采光照明非視覺效應的評價方法綜述

蔣靖才，吳 蔚

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

引言

自2002年美國Brown大學的Berson教授發現本征感光視網膜神經節細胞(ipRGCs)[1，2]后，采光照明非視覺效應成為國內外科學研究的熱點和前沿方向[3]。大量研究發現非視覺效應對人的生理節律有著明顯的影響[4，5],小到產生睡眠障礙，大到影響DNA修復從而誘發癌癥[6]。目前采光照明非視覺效應的研究方向主要集中在司辰視覺對人的光生物效應、采光照明的治療作用、健康采光照明環境的研究[7]。

人類非視覺系統對光刺激的反應不同于視覺系統，對光源的光譜分布、光照強度和光照時間等的反應與視覺系統大不相同[8，9],更為明顯的是即使相同的光刺激在不同的時間引發的非視覺效應也不同，因此其評價標準也不同于一般的采光照明標準[10]。

1 非視覺效應光譜響應曲線的實驗研究

采光照明非視覺效應的評價是建立在非視覺效應光譜響應曲線的基礎上，其精度直接影響各評價方法的準確性，我們故首先對非視覺效應光譜響應曲線的實驗研究進行回顧，分析各實驗方法的優缺點。非視覺效應的光譜響應曲線是通過測量受試者暴露在不同的光環境下身體生理參數的變化推導而得[11]，根據采用生理參數的不同可分為三種：基于褪黑素的抑制作用、瞳孔大小的改變、人體其他生理參數的變化[12]。

1)基于褪黑素的抑制作用。非視覺感光系統中一條重要的通道是將光信號傳遞到松果體，松果體根據光信號的不同來控制褪黑素的分泌，調節人體生理節律[13]。正常情況下松果體分泌的褪黑素量呈晝夜周期性變化，其在血液中的濃度白天降低，晚上升高，但光照刺激會抑制褪黑素的分泌量。因而可通過測量光照對人體褪黑素分泌的抑制水平來研究非視覺效應光譜響應曲線[14，15]。

Mclntye等[16]通過實驗測定在晚上五種不同強度的光照下對褪黑素分泌量的影響。在強度為3 000、1 000、500、350 lx和200 lx的光下照射1 h后，其褪黑素分泌受到的抑制水平分別為71%、67%、44%、38%和16%，得出在1 000 lx的光照足以抑制褪黑素的分泌水平使其和白天相當。同時，Mclntye等[17]也發現通過延長低照度的光照時間，并不能達到短時間內高照度的光照對褪黑素抑制作用效果。此外，2001年，Brainard等[18]基于光照對褪黑素的抑制作用實驗，得出非視覺效應的光譜光視效率函數曲線C(λ)，其峰值在464 nm，對應的最大光譜光視效能Kmc為17 396 lm/W。

2)瞳孔大小的改變。非視覺感光系統另一條神經通路是通過接受光刺激來調節瞳孔大小：司辰細胞接受到外界的光刺激后，將光信號傳遞到頂蓋前橄欖核(OPN)再到動眼神經副核(EW)，通過睫狀神經節(CG)控制瞳孔括約肌來實現對瞳孔大小的調節[19]。通過測量受試者在不同光照條件下的瞳孔對光反射，同時基于非視覺感光系統中瞳孔收縮的相關研究，推導非視覺效應光譜響應曲線。

黃海靜[20]通過模擬教室照明并利用眼動儀等裝置測量不同的照度和光源光色下瞳孔大小和識別時間的變化，分析了不同的照度、光源光色與非視覺效應間的關系，對大學教室非視覺效應的照明進行評價分析；并提出教室照度標準值可從300 lx提高到500～750 lx，光源宜選用色溫為4 000 K左右的熒光燈。吳卒[21]也用該方法對辦公空間天然采光進行了相關研究。此外，2008年Berman等[22]基于瞳孔大小變化的實驗，推導出C(λ)的峰值處在491 nm，其對應的Kmc為3 616 lm/W。

