基于人机工程学的台灯照度检测区域与设计思路

徐海辉，贾 航，崔 曼

(1.陕西艾多特照明有限公司，陕西 西安 710018；2.陕西电子信息集团光电科技有限公司,陕西 西安 710000)

引言

据统计，中小学生在家使用读写作业台灯每天时间在1～2 h的平均比例为84%，超过3 h的平均比例达40%[1]。书本面的照明质量直接影响学生的视疲劳的发生，尤其是读写台灯所能提供的书本面照度以及照度均匀度性能。因此，书写照明用的读写台灯在正常工作位置应提供被照桌面上足够的照度和照度均匀度，使人眼感到舒适、不容易产生疲劳感[2]。

1 课本尺寸以及作业时台灯、书本、学生之间的位置关系分析

1.1 学生书本的尺寸

根据GB/T 18358—2009《中小学教科书幅面以及版面通用要求》规定，中小学教科书幅面主要分为A5(180 mm×210 mm)、B5(169 mm×239 mm)以及A4(210 mm×297 mm)[3]。以小学四年级的课本以及练习册为调研对象显示最大尺寸均不大于标准中规定的最大尺寸210 mm×297 mm，如图1所示。

图1 小学四年级课本和练习册尺寸Fig.1 Size of textbooks and workbooks for the fourth grade

1.2 正常使用时台灯、书本、学生之间的相对位置关系

对于使用右手写字的学生，在正常使用台灯时，建议将台灯放置在左前方，一方面可以防止作业时手产生的阴影遮挡书面文字，另一方面也方便用左手对台灯进行调节控制。对于使用左手写字的学生，建议将台灯放置在右前方位置。

经对小学四年级的学生进行调研统计，并结合相关标准GB/T 26158—2010《中国未成年人人体尺寸》,在正常读书写字时，常用的书桌尺寸、台灯放置在书桌的位置、作业时书本的放置区域、学生的前臂以及手长等数据如图2所示。

图2 台灯、书本、学生之间的相对位置Fig.2 The relative position of lamp, book and students

2 台灯照度以及照度均匀度的检测规范说明

2.1 目前检测规范的要求[4]

GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中规定的测试区域是以灯具出光口的几何中心的投影点为测试圆心，位于眼睛的正前方，在靠近眼睛一侧灯具的透射范围内，离圆心的半径距离为500 mm的三分之一扇形内，以30°为间隔，在半径线上进行照度测试，测试间隔为100 mm，包括圆心。测试区域和测试点位置如图3所示，不同等级的照度以及照度均匀度要求如表1所示。

图3 GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中的台灯照度试验布点方式Fig.3 Table lamp illumination test layout in GB/T 9473—2017 “reading and writing work lamp performance requirements”

表1 GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中不同等级的照度以及照度均匀度要求

2.2 GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》的局限性说明

GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中对照度以及照度均匀度测试的区域的是以灯具出光口的几何中心的投影点为测试圆心，测试区域定义为扇形区域，如图4所示。而根据相关标准的规定以及结合实际调研结果，学生的书本形状为矩形，尺寸也有相应的要求，且在正常作业时，书本的摆放位置位于台灯与学生之间，并不在台灯的正下方。该规范并没有深入考虑到学生课本的形状与大小以及台灯、学生以及书本的相对位置，在正常作业时，书本的形状、大小以及摆放的位置可能并不在该标准测试的区域内，因此，按此规范设计出的台灯并不能确保书本面的照度以及照度均匀度达标。

青色为照度测试区域一；黄色为照度测试区域二；红色为书本放置区域图4 GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中的测试区域与书本放置区域示意Fig.4 Test area and book placement area in GB/T 9473—2017 “reading and writing work lamp performance requirements”

3 基于人机工程学的台灯照度检测

使用读写台灯的目的是为书本面提供合适的照明光环境，因此，照度以及照度均匀度的设计以及检测区域应该以书本面的大小、书本区域与台灯相对位置为依据。台灯照度检测主要包含检测区域的大小、以台灯为基准的检测区域位置以及照度检测点以及照度均匀度的计算方法。

