办公室LED光源的频闪效应对人体健康的影响

赵晓杰，侯丹丹，徐 蔚，林燕丹,3

(1.复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系，上海 200433；2.复旦大学电光源研究所， 上海 200433；3.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433)

引言

迅速普及的LED逐渐引领照明领域，但新技术的发展常常伴随着新的技术挑战。由于驱动电源、调光设计和不稳定电压的存在，快速响应的LED使得光输出随输入的不稳定而在时间上出现波动，在实际照明应用中，这种光调制会引起观察者视觉感知的变化，2016年国际照明委员会对此提出了时间光效应 TLA (Temporal Light Artifact) 的概念，包含了闪烁、频闪效应和幻影效应[1]。当人们在时间光效应的照明环境中生活时，心理和生理等多方面的健康指标都可能受到影响产生健康危机[2-4]。已有研究表明办公室员工的身体不适症状与照明环境有关，其中照明光源的时间光效应是潜在因素。早在1986年，Wilkins等[5]就发现荧光灯的闪烁明显影响着人们的视觉神经，导致了视疲劳，甚至引起严重的头痛问题。经研究调查发现，近30%左右办公室工作人员将灯光闪烁视为不良的环境因素。

当前，办公室LED光源的频闪效应问题成为研究热点。频闪效应是对于非静态环境中的静态观察者，100 Hz以上的光波动所产生的一种视错觉，旋转或运动的物体外观通过间歇性照明而发生改变[1]。这种不为人眼直接可见的效应也会对视觉感知造成影响， Burns等[6]利用视网膜电图(ERG)发现人的视网膜可以接收到100～160 Hz甚至高达200 Hz的时间光调制，说明频闪效应可能会带来非视觉作用，改变人的生理参数。由此本研究提出三个假设：第一，频闪效应的照明环境会被认为是闪烁严重且不可接受的，总体上对环境评价是不满意的。第二，频闪效应可能增加暴露于这种照明下的被试的生理唤醒。第三，明显的频闪效应会使工作绩效变差。如果本研究证实了这些假设，不仅补充了有关频闪效应对健康指标的研究数据，同时也为此领域的研究提供合理化的建议，促进健康照明技术的发展。

1 实验设计

1.1 照明环境设置

模拟办公室环境的房间尺寸为310 cm×195 cm×202 cm，内置一套办公用桌(高度为0.75 m)和办公用椅，桌上放置实验所用的仪器与材料等，一块600 mm×600 mm的LED平板灯安装在顶棚上，如图1所示。房间外的功率放大器与波形信号发生器用以驱动LED光源来实现本实验的照明条件。照明条件的选择基于IEEE1789—2015标准文件给出的时间光效应风险等级图[7]，如图2所示，实验选取了一个跨越三个风险等级的区域作为研究变量，即由三个频率和三个调制深度交叉组成 (3×3)的九点正方形区，并通过LFA-3000频闪测量仪对光输出波形的频率和调制深度进行校对，9个条件的光输出波形均为正弦波。在每个照明条件下，控制其他照明因子保持恒定，实验具体参数设置如表1所示。

图1 模拟办公环境Fig.1 The simulated office environment

图2 标准IEEE1789—2015的高风险性、低风险性和 无明显效果等级图(NOEL)[7]Fig.2 The high-risk level, the low-risk level and the no observable effect level (NOEL) from IEEE Standard 1789—2015[7]

1.2 实验对象

10位平均年龄为22岁的在校大学生作为志愿者参与了本次实验，其中4位男性、6位女性。通过健康调查确认了他们参与本次实验的资格，所有受试者均视力正常，无色弱色盲，无精神障碍、光敏性癫痫、眼睛疾病、头痛及偏头痛等身体状况。实验开始前，被试人员阅读并签署了实验同意书，表示自愿参与实验。