3)人體其他生理參數的變化。采光照明對人體生理節律的影響還表現在心率、血壓和體溫等生理參數的變化，通過測量人體生理參數的變化可直接評價非視覺效應的采光照明。

Cajochen 等[23]先讓受試者待在黑暗中2 h，然后暴露在不同波長的光照下或黑暗中，并監視整個過程中受試者體溫、心率和褪黑素等生理參數的變化，得出在波長為460 nm的光照1 h后，體溫會顯著升高，在光照結束后還會持續一段時間；而用波長為550 nm的光照，體溫沒有較大變化，和不用任何光照的效果相同。 同樣在波長為460 nm的光照1.5 h后，人體心率也會加快；而用550 nm的光照則沒有任何變化。2011年，居家奇[24]實測不同色溫的白光和不同波長的彩光對人體心率、血壓和體溫等生理參數的影響，通過對實驗參數進行統計分析，得到基于人體生理參數變化的光譜響應模型，并用來評價非視覺效應的采光照明。

4)分析與討論。褪黑素分泌水平的變化與司辰細胞接受外界的光刺激有著直接的因果關系，通過實際測量不同的光照條件下褪黑素的濃度來評價非視覺效應的采光照明具有較高的準確性。但該方法測量步驟繁瑣，需要較長的光照時間和較高的光照強度，對于實際照明場景不具有即時性，而且該方法在低照度情況下失效。同時在白天人體血液中褪黑素的濃度較低，會對測量精度產生影響。

用瞳孔大小的改變來評價非視覺效應的采光照明具有實時、快速、客觀的優點，實驗重復性也較好。但瞳孔對光反射是一個較為復雜的動態過程，可分為相應潛伏期、最大收縮期、逃逸期和恢復期這四個階段，在持續給光過程中瞳孔的不完全收縮是受到司辰細胞、視錐細胞和視桿細胞共同調節的[25]，只有光照后瞳孔反應(PIPR)這一時段，有且僅有司辰細胞參與，因此通過測量瞳孔變化來評價非視覺效應的采光照明，應重點考慮撤光后的瞳孔恢復期[26]。

采光照明對人體的非視覺影響最終會體現在體溫、血壓和心理等生理參數的變化上，采用人體生理參數的變化來評價具有直觀、便捷、快速的特點，測量精度易得到保障。但是人體生理參數變化是周圍各項因素相互作用的結果，如環境的溫度、濕度、風速等，采光照明只是其中的一個因素，故對實驗條件的控制提出了較高要求。

這三種基于不同身體生理參數的變化推導出來的非視覺效應光譜響應曲線，其實驗研究方法均具有一定的科學價值和理論基礎，所有結果都顯示出在短波藍光部分，特別是450～500 nm之間會產生較為明顯的非視覺效應，但同時三者在實際操作和適用性上也均存在不同的優缺點(見表1)。非視覺效應研究還處在一個起步階段，三種不同的實驗研究方法不僅可以提供大量的實驗數據來支持后續研究，而且還能幫助解開非視覺效應研究起步階段中種種的不確定性因素。

表1 非視覺效應光譜響應曲線的三種實驗研究方法比較

2 采光照明非視覺效應的評價方法

在實際應用中，對一個空間的采光照明的非視覺效應進行評價，是不可能每次都通過實驗的方法來測量人體的生理反應，特別是建筑的采光照明設計是一個前瞻性的活動，需要在實施之前就能對其產生的非視覺效應進行評判。基于非視覺效應的光譜響應曲線，目前對建筑中非視覺效應的采光照明評價方法主要可以分成兩大類：一是對靜態的光環境進行評價，這類評價方法主要用于評價人工光源或空間中指定點某一瞬間的非視覺效應，如節律影響因子C/P值、生物節律刺激因子CS值、光劑量