3.1 符合人机工程学的照度检测区域大小

照度检测区域大小以GB/T 18358—2009《中小学教科书幅面以及版面通用要求》规定的最大幅面尺寸A4的书本为检测依据，使用时书本翻开后的尺寸为A3幅面，大小为420 mm×297 mm，考虑到正常使用时，书本有可能放不正的情况，将照度测试的区域放大1.2倍后取整，因此，台灯的照度检测区域可以按照500 mm×360 mm的矩形区域大小进行检测。

IESNA照明手册中所定义的台灯的工作面分为主要作业面和次要作业面，主要作业面大小为360 mm×310 mm；次要作业面大小为610 mm×910 mm，可以看出也是一个矩形的照度测试区域。

3.2 符合人机工程学的照度检测区域位置

台灯出光面亮度较高，如果距离学生眼睛距离较近，则会对眼睛造成损伤，这也是相关标准中规定的遮光性测试观察点距离台灯出光面的距离为600 mm的一个原因。同时，考虑到学生、书本以及台灯的相对位置，符合人机工程学的照度测试区域应该为以灯头在桌面上的投影区域，靠近学生眼睛的最近一点为测试区域的前边沿线的中点，绘制出一个与人的坐姿平行的500 mm×360 mm的区域，该区域即为照度测试区域，如图5所示。

图5 符合人机工程学的照度测试区域(以右手作业为例)Fig.5 Ergonomic illumination test area (Take a right-handed assignment for example)

3.3 测试点的位置以及照度均匀度的计算方法

照度测试点的位置选取可参照GB 5700—2008《照明测量方法》中的四角布点法，取测试区域的四个角点、四个边缘线的中点以及测试区域的几何中心点为照度测试点[5]，如图6所示。照度均匀性按照所有测试点中的最大照度与最小照度的比值进行计算。照度以及照度均匀性等级分类可按照相关标准进行，本文不做具体说明。

需要特别说明的是，对于灯头可旋转、灯头高度以及色温亮度可以调节的产品，在产品使用说明资料上需要明确说明满足照度等级时的台灯灯头方向、台灯灯头高度以及色温和亮度档位，同时需要明确表示符合相关照度等级的相对于台灯摆放位置的照度区域。

•照度测试点(尺寸单位：mm)图6 照度测试点位置Fig.6 Illuminance test point location

4 满足人机工程学的台灯设计思路

以实际情况为设计出发点，因为书本翻开后为矩形，且书本位置处于人与台灯之间，并不在台灯的正下方使用。结合LED的发光特性，可以将LED点光源设计成一个长条矩形的面光源，有效的满足矩形照射区域的要求，同时使用透镜进行二次配光，设计成前后非对称配光，使更多的光线照向灯头的前方，减少后方的光线数量，在提高书本所在区域的照度以及照度均匀度的同时也降低了灯具的能耗。

根据此思路设计出一款灯头和出光面均为长条形状的读写台灯，其配光曲线如图7所示，在0～180平面上光强对称分布，在90～270平面上光强为非对称分布。

图7 台灯及其配光曲线Fig.7 Table lamp and its light distribution curve

正常使用时灯头发光面平行于课桌面，距离课桌面高度为500 mm，经实测，在本文所提到的照度测试区域内所有测试点的照度如图8所示。经计算，按此思路设计的台灯照度均匀度为1.9，远高于GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》中的均匀度要求。

图8 台灯照度测试Fig.8 Illumination test of table lamp

在实际使用台灯时，一般也会打开房间内的吸顶灯，防止书写区域的亮度与背景亮度反差过大而造成学生眼疲劳，吸顶灯会进一步提高书写区域的照度以及照度均匀性。

5 总结

通过对学生书本尺寸的分析，结合台灯、书本以及使用者的相对位置关系，指出了台灯的照度以及照度均匀度的测试区域应该以被照射书面的大小与位置为依据，提出了一种符合人机工程学的台灯照度以及照度均匀度的测试区域与测试方法，同时提出了一种满足人机工程学的台灯设计思路，为设计出更合理的读写台灯提供一种新的思路。