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林燕丹副教授

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浅谈蓝光照明对长时间视觉作业的影响
复旦大学电光源研究所  上 海
 
  摘 要:本文通过分析长时间视觉作业的特点,从照明的视觉效应和生物学效应的角度分析适当的蓝光照明对在低照度环境下提高照明效率和减缓操作者疲劳的作用,提出在某些工厂、医院、军用操作室等区域的照明适当使用含有蓝光成分或较高色温光源的建议。

  关键词:视觉作业 蓝光 生物学效应 工作效率 安全
 
  1.长时间视觉作业的特点
 
  在夜间,当大部分的人们开始休息,很多工厂里的夜班工人却在继续他们的工作,他们要保证不眠不休日夜劳作的流水线的正常运转,以进行零件的组配、安装,确保产品的生产出厂。
 
  不仅是具有流水作业的工厂,很多大型工业操作区如核电站、煤矿、汽车工厂车间,还有飞机和汽车的夜间驾驶仓、军用控制的操作室、医院手术室和检验室,操作目标保持清晰可见对于操作者准确快速完成操作有着重要的影响。但另一方面,长时间的视觉作业操作者容易疲劳,由于疲劳引起的生产率的下降如果尚不引起人们的重视的话,由于疲劳引起的误操作而造成的重大事故就不得不使人们对这样的问题特别关注了。 三里岛核事故发生在凌晨四点,切尔诺贝利核泄漏发生凌晨1点32分,都是夜班工人正好疲劳开始打瞌睡的时候。           
 
       不仅是在夜间,很多视觉作业由于属于室内操作,即使在日间也需要人工照明,其照明效果无法与天然照明完全媲美,如果照明水平不够,视觉特性不足则引起操作上的失误率增多或速度降低;即使采用较高照度的照明以保证较好的视觉特性,在长时间的操作后,操作者在人工照明环境下也更易于疲劳。这样的疲劳对于长时间坐在精密仪表盘或是军用基地操作仪器前面的操作者来说所引起的后果是不堪设想的。
 
  因此,对于长时间视觉作业环境,为了确保高效、安全的操作,要求有良好的照明以保证操作者的视觉特性;以及应该确保一个可以适当缓解操作者的疲劳程度的工作环境。前者是我们所熟知的,照明应该达到一定的标准,满足人的视觉效应。那么后者,除了改善工作环境的其它硬件条件,在缓解操作者的疲劳程度方面,照明能作些什么呢?最近几年的研究成果表明,照明与人体内的松果体所分泌的褪黑激素有着密切的联系,它控制着人眼的生物钟,合适的照明可以缓解人的疲劳。因此,对于长时间视觉作业环境的照明设计,不但要考虑其视觉效率,也应该考虑其生物学效应(van Bommel, 2003 [4])。
 
  1.照明的视觉效应和生物学效应
 
  长期以内,人们认为人眼的视网膜上具有2种光感受器,即视锥和视杆。视锥按其对不同波长的光敏感性又分为红锥、绿锥和蓝锥。视锥系统对光的敏感度低,在足够的亮度下开始起作用,在明视觉下起主导作用,对物体的细微结构和轮廓可以进行精确的辨别,具有较高的空间分辨率。视杆系统对光的敏感度高,在弱光时占主导作用,不能分辨颜色,视物只有粗略的轮廓,精确性差(寿天德, 2001 [5])。视锥系统和视杆系统的不同属性使人眼在不同照明水平下具有不同的视觉特性。由于3种视锥的综合敏感度在波长为555nm左右时达到最大;而视杆对于波长为507nm左右的刺激具有最大的敏感度。当亮度降低时,人眼对光谱的敏感度曲线朝短波方向移动,这就是有名的浦尔金耶效应(Purkinje shift)。图1所示是在不同亮度水平下人眼的光谱光视效率曲线(Sagawa,1989[2])。  
                                           

  图1 不同亮度水平下人眼视锥视杆系统的光谱光视效率函数,其中V10(λ)和V’(λ)是国际照明学会推荐的明视觉和暗视觉下的光谱光视效率函数 (Sagawa 1989, 参见CIE, 1989 [2])

