基于人機工程學的臺燈照度檢測區(qū)域與設(shè)計思路

徐海輝，賈 航，崔 曼

(1.陜西艾多特照明有限公司，陜西 西安 710018；2.陜西電子信息集團光電科技有限公司,陜西 西安 710000)

引言

據(jù)統(tǒng)計，中小學生在家使用讀寫作業(yè)臺燈每天時間在1～2 h的平均比例為84%，超過3 h的平均比例達40%[1]。書本面的照明質(zhì)量直接影響學生的視疲勞的發(fā)生，尤其是讀寫臺燈所能提供的書本面照度以及照度均勻度性能。因此，書寫照明用的讀寫臺燈在正常工作位置應(yīng)提供被照桌面上足夠的照度和照度均勻度，使人眼感到舒適、不容易產(chǎn)生疲勞感[2]。

1 課本尺寸以及作業(yè)時臺燈、書本、學生之間的位置關(guān)系分析

1.1 學生書本的尺寸

根據(jù)GB/T 18358—2009《中小學教科書幅面以及版面通用要求》規(guī)定，中小學教科書幅面主要分為A5(180 mm×210 mm)、B5(169 mm×239 mm)以及A4(210 mm×297 mm)[3]。以小學四年級的課本以及練習冊為調(diào)研對象顯示最大尺寸均不大于標準中規(guī)定的最大尺寸210 mm×297 mm，如圖1所示。

圖1 小學四年級課本和練習冊尺寸Fig.1 Size of textbooks and workbooks for the fourth grade

1.2 正常使用時臺燈、書本、學生之間的相對位置關(guān)系

對于使用右手寫字的學生，在正常使用臺燈時，建議將臺燈放置在左前方，一方面可以防止作業(yè)時手產(chǎn)生的陰影遮擋書面文字，另一方面也方便用左手對臺燈進行調(diào)節(jié)控制。對于使用左手寫字的學生，建議將臺燈放置在右前方位置。

經(jīng)對小學四年級的學生進行調(diào)研統(tǒng)計，并結(jié)合相關(guān)標準GB/T 26158—2010《中國未成年人人體尺寸》,在正常讀書寫字時，常用的書桌尺寸、臺燈放置在書桌的位置、作業(yè)時書本的放置區(qū)域、學生的前臂以及手長等數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 臺燈、書本、學生之間的相對位置Fig.2 The relative position of lamp, book and students

2 臺燈照度以及照度均勻度的檢測規(guī)范說明

2.1 目前檢測規(guī)范的要求[4]

GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中規(guī)定的測試區(qū)域是以燈具出光口的幾何中心的投影點為測試圓心，位于眼睛的正前方，在靠近眼睛一側(cè)燈具的透射范圍內(nèi)，離圓心的半徑距離為500 mm的三分之一扇形內(nèi)，以30°為間隔，在半徑線上進行照度測試，測試間隔為100 mm，包括圓心。測試區(qū)域和測試點位置如圖3所示，不同等級的照度以及照度均勻度要求如表1所示。

圖3 GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中的臺燈照度試驗布點方式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《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中不同等級的照度以及照度均勻度要求

2.2 GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》的局限性說明

GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中對照度以及照度均勻度測試的區(qū)域的是以燈具出光口的幾何中心的投影點為測試圓心，測試區(qū)域定義為扇形區(qū)域，如圖4所示。而根據(jù)相關(guān)標準的規(guī)定以及結(jié)合實際調(diào)研結(jié)果，學生的書本形狀為矩形，尺寸也有相應(yīng)的要求，且在正常作業(yè)時，書本的擺放位置位于臺燈與學生之間，并不在臺燈的正下方。該規(guī)范并沒有深入考慮到學生課本的形狀與大小以及臺燈、學生以及書本的相對位置，在正常作業(yè)時，書本的形狀、大小以及擺放的位置可能并不在該標準測試的區(qū)域內(nèi)，因此，按此規(guī)范設(shè)計出的臺燈并不能確保書本面的照度以及照度均勻度達標。

青色為照度測試區(qū)域一；黃色為照度測試區(qū)域二；紅色為書本放置區(qū)域圖4 GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中的測試區(qū)域與書本放置區(qū)域示意Fig.4 Test area and book placement area in GB/T 9473—2017 “reading and writing work lamp performance requirements”

3 基于人機工程學的臺燈照度檢測

使用讀寫臺燈的目的是為書本面提供合適的照明光環(huán)境，因此，照度以及照度均勻度的設(shè)計以及檢測區(qū)域應(yīng)該以書本面的大小、書本區(qū)域與臺燈相對位置為依據(jù)。臺燈照度檢測主要包含檢測區(qū)域的大小、以臺燈為基準的檢測區(qū)域位置以及照度檢測點以及照度均勻度的計算方法。