法；另一類是利用計算機模擬的方法對建筑空間內動態的天然光環境進行評價，如加權的DA值、帽子圖法、有效晝夜節律區域百分比CEA。

2.1 靜態光環境的評價方法

1)節律影響因子C/P值。光學中由于人眼對不同波長的電磁波具有不同的敏感度，為了更好的評價光源在低亮度水平下的視覺功效，引入S/P值。參考此方法，2004年Gall等[27]提出用節律影響因子C/P(即αcv)來評價采光照明非視覺效應的強弱，如式(2)所示。P表示明視覺下的光通量，C表示非視覺效應的等效光通量。

(1)

(2)

2006年Hubalek等[28]用該方法評價了某一時刻天然光的非視覺效應，2008年姚其等[29]用該方法對不同光源的非視覺效應進行了探討，2009年居家奇等[30]用該方法比較了傳統光源與LED在非視覺效應方面的差異，得出隨著色溫的升高，兩者引發的非視覺效應均會明顯提升。

2)生物節律刺激因子CS值。基于人眼中的感光色素和相關的神經解剖學的研究成果以及Brainad等[31]和Thapan等[32]提出的晝夜節律系統的光譜敏感性，2005年Rea等[33，34]提出了用計算生物節律刺激因子CS(Circadian Stimulus)，來評價光源對生物節律的影響，并在2012年進一步加以完善，CS是以百分比的形式來表達在該光照下暴露1 h對夜間褪黑素分泌的抑制作用，如式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

研究表明，在晝夜節律的光傳導過程中有多種感光色素參與[35，36]。當波長超過500 nm時，光生物效應主要受司辰細胞的影響；反之，司辰細胞和藍錐細胞(S-cone)會共同起作用。通過計算CLA時兩個附加條件的判定，生物節律刺激因子CS很好的考慮到該方面的影響。2014年Bellia等[37，38]在對室內人工照明和辦公室天然光環境的非視覺效應研究中，采用該光傳導模型。2015年周曉明等[39]對該評價方法的準確度做了一些比較研究，發現該模型與實測額頭溫度變化結果的擬合相關度達到0.86。

3)光劑量法。采光照明引發的非視覺效應不但與光照強度和光譜分布有關，還受光照持續時間的影響。目前參考傳統光度學理論發展出的對采光照明的非視覺效應評價，忽略了光照持續時間這一因素的影響，如上述中的節律影響因子C/P值和生物節律刺激因子CS值。針對此不足，2012年居家奇[12]提出用光劑量這一方法來評價非視覺效應的采光照明，即人眼在某一段時間內接受的等效光通量，其單位量綱與能量單位(焦耳)相對應，如式(5)所示。

(5)

在實際應用中，可首先通過光譜儀測出該點處光譜能量分布和照度值E，然后用公式(2)計算出C/P值，E乘以C/P值再乘以時間間隔，得出該測量時間段的等效光劑量密度，累加各測量時間段的等效光劑量密度，即可得到該照明環境下一定時間內人眼接受的等效光劑量。

2.2 動態光環境的評價方法

1)加權的DA值。非視覺效應的天然采光評價相對于靜態的照明而言比較困難，其光照強度和光譜分布會隨著時間、季節、天氣、朝向等因素不斷的變換，是一個動態的過程。雖然天然光的光譜分布在不斷的變化，但其具有一定的規律。故在天然采光分析中，可以對天然光的光譜變化產生的影響做一定程度的簡化，通過分析發現南方位的天空與CIE標準光源D65近似，北方位的天空近似于D75，對于東西方位的天空則是D55。基于Cajochen等[40]的光照強度與人類警惕性的相關性研究，可得出滿足非視覺效應下D55的照度目標值210 lx，D65是190 lx， D75是170 lx。

不同朝向的建筑所受天然光的成分不同，如朝北的房間主要受到北方位的天空照射(D75)，其非視覺效應的天然采光目標照度值應為170 lx；東西朝向的為210 lx，朝南房間則為190 lx。全天然采光百分比DA(daylight autonomy)考慮到了全年氣候和天空情況對建筑采光的影響，可以通過天然光動態模擬軟件Daysim模擬出DA值，并借助加權來間接評價該房間天然光環境的非視覺效應。此外Daysim計算結果中輸出全年照度文件(ILL)，可以利用MATLAB來生成光照時間分布圖[41]，參考此圖可定性的分析光照時間段和持續時間的這兩因素的影響。