表1 实验条件设置

1.3 实验方法

第一部分是对心理物理量的考察，一方面是对照明环境的视觉感知，利用7分制视觉感知语义差别量表对闪烁可见性、照明接受度、亮度等16个项目进行评价。此外，还设计对观察挥动手掌和旋转圆盘的心理认知。圆盘表面为黑色，直径为20 cm，距圆盘中心8 cm处有一个直径为1.5 cm的白圆，转速为4 m/s,相当于办公室环境中手部运动速度的上限。当照明环境中存在频闪效应时，白圆的运动状态是离散的，否则将是连续运动，如图3所示。观察结束后也用七分制视觉感知语义差别量表对观察过程中感受进行评价，例如闪烁可见性、头痛程度、眼睛不适程度以及物体运动状态等10个项目。另一方面是关于疲劳和情绪的量表。五分制的疲劳自觉症状调查表(VAS-F)是对18种身体疲劳表现和7种眼疲劳症状进行评分来反映被试的疲劳程度。情绪的评价采用了五分制正负性情绪量表(PANAS：Positive and Negative Affect Scales)对10项积极情绪和10项消极情绪进行评分。

第二部分是生理参数的收集，包括脑电波、瞳孔大小和闪光融合临界频率(CFF)等。被试在实验过程中需佩戴脑电帽和眼动仪，并利用闪光融合频率计测量CFF。已有研究表明，闪烁的光可能会影响大脑活动[8]。采集前额区(注意力区)α波和β波信号来反应注意力表现。采集枕叶区(视觉区)的α波以反映觉醒状态，β波可能反映视觉性能和情绪[8]。本研究利用眼动仪记录瞳孔大小，作为表征视觉性能的参数，利用闪光融合频率计测量的CFF值来表征被试的视觉灵敏度，本研究通过对任务前后的CFF差值进行分析来说明频闪效应可能产生的视觉疲劳。

最后是对工作绩效的评价，使用了安菲莫夫字母搜索任务和汉字抄写任务。安菲莫夫字母表由8个字母 (A、B、C、E、 H、K、N、X) 组成，每个字母随机出现，频率为150次，形成 30行40列的字母表，共计1 200个字母。搜索任务要求被试在听到开始口令后，立刻由左向右逐行检索表格，用斜杠划去横排中紧靠在 H后面的B。主试者记录完成的时间，并计算准确度，以评估工作表现。抄写任务要求被试把打印在A4纸正上方的50个汉字抄写在A4纸中下方，汉字为八号宋体。同样需要用任务完成的时间和准确度来评估工作表现。任务完成后，要求被试利用7分制视觉感知语义差别量表对任务过程中的感受进行评估，内容包括困难度、紧张感、视觉感受、头痛、注意力集中程度、闪烁程度等10个项目。

图3 白圆运动的连续状态(左)和离散状态(右)Fig.3 The continuous (left) and discrete (right) motions of the white circle

1.4 实验流程

全部实验条件的总时长为5 h，流程如图4所示。当被试进入房间时，LED光源已经被提前打开30 min。正式实验开前，主试者为被试介绍实验流程和讲解实验内容，减少因不熟悉实验而产生的误差。在确认被试基本上掌握实验操作后，为其佩戴脑电帽和眼动仪，并在主试者的指挥下完成实验流程的练习。每个实验条件之前，被试都有5 min的休息时间。实验的9种照明条件按照随机序列依次显示。

图4 实验流程图Fig.4 The experimental procedure

2 实验结果

10名被试遍历了所有照明条件并完成了所有的实验要求，由于被试的实验数据受个体差异影响较大，因此首先对每名被试的数据进行标准化处理，然后利用SPSS对3(100/400/1500 Hz)×3(10%/30%/70%)的交叉组合进行多因素方差分析(MANOVA)。

2.1 照明环境的评价

对视觉感受语义差别量表的进行MANOVA分析结果显示在不同的频率条件(100 Hz和400 Hz)下，仅有可接受的-不可接受的，严重闪烁的-平淡闪烁的这两个对象存在显著性差异(p<0.05)，其他环境评价对象在频率和调制深度上均没有统计学上的显著差异(p>0.05)。图5给出了照明环境接受度和闪烁可见度的主观评价得分的误差条形图。评分值越高说明闪烁越不明显，光照越可接受。所以100 Hz的照明环境接受度比400 Hz的要低，100 Hz的闪烁可见度最为明显，而400 Hz照明环境中的闪烁几乎不可见。结果说明办公室LED光源的频闪效应会影响被试对照明环境的评价，从而引起被试心理认知上的差异。

