使用光劑量評價照明的非視覺生物效應

居家奇 陳枕流 梁榮慶 陳大華

(復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

1 照明非視覺生物效應的評價

目前，CIE明視覺函數V(λ)在工業生產、照明設計、圖像處理中得到了廣泛推廣和應用，即所有的光度學測量都是基于明視覺函數V(λ)進行計算的，同時幾乎所有光度學測量儀器也都是依據此來進行修正的。明視覺函數代表的是在較高亮度水平下 (＞3cd/m2)人眼在視網膜中央凹2度目標張角內的視覺特性。

本征感光視網膜神經節細胞 (ipRGC)的發現將照明領域的研究從視覺范疇內的研究拓展至非視覺領域。對于照明光生物效應的定量評價與檢測，目前所有的光學測試儀器都無法實現，原因在于光生物效應的光譜響應曲線與傳統的明視覺函數V(λ)存在較大差異。國內外實驗研究均表明短波藍光部分 (460nm～490nm)的光生物效應會比較明顯，雖然這一問題的確切結果至今仍然懸而未決，但光源及照明環境的光譜能量分布在實踐應用中將變得更為重要，因為它同時影響了照明的視覺效果和非視覺效果。為此國際照明委員會 (CIE)第六分部 (光生物與光化學)成立了多個技術委員會研究討論這一課題，(TC6-11)專門研究光輻射對人體系統綜合效果，(TC6-63)專門研究光生物效應對生理節律的影響，用以幫助晚班工作者及長途飛行者減少節律變化影響，(TC6-62)專門討論與生理節律及相關神經生物效應的定量評價方法。這一問題的研究對于長時間生活在光照周期不規律的航天員，潛艇戰士的健康尤為重要，良好的人工照明系統可以將人體節律所受的影響降低。

對于照明光生物效應光譜響應的評價方法，目前主要有三大類，一類是以褪黑激素的抑制作用為依據的響應曲線，這類方法的缺陷在于需要長時間照明和高強度的光照才有效果，對于實際照明場景的評價，缺乏即時性，同時在低照度情況下，該方法失效［2］;另一類是基于瞳孔大小改變的光譜響應曲線，這類方法的缺陷是目前尚不能證明瞳孔大小的改變是單獨由于 ipGRC作用發生改變，還是ipRGC與視錐細胞和視桿細胞共同作用的結果，即無法有效完全分離照明的視覺通道和非視覺通道［3］;第三類采用人體生理參數的變化來評價光生物效應的綜合效果，這類方法快速、直觀，缺陷在于實驗控制較難，容易受到環境因素影響。圖1是復旦大學基于人體心率變化的照明非視覺生物效應光譜響應曲線。三種方法各有利弊，但相互印證，盡管實驗考察的應變量不同，但照明非視覺生物效應的光譜響應峰值的確從視覺響應的峰值555nm向短波方向偏移。

圖1 基于心率變化的光生物效應光譜響應曲線

2 傳統光度學測試的不足

在光度學測試中，我們通常用光通量Ф(單位:lm)來表征光量的多少，光通量是指單位時間內光輻射能量的大小，光通量是說明光源發光能力的基本量，見式 (1)。

其中，Ф為光通量;P(λ)為絕對光譜能量分布;V(λ)明視覺光譜光視效率函數;Km為光譜光視效率函數最大值，在明視覺條件下，V(λ)的最大值Km為683 lm/W(當λ=555nm時)。由于人眼對各種不同波長的光的相對敏感度是不一樣的，照明光源所輻射的能量轉換為光度量應根據V(λ)進行分配“權重”。CIE所制定的光譜光視效率函數是把電磁能量和光度量聯系在一起的必要橋梁，它實現了同時考慮輻射能量和考慮人眼作用后對照明特性的度量。

光通量一般是用來描述發光體性能指標的參數，由光通量引出與其相對應的光度學參數光強I(單位:cd)和亮度L(cd/m2)與光通量一樣，其實都是用于描述發光體，如光源、燈具或二次發光體(例如道路照明中的路面)發光性能的光度學參數，在照明光環境的評價中常常被誤用或混用。真正用于實際評價接受到多少光照的參數是照度E，單位:勒克斯 (lx)，表示單位面積接受到的光通量。從量綱上來考察，光通量單位流明 (lm)相當于功率(W)，而照度單位勒克斯 (lx)相當于功率密度(W/m2)，這些光參數均沒有與時間相關的參量，都是描述單位時間的物理量。由于照明的非視覺生物效應不僅與光照強度、光譜能量分布有關，同時還與光照的持續時間有關，所以傳統照明光度學測試內容往往不能直接表達所要測試的具體光信息。

