面向视觉健康需求的教室照明要求

蔡建奇，郭 娅，唐姗姗，温蓉蓉，卫 科，黄 帅

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.北京理工大学，北京 100088；3.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；4.绵阳市质量检验所，四川 绵阳 621000)

引言

人类超过80%的外部信息接收依赖视觉，伴随着视觉负荷的显著加重，由此产生了一系列问题和影响。2016年2月《Ophthalmology》刊登了华柏恩教授的《近视和高度近视在全球范围内的流行以及2000年至2050年的时间趋势》。该文回顾了145项研究报告，覆盖全球210万人群，文中指出2000年全球近视患者为14.06亿，2010年近19.5亿(占全球人口比例28.3%)，同时研究预测2020年全球预计有26.2亿近视患者，2050年全球近视人口将达一半(47.58亿)，包括9.38亿的高度近视人口。据统计，中国近视人群比例高达47%；2014年近视眼患病人数约6.429亿；中国青少年近视眼患病率高达50%～60%；近视眼已经成为严重影响公众健康及生活质量的公共卫生问题[1-6]。2018年8月习近平总书记就我国儿童青少年近视高发问题作出重要指示，要求有关方面结合深化教育改革，拿出有效的综合防治方案，共同呵护好孩子的眼睛，让他们拥有一个光明的未来。2018年8月28日教育部、国家卫健委、国家体育总局等八个部委正式公布了《综合防控儿童青少年近视实施方案》，目标是：到2023年力争实现全国儿童青少年总体近视率在2018年的基础上每年降低0.5个百分点以上，近视高发省份每年降低1个百分点以上；到2030年6岁儿童近视率控制在3%左右，小学生下降到38%以下，初中生下降到60%以下，高中生下降到70%以下。

近视的诱因目前还未确定，但现有研究认为其诱因包括以下几个方面：首先是遗传原因，研究发现高度近视具有较高的遗传比率；其次是作业习惯，不良的阅读书写习惯易导致近视；再次是光环境影响，目前日均人工光照(主要以照明与显示为主)时长已占我们非睡眠时长2/3以上，而大量医学研究发现户外自然光照可以有效抑制近视的发生与发展；最后就是睫状肌调节过度，由于青少年睫状肌调节能力强，当其处于不当光照或不当阅读时易出现睫状肌调节过度、眼轴长度过度增长的现象。通过上述诱因简述不难看出，光环境影响是造成近视发育的主要客观原因，考虑到青少年每天有超过1/2的时间处于教室光环境下，因此科学、健康的教室照明成为近视防控的主要突破口。本文将基于作者前期对于青少年进行的大样本视觉人因实验数据去探讨如何构建健康舒适的教室照明环境。

1 面向视觉健康需求的教室照明要求

1)照明系统分类。照明系统是按照其发光方式分类的，如：上照(间接照射)或下照(直接照射)。照明系统采用间接照射、半间接照射、直接-间接照射、一般漫射、半直接照射和直接照射的方式(见图1)。光分布曲线可以在向上和向下分布的限度范围内呈现许多形式，具体取决于光源和照明设计。

图1 照明系统分类Fig.1 Lighting system classification

国际照明委员会(CIE)将一般照明灯具按照水平线上下的总亮度输出比例进行分类，其中采用间接照明系统时，来自灯具的90%～100%的光线被引到灯上方的天花板或上部墙壁等反射面，再通过这些反射面，被反射到房间的各个部分；使用半间接照明系统时，来自灯具的60%～90%的光向上照射，其余的向下照射；采用直接-间接照明系统时，上照光线与下照光线大致相等(每个方向都是总灯光输出量的40%～60%)；采用一般漫射照明系统时，上照/下照的光线分布与直接-间接照明系统相同，但水平方向附近的光线输出是不受限制的；采用半直接照明系统时，60%～90%的光线朝向水平工作面向下照射，以便使照明系统得到更有效地利用，而10%～40%的光线向上照亮天花板，增加了漫射同时降低了灯具与天花板之间的亮度比；采用直接照明系统，几乎所有的光线都是向下照射的(用于嵌装隐藏式灯具，向下的比例为100%)[7]。目前教室照明的灯具多采用直接照明的方式，但是考虑到半直接照明在降低空间对比度上优势，我们认为未来的教室照明应在直接照明的基础上开发半直接照明系统。