3.1 符合人機工程學的照度檢測區(qū)域大小

照度檢測區(qū)域大小以GB/T 18358—2009《中小學教科書幅面以及版面通用要求》規(guī)定的最大幅面尺寸A4的書本為檢測依據(jù)，使用時書本翻開后的尺寸為A3幅面，大小為420 mm×297 mm，考慮到正常使用時，書本有可能放不正的情況，將照度測試的區(qū)域放大1.2倍后取整，因此，臺燈的照度檢測區(qū)域可以按照500 mm×360 mm的矩形區(qū)域大小進行檢測。

IESNA照明手冊中所定義的臺燈的工作面分為主要作業(yè)面和次要作業(yè)面，主要作業(yè)面大小為360 mm×310 mm；次要作業(yè)面大小為610 mm×910 mm，可以看出也是一個矩形的照度測試區(qū)域。

3.2 符合人機工程學的照度檢測區(qū)域位置

臺燈出光面亮度較高，如果距離學生眼睛距離較近，則會對眼睛造成損傷，這也是相關(guān)標準中規(guī)定的遮光性測試觀察點距離臺燈出光面的距離為600 mm的一個原因。同時，考慮到學生、書本以及臺燈的相對位置，符合人機工程學的照度測試區(qū)域應(yīng)該為以燈頭在桌面上的投影區(qū)域，靠近學生眼睛的最近一點為測試區(qū)域的前邊沿線的中點，繪制出一個與人的坐姿平行的500 mm×360 mm的區(qū)域，該區(qū)域即為照度測試區(qū)域，如圖5所示。

圖5 符合人機工程學的照度測試區(qū)域(以右手作業(yè)為例)Fig.5 Ergonomic illumination test area (Take a right-handed assignment for example)

3.3 測試點的位置以及照度均勻度的計算方法

照度測試點的位置選取可參照GB 5700—2008《照明測量方法》中的四角布點法，取測試區(qū)域的四個角點、四個邊緣線的中點以及測試區(qū)域的幾何中心點為照度測試點[5]，如圖6所示。照度均勻性按照所有測試點中的最大照度與最小照度的比值進行計算。照度以及照度均勻性等級分類可按照相關(guān)標準進行，本文不做具體說明。

需要特別說明的是，對于燈頭可旋轉(zhuǎn)、燈頭高度以及色溫亮度可以調(diào)節(jié)的產(chǎn)品，在產(chǎn)品使用說明資料上需要明確說明滿足照度等級時的臺燈燈頭方向、臺燈燈頭高度以及色溫和亮度檔位，同時需要明確表示符合相關(guān)照度等級的相對于臺燈擺放位置的照度區(qū)域。

?照度測試點(尺寸單位：mm)圖6 照度測試點位置Fig.6 Illuminance test point location

4 滿足人機工程學的臺燈設(shè)計思路

以實際情況為設(shè)計出發(fā)點，因為書本翻開后為矩形，且書本位置處于人與臺燈之間，并不在臺燈的正下方使用。結(jié)合LED的發(fā)光特性，可以將LED點光源設(shè)計成一個長條矩形的面光源，有效的滿足矩形照射區(qū)域的要求，同時使用透鏡進行二次配光，設(shè)計成前后非對稱配光，使更多的光線照向燈頭的前方，減少后方的光線數(shù)量，在提高書本所在區(qū)域的照度以及照度均勻度的同時也降低了燈具的能耗。

根據(jù)此思路設(shè)計出一款燈頭和出光面均為長條形狀的讀寫臺燈，其配光曲線如圖7所示，在0～180平面上光強對稱分布，在90～270平面上光強為非對稱分布。

圖7 臺燈及其配光曲線Fig.7 Table lamp and its light distribution curve

正常使用時燈頭發(fā)光面平行于課桌面，距離課桌面高度為500 mm，經(jīng)實測，在本文所提到的照度測試區(qū)域內(nèi)所有測試點的照度如圖8所示。經(jīng)計算，按此思路設(shè)計的臺燈照度均勻度為1.9，遠高于GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》中的均勻度要求。

圖8 臺燈照度測試Fig.8 Illumination test of table lamp

在實際使用臺燈時，一般也會打開房間內(nèi)的吸頂燈，防止書寫區(qū)域的亮度與背景亮度反差過大而造成學生眼疲勞，吸頂燈會進一步提高書寫區(qū)域的照度以及照度均勻性。

5 總結(jié)

通過對學生書本尺寸的分析，結(jié)合臺燈、書本以及使用者的相對位置關(guān)系，指出了臺燈的照度以及照度均勻度的測試區(qū)域應(yīng)該以被照射書面的大小與位置為依據(jù)，提出了一種符合人機工程學的臺燈照度以及照度均勻度的測試區(qū)域與測試方法，同時提出了一種滿足人機工程學的臺燈設(shè)計思路，為設(shè)計出更合理的讀寫臺燈提供一種新的思路。