   2002年Berson DM的研究表明,在哺乳动物的视网膜上存在着一种神经节细胞可以直接感光,从而人眼的视网膜上存在了除了视锥和视杆以外的第三种光感受器,称为可感光神经节细胞(ipRGCs) ( Berson DM, 2003 [1])。这种光感受器与人脑内的生物钟连接,其接受的光抑制松果体分泌褪黑激素,而褪黑激素也称为“睡觉的荷尔蒙”,当人体内的褪黑激素达到一定量时,人会感到疲劳而昏昏欲睡(van Bommel, 2003 [4])。正常人的生物节律正是与昼夜交替的24小时相吻合的,随着昼夜的交替,褪黑激素大量分泌和被抑制,从而人们在黑夜里睡觉休息,在白天工作。这一种与人的生物节律息息相关的ipRGCs对不同波长的光也有不同的吸收,其光谱灵敏度曲线不同于人眼视锥和视杆的光谱灵敏度曲线。图2所示是人体昼夜节律的光谱敏感度与明视觉和暗视觉光谱光视效率曲线的比较。可见,对波长为460nm左右的蓝光具有最大的敏感度。

图2 人眼昼夜节律的光谱敏感度与明视觉、暗视觉光谱光视效率的比较 (Rea M, 2002 [3])

  3.  适当的蓝光照明对提高视觉作业效率的作用

  由人眼的光感受器的属性可见,照明具有视觉效应和生物学效应。Van Bommel的一项关于提高照明水平和生产效率提高的研究表明,在工业照明中,当照度从300lx提高到500lx时,生产率提高了8%,而当照度进一步提高到2000lx时,生产率提高了20%。因此,照明水平的提高引起视觉效应的提高从而进一步提高生产率的效果是非常显著的(van Bommel, 2003)。
 
  在比较昏暗的工作环境下,由于人眼的光视效率从555nm左右的黄绿光向507nm左右的蓝绿光偏移,增加照明中蓝光的成分有利于提高照明的有效光效,达到有效提高人眼视觉功能的效果。

  从照明的生物学效应来看,适当的增加蓝光的照明,可以使ipRGCs细胞可以有效吸收的光能量增加,从而抑制人体内褪黑素的含量,达到缓解疲劳的作用,从而减少由于疲劳而引起生产率的下降以及误操作所产生的事故。

  4.长时间视觉作业环境的照明设计的建议
 
  根据上面的分析,对长时间视觉作业环境的照明的设计,除了考虑照明的视觉效应以外,应适当考虑照明的生物学效应,以保障视觉作业的效率和安全性。
 
  在照明的视觉效应方面,应依据相应的照明标准和实际场地的需要通过合理的照明计算进行布灯,以保证一定的照明水平,减少由于照明不足而引起的生产率的下降。在相对昏暗的环境中在保证一定的显色指数的基础上可以选用蓝绿光成分较多的光源,以提高有效光效。
 
  从照明的生物学效应考虑,蓝光成分的增加可以有效抑制褪黑素的分泌。从人体生物节律方面考虑,正常情况下褪黑素在具有自然光的白天时得到最有效的抑制,所以白天的视觉作业场景的照明可以尽可能使用自然光进行照明。在只有人工照明的情况下,尽可能选用蓝光成分较多或高色温的光源进行照明,从照明的角度缔造一个减缓疲劳的工作环境。
 
  当然,对于照明的生物学效率的研究目前还尚处于起步阶段,需要开展更多的实验进行进一步的验证。对于蓝光的使用也并不是越多越好,过多的蓝光会对人的视网膜造成伤害,另外如果比例不协调的话可能影响显色性从而引起视觉的疲劳。希望国内有关专家继续进行关于这一话题的探讨,使照明的视觉效应和生物学效应能够尽快应用于实践的指导中,使良好的合理的照明能为提高生产率、降低误操作所引起的重大工业事故、减少由疲劳所引起的医疗事故等方面做出有效的贡献。
 
  参考文献
  [1]. Berson DM, Strange Vision: Ganglion Cells as Circadian Photoreceptors, TRENDS in Neurosciences Vol.26 No.6 June 2003: 314-319
  [2]. CIE Publication No.81;Mesopic photometry: History, Special Problems and Practical Solutions;1989
  [3]. Rea MS, Figueiro MG, Bullough JD. Circadian Photobiology: an Emerging Framework for Lighting Practice and Research. Lighting Res. Technol. 34,3 (2002) pp. 177–190
  [4]. Van Bommel W, The Third Photoreceptor in the Human Eye and its Meaning for Lighting. PAL 2003 Symposium; Darmstadt University of Technology : 1121-1132
  [5]. 寿天德.神经生物学[M].北京:高等教育出版社.2001:159-186


编辑:中国照明网 刘 立  邮箱:liuli@lightingchina.com.cn 欢迎您投稿。
   
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