2)桌面水平照度和水平照度均匀性。现有国标对于桌面水平照度基本按照大于300 lx进行要求，该指标是基于ISO 8995-1：2002《工作场所照明要求第一部分：室内照明》的照度要求，但是不可忽视的是ISO 8995-1对于照度的要求是以白种人即高加索人种为主体定制的，而属于东亚蒙古人种的中国人群在生理特征上与高加索人种存在显著的生理结构差异——中国人的瞳孔大小约为3～5 mm，而高加索人种的瞳孔大小约为6～8 mm，作为黄种人的中国人的色素耐光性远高于白种人的色素耐光性，上述人种差异直接造成我们的眼瞳孔的入光量较白种人需求更高，根据我们近5年来累计进行的样本量为300人以上、实验人次数超过900人次的视觉人因实验结果显示，500～600 lx的桌面水平照度是最适于中国人眼生理特性的，而教室内课桌面上照度的水平均匀度应不低于0.8。

3)桌面水平亮度与桌面水平均匀度。从光度学的角度上，亮度是更为直观反映光入射人眼状态的物理量，我们常常在实验中发现桌面照度基本一致的不同桌面灯具，其人眼的视觉舒适性存在着显著性差异，这其中既与光分布相关也与其桌面亮度相关。我们采用了以下测试方法对于桌面亮度和亮度水平均匀度进行了测试：将去除讲台以外的教室空间水平分为9等份，在每个区域的中心点放置课桌，课桌高度设为0.75 m，如图2所示；在距课桌边缘0.05 m(即正常人群坐姿距课桌面的平均距离)，高度为1.2 m(平均坐姿眼高度)的位置放置亮度计，测试课桌中心点亮度，如图3所示；分别对9个区域进行亮度测试，计算亮度均匀度Lu。

(1)

图2 教室空间分割示意图Fig.2 Schematic diagram of classroom space segmentation

图3 亮度计放置位置示意图Fig.3 Luminance meter placement position diagram

在测量桌面亮度的同时，我们通过视觉人因实验分别对桌面亮度为50，60，70，80，90，100 nit和120 nit 七档亮度进行了大样本视觉人因实验，通过视觉人因实验，我们发现当桌面亮度大于80 nit以上时，人眼的高阶像差、调制传递函数以及睫状肌的调节能力都明显优于80 nit以下的桌面亮度，而当其亮度均匀性大于或等于0.85时，教室光环境对于人眼的视觉健康舒适度更优。

4)黑板反射照度及均匀度。尽管新发布的GB/T 36876—2018 《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中对于黑板面维持平均照度(不低于500 lx)，照度均匀度(不低于0.8)进行了要求，但是由于其没有设置上限要求，因此可能造成高光强对于人眼的刺激性，我们采用以下方法对于黑板面的照度以及其照度均匀度进行测试：将黑板平均分为9个区域，如图4所示。在每个区域中心点位置，距离黑板板面0.5 m处分别测量其反射照度E，并计算照度均匀度Eu。

(2)

图4 测试黑板反射照度示意图Fig.4 Test blackboard reflection illuminance diagram

在测量黑板照度的基础上，我们通过样本量156人，实验人次数624人次的视觉人因实验发现，教室黑板照度应在500～750 lx之间，而其照度均匀度应大于或等于0.85。

5)教室照明的色温选择。2015年和2016年我们基于视觉人因实验，通过对人眼第4～12项像差以及调制传递函数进行分析，从而明确了教室照明的色温以5 000 K为宜的实验结论，后期我们又通过多次视觉人因实验和脑力负荷对于该结论进行了实验验证，就现有实验结果而言，考虑到兼顾人眼视觉舒适度和人脑的作业效率，我们认为4 500～5 500 K的色温区间是能够有效保障人眼的视觉健康同时兼顾学生的作业效率的色温区间。

7)眩光。由于目前眩光UGR是针对直接照明系统的评测方法，因此针对直接照明系统时，我们认为UGR应小于或等于16，而针对非直接照明系统，如所讨论的半直接照明系统时，该指标则无法适用。

8)蓝光危害。对于蓝光危害，首先需要将其进行有效的区分，蓝光损伤作为一种光化学损伤其可分为短期损伤和中长期损伤，目前CIE S009以及基于其编制的IEC 62471和IEC 62778，对于蓝光危害的判定都是基于短期蓝光损伤而言的，由于中长期蓝光损伤无法通过细胞分子学的方法进行研究，而需要通过灵长类动物的长期蓝光动物实验才能明确，因此就目前蓝光短期损伤而言，达到RG0级(无危害)即可以证明其对于人眼不存在短期损伤。

2 结束语

一般地，青少年从6岁进入小学，到18岁高中毕业，这12年的时间可以表征青少年视功能发育的全过程。在这个过程中，教室照明占据了他们视觉作业近60%的时长，因此保障视觉健康、有益作业效率的教室照明系统已成为我国青少年近视防护的第一道阵线。只有通过科学严谨的光生物机理研究以及与之配套的教室照明系统设计，才能真正实现有效降低近视发生率，共同呵护好孩子的眼睛，让他们拥有一个光明的未来的目标。