图5 环境闪烁可见度和接受度的主观评价:得分越高， 闪烁越不可见，灯光越可接受Fig.5 The subjective evaluation of flicker visibility and acceptability in the environment. The higher the score, the less visible the flicker, the more acceptable the lighting

2.2 频闪效应的评价

MANOVA分析结果显示观察挥动手掌的视觉感受语义差别量表数据没有统计学上的显著差异(p>0.05)。而观察转盘的视觉感受语义差别量表数据分析表明仅有闪烁可见度及白圆运动状态两个项目在频率和调制深度上均有显著性差异(p<0.05)，如图5所示，结合IEEE 1987—2015标准文件的时间光效应风险等级图，分别绘制了白圆运动和闪烁可见度的主观评价得分情况 (图6)，不同的填充类型代表不同的风险等级，白色是高危区，横线是低风险区，点填充是无明显效应区。图6中圆的大小代表评价得分的多少。结果表明在高风险区，即调制深度越大，频率越小，闪烁越明显，白圆运动越趋于离散状态，出现了由于频闪效应而产生的视错觉。这与环境评的视觉感知量表分析的结果具有同理性，说明办公室LED光源的光调制与运动物体的相互作用所产生的频闪效应可能会表现在工作过程中的动态行为上，从而改变工作人员的视觉感知。在视觉性能、头痛、紧张感等方面没有发现主要影响，可能由于暴露时间较短等因素导致。

图6 主观评价(a)白圆运动状态:圆越大，运动越离散； (b)闪烁可见性:圆越大，闪烁越不可见Fig.6 Subjective evaluation results for (a) white circle motion. The larger the circle, the more discrete the motion. (b) flicker visibility. The larger the circle, the less visible the flicker

2.3 疲劳状态

CFF的数据是每个任务前后测量的差值，如果CFF差值较大，说明被试在完成安菲莫夫字母表搜索任务后视觉敏感度下降，被试更易表现出视觉疲劳。MANOVA分析发现疲劳自觉症状调查表和搜索任务前后的CFF差值在调制深度上均有显著性差异(p<0.05)，但在不同频率条件下没有显著性结果。如图7所示。安菲莫夫字母表搜索任务前后的CFF差值随着调制深度的增加而变大，表明调制深度越高，越容易导致视觉疲劳，70%的调制光环境导致了严重的视觉疲劳症状。疲劳自觉症状调查表(VAS-F)的MANOVA分析也发现“完全劳累-完全不劳累”症状项目在30%和70%的光调制作用下存在统计学上的显著性差异(p<0.05)。当调制深度由30%增～70%时，被试感觉更加疲劳。这与CFF的非主观检测结果具有一致性，说明70%的频闪效应照明使被试在心理和生理上均表现出较高的疲劳水平。

图7 (a)搜索任务前后CFF差值；(b) 疲劳自觉症状主观评价。 圆越大，疲劳越明显Fig.7 (a) The difference of CFF before and after the search task, (b) subjective evaluation of fatigue conscious symptoms. The larger the circle, the more obvious the fatigue

