

　　如图3理论研究思路所示，本工作室从产品类型、评价方法、研究领域、发展方向、未来前景等方面进行研究、总结，最终建立了以人因评价数据库为核心，多领域延伸、多指标评价、多产业服务的照明及显示产品健康舒适度指标评价体系，如图4所示。

　　图4 照明及显示产品健康舒适度指标体系

 

　　本体系是基于标准化、统计学等科学体系研究方法，构建的由应用层，研究层，指标层，数据库层四层结构组成的照明及显示产品健康舒适度指标体系。

 

　　应用层按照产品应用类型分为两类，即通用产品和专用产品。其中通用产品是指常规的室内照明和户外照明设施，而专用产品是指在特定或者特殊场合环境下使用的照明产品，例如防爆灯、影院舞台灯等特种照明设备。

 

　　研究层是以人因学理论为基础，在眼视光学、眼底及视细胞研究、脑力负荷研究基础上嵌入传统的主观认知研究以及光生物安全研究：

 

　　眼视光学研究及视觉健康舒适度研究，前文已详细描述，在此不再赘述。

 

　　主观认知研究是所有人因研究必不可少的重要环节，人因研究的核心是人的状态的变化，而作为反映人主观感受最直接的方法，主观认知出现的诸多症状可以在一定程度上反映人对于产品的感官反馈，是重要的数据来源

 

　　眼科学--眼底及视细胞研究：与眼视光学不同，该领域更为关注于照明产品光参数特别是光谱参数对于人眼的器质性危害以及人眼机能的生长发育影响。

 

　　脑力负荷研究：包括视觉认知和心理及行为的脑力负荷研究，它是与视觉息息相关的，因此，脑力负荷研究将是在视觉及眼科学研究进入相对完善期后进行的更深层次的人类行为学及神经反馈学的研究。

 

　　光生物安全研究：对于特殊光环境可能产生的除了视觉特性及脑力负荷以外的影响，即皮肤影响和电磁辐射等光生物安全方面的因素。

 

　　指标层将分为4大类指标：

 

　　基于眼视光学和主观认知所形成的评价照明产品对于人眼视觉功能变化及视觉疲劳影响的指标：目前已形成指标1项--VICO指数。

 

　　基于眼科学所形成的评价照明产品对于人眼器质性危害以及人眼机能的生长发育影响的指标，目前我们通过将视网膜细胞体外培植的方式，已搭建了可以精确量化评估不同光源（光谱）对于视网膜细胞光损伤的测试平台，建立了稳定的视网膜细胞光损伤评估模型，能够有效评测不同光源（光谱）对于视网膜感光细胞和色素上皮细胞的光损伤影响（细胞活力、细胞凋亡等）。具体见表3

　　基于脑力负荷所形成的评价照明产品对于人类行为、认知、司辰节律、应激反应等方面影响的指标，目前在研中，已形成户外照明人眼应激反应时初阶评价模型、人眼色觉反馈初阶评价模型。

 

　　光生物安全指标将参照相关研究机构的研究成果。

 

　　综上，利用体系研究成果，本研究最终将应用所有体系指标成果构建多参数融合数据库，同时也是基于东亚人种特点的人因数据库，利用该数据库，不仅可以对照明产品健康舒适度进行评测，更能有效改变目前国际照明产业特别是照明设计中都以欧美人种为范例，占全球四分之一以上人口比例的东亚人群无数据可依的现状。通过照明产品健康舒适度指标体系的不断完善，东亚人群照明产品健康舒适度数据库的不断充实，改变中国照明产品的产业格局，从应用领域提升竞争力，将中国人制定的准则嵌入到国际标准体系中，从而使中国照明产业在世界上更具有技术优势和话语权。

 

　　五、健康舒适度评价方法的产业化应用

 

　　基于视觉健康舒适度评价方法、评价指标与照明产品的各类光参数存在的映射关系，依托大样本量的人因数据，本工作室构建了人体客观生理指标与产品物理参数互为映射的光源配比模型，利用模型的运算数据能够为企业的产品研发提供指标参数依据，然后通过人因实验进行继续改进，最终实现有效指导企业生产出更为“健康、安全、舒适、高效”的照明产品的目标。产业化应用方式如图5所示。

　　图5 视觉健康舒适度产业化应用方式

 

　　近三年来，本工作室研发的视觉健康舒适度评价方法及VICO指数已经产业化应用于照明、显示、眼镜及眼视光学产业，基于本研究成果及其核心技术所研发的产品累积实现产值2.9亿元，申请发明专利7项，授权实用新型专利10项，发表论文6篇，制定行业标准1项、获得省部级科技进步奖3项（1等2项，2等1项）。

 

　　六、结语

 

　　纵观人类科学的发展史，我们可以部分认作是一部通过不断研究事物内在规律最终服务于人类自身发展的历史，大部分研究都是为“满足并提升人类自身需求”这一核心目标而服务的--检测科学就是对这一目标最好的注脚，只是在其创建之初，艰深的人体科学研究较之“蓬勃喷涌”的物理学研究实在太过落后，因此多年以来，检测科学始终秉承着以“产品检测”为主干的道路快速发展着，但是“时移势易”，伴随近30年来人因工程学技术的飞速发展，单纯的产品物理指标检测已经不能满足我们人类日益提高的产品需求，我们应依据人体本身的生理指标与产品的匹配原则，对“人-机-环”三者交互作用进行评测，并且注重人本身的产品使用感受，真正做到“以人为本”的检测服务准则。因此如果说过去是一条产品物理指标检测的“单车道”的话，未来将是一条产品物理指标与产品人因指标并行的“双车道”。