3 照明非視覺生物效應的光度學測試

由于照明非視覺生物效應與光照持續時間緊密相關，應使用人眼實際在某一時間段內接收到的光通量大小來進行評價，即應該采用光劑量或光劑量密度來描述，其單位量綱應該與能量單位焦耳 (J)相對應，可以用流明·秒，或勒克斯·秒來表示。人體接收了多少劑量的光，進而引起相應程度的非視覺生物效應，這不僅從邏輯關系上更容易被理解，也與實際實驗結果輸入輸出相匹配。如果我們用D來表示光劑量，其具體表達式可以寫成光通量在時間軸上的積分，見式 (2)。

對于照明非視覺生物效應作相應的光度學評價測試時，由于對應的光譜響應峰值波長已經遠遠偏離555nm，故而Km的數值以及能量分配“權重”函數也應發生相應響應的變化，參考式 (2)光劑量的定義形式，由此可以得到用以照明非視覺生物效應評價的有效光劑量DB如式 (3)所示。

考慮到與傳統光度學用以評價接受光照的參數照度對應，可以使用實際照明光環境中，人眼位置處的有效光劑量密度來表示。

為了實現照明非視覺生物效應的有效光度學測試，可以通過兩種方式來實現，一是通過定時測試人眼位置處的照度和光譜值后轉換累積求得，具體實現方式如下，引入B/P值用以評價不同照明環境光譜對非視覺生物效應的影響，其表達如式 (4)所示，

其中，P'(λ)為相對光譜能量分布，為光譜儀實測數據，其他參數均為已知量。實時測得照度值E，并計算該時刻的B/P值，E乘以B/P值再乘以測試時間間隔，即可得到相應測試時間間隔內的有效光劑量密度，累加各測試時間間隔內的有效光劑量密度值，即可計算得到在特定的照明環境下，一定的時間段內，人眼實際接收到的有效光劑量。

另一種方法可以通過硬件方式直接測量，通過對現有標準化照度計進行改裝設計，將原先的照度V(λ)修正濾光片，改為B(λ)修正濾光片，圖2為復旦大學根據基于心率變化的光生物效應B(λ)函數的實際濾光片擬合曲線，擬合優度為0.96。

圖2 B(λ)光譜響應函數的濾光片擬合曲線

之后，在光電轉換模塊中增加積分電路或計時電路，將時間維度上的光度學信息通過累積直接記錄顯示。該方法較前者測試方法更為便捷、直觀，目前復旦大學正在積極研發樣機。

4 小結

照明非視覺生物效應從21世紀初發現至今，研究人員從各自研究角度出發研究了多種不同的非視覺生物效應，雖然具體的光譜響應曲線尚未形成共識，但根據已有的研究結果用以評價實際光環境的非視覺生物效應卻是必要的。基于照明非視覺生物效應的特點，建議采用光劑量作為評價、檢測實際光環境非視覺生物效應的測試參數，可以有效彌補傳統光度學測試項目中時間維度的信息缺失，為綜合評價照明光環境的舒適和健康提供評判依據。

［1］Wout J.M.van Bommel.Non-visual biological effect of lighting and the practical meaning for lighting for work［J］，Applied ergonomics 37(2006)461～466.

［2］George C.Brainard，Ignacio Provencio.Photoreception for the Neurobehavioral Effects of Light in Humans［A］.2ndCIE ExpertSymposium on“Lighting and Health”(2006).

［3］Berman S.M，Clear R.D.Past vision studies can support a novel human photoreceptor［A］，CIE midterm meeting and internationalLighting congress， Leon，Spain，2005.

［4］姚其，居家奇，程雯婷，林燕丹.不同光源的人體視覺及非視覺生物效應的探討 ［J］.照明工程學報，19(2)，2008.

［5］居家奇，陳大華，林燕丹.照明的非視覺生物效應及其實踐意義［J］.照明工程學報，20(1)，2009.