2.4 脑电波数据分析

MANOVA分析结果说明不同的频率下，枕叶区的α波和β波的功率密度在统计学上有显著性差异(p<0.05)，本研究中频率和调制深度对前额区的脑电波均无显著性影响(p>0.05)。结合IEEE 1987—2015标准文件的风险等级图，绘制了每个条件下脑电波的平均功率密度值，如图8所示，图中圆的大小表示脑电波功率密度的大小。在1 500 Hz时，α波功率密度比其他任何条件下都要大，已有研究表明长时间的明显闪烁刺激通常伴随着脑电(α波)成分的长期衰减，可能导致大脑皮层兴奋增加,这种衰减也被解释为困倦的减少和紧张性兴奋的增加[8]。所以1 500 Hz的照明条件容易使得被试困倦。枕叶区β波功率密度在高风险区和低风险区的照明条件下有显著衰减，说明频闪效应也会使受试者容易紧张，更加专注于外在环境。脑电波的数据分析说明高风险区域和低风险区域的频闪效应可能导致困倦减少和皮质觉醒增加。然而对于频闪效应与人的潜意识的深层次研究还需要考虑和控制更多影响因素，实验时间、受试者的心理状态和个体差异等因素等对实验结果都会产生不同程度的影响。

图8 枕叶区脑电波功率密度(a)α波；(b) β波。 圆越大，功率密度越大Fig.8 The power density of brain wave in occipital lobe (a) alpha wave, (b) beta wave. The larger the circle, the bigger the power density of brain wave

图9 汉字抄写任务困难度主观评价:得分越高，任务越容易Fig.9 The subjective evaluation of difficulty on Chinese character transcription task. The bigger the score, the easier the task.

2.5 工作绩效

两个工作任务所用时间和准确率在频率和调制深度上均不存在统计学上的显著差异(p>0.05)，但是汉字抄写任务过程中视觉感受语义差别量表的数据分析发现，不同的频率仅对抄写任务中的“困难的-简单的”这一项有显著影响(p<0.05)，而调制深度对抄写任务的视觉感知无显著性。如图9所示，给出了抄写任务难易程度主观评分得分的误差条形图，被试认为400 Hz条件相比其他频率条件使得抄写任务更难完成。然而与汉字抄写任务不同，当被试进行安菲莫夫字母表搜索任务时，对搜索任务的评估并没有统计学上的显著差异性，这种结果的差异性可以归因为任务类型、累积疲劳、个体差异以及有限的暴露时间等因素。因此办公室LED光源频闪效应对工作绩效的影响，在本研究中并没有得到较为深入的结论。

3 讨论

LED光源的频闪效应会引起心理不适和认知差异，带来生理参数的潜在改变，也可能会影响工作表现。基于本实验提出的假设，研究结论如下：首先，结合IEEE 1789—2015标准文件风险等级图，高风险区域的照明条件可以产生明显的频闪效应，频闪效应会让人们对环境产生闪烁明显和无法接受的评价，从而影响对照明环境的整体印象。其次，频闪效应的感知涉及到物体运动与视觉调节的相互作用，并强烈依赖于物体在环境中的状态。当照明环境伴随频闪效应时，被试能够清晰地感知到闪烁和离散的空间运动,这与Wang等[9]的研究结果一致。最后，照明环境的频闪效应会唤起生理响应。低频和高调制的照明条件会降低枕叶区的α波和β波的功率密度，这意味着睡意的减少和皮质觉醒的增加。因此，调制光可能会影响人的注意力程度，一定程度上支持了Tengelin Nilsson等[10]的研究结论。此外，杨帆等[11]也发现较高的调制深度也会带来轻微的视觉不舒适和疲劳感。

本研究探讨了办公室LED频闪效应对人体健康指标的心理和生理影响。一方面，IEEE 1789—2015标准文件风险等级图中高风险区域的条件可以产生具有明显LED频闪效应的照明环境，高闪烁能见度和离散的空间运动被认为是不可接受的，并可能导致对办公环境的不满。这表明办公室LED光源的频闪效应是评价环境优劣的因素之一，建筑照明设计中应该频闪效应的影响给予重视。另一方面，明显的频闪效应照明环境会让人产生困意减少，皮质层觉醒和疲劳水平增加等生理现象，对照明产品的健康属性设计尤为重要。虽然本研究还发现频闪效应在工作认知上的显著性作用，但频闪效应是否显著影响工作绩效受到多个因素的影响，例如任务类型、暴露的时间、样本的敏感程度及照明环境中其他光品质因子等，所以研究中仍存在不完善之处，是后续研究可以继续深入的基础。