2008年Pechacek等[42]在提出用加權的DA值評價非視覺效應的天然采光，并用該方法對醫院病房非視覺效應的天然采光進行初步分析。此后Sharon等[43，44]用該方法對波士頓歷史街區的居住建筑非視覺效應的天然采光進行模擬分析，并對該建筑的修復和再利用提出一些建議。

2) 帽子圖法。2012年Andersen等[45，46]根據光生物學的相關研究成果，并參考用加權的DA值來評價非視覺效應的天然采光的方法，提出一個新的模擬模型，并在2014年進一步完善。該模型如圖1所示，用帽子圖的表達方法來預測并可視化建筑內一定時間段內的非視覺效應程度和分布情況。

圖1 空間中某一點天然采光產生的非視覺效應的瞬時值和全年累積值[46]Fig.1 Instantaneous and cumulative annual non-visual effect by daylighting at a point in space

首先根據Pechacek等[42]描述的方法可將建筑內某點接收的天然光近似成來CIE標準光源D55、D65和D75，然后將D65光源和D75光源產生的照度值均轉換成D55的非視覺效應等效照度值，接著參考Cajochen[47]和Pipps-Nelson[48]的研究，將此值轉化成該點天然光所產生的非視覺效應值，最后依據光生物學中關于曝光的時間對晝夜節律相位影響的大小，將一天分成三個不同的時間段，用式(7)分別對各時間段的產生的非視覺效應進行全年累積計算得到值，并用帽子圖的方法可視化表達出來。

(6)

(7)

在圖1中使用漸變的色彩來表達全年某一點天然采光產生的非視覺效應的瞬時值(15 min每步長)，為了方便識別0%用黑色表示，100%用白色表示，當沒有天然光照的時候，用灰色表示。在6：00、10：00和18：00處用3條水平線將全天分成三個時間段，每個時間段的非視覺效應全年累積值用帽子圖不同的環和不同的顏色表示，此外每個1/4圓對應著不同的視看方向，一般是上北下南。

3)有效晝夜節律區域百分比(CEA)。2017年，Konis[49]提出“有效晝夜節律區域百分比”(circadian effective area，CEA)這一指標，該指標開拓性的考慮了感光史這一因素的影響，并在此基礎上引申出一系列的圖示以更直觀全面的評價和預測建筑內天然采光產生的非視覺效應。

文獻[50，51]中首先引入“有效晝夜節律”這一概念，簡稱CE (circadian-effective)，指若建筑內某點在7:00—10:00間有某一方向接收的天然采光的等效晝夜節律照明(EML)，平均值達到健康建筑標準(Well Building Standard)規定的非視覺效應的最小光照刺激標準250EML，即認為這一天在該點達到了有效的晝夜節律。考慮個人感光史的影響，長時間的不規律光照也會對晝夜節律產生影響，為了評價在指定時間段CE的有效性(以1周時間為例)，文獻[50，51]中引入“刺激頻率”這一指標，簡稱stim.freq (stimulus frequency)，根據該天和隨后6天內達到CE的天數來判斷該天維持晝夜節律的效果，并分成5個等級，等級越高效果越好。該指標的詳細使用方法如圖2所示。

圖2 在一周內天然光達到的有效晝夜節律CE天數決定刺激頻率(stim.freq)，左側顯示依據stim.freq可將該天維持晝夜節律的效果分為5個等級A、B、C、D、F[49]Fig.2 Hypothetical daily exposure scenarios leading to varying stimulus frequency outcomes. Shown on the left are the five grades (A, B, C, D, F) developed to differentiate levels of entrainment quality

圖3 每個月份教室內各測量點的stim.freq等級在空間上的映射分布和基于不同stim.freq等級下的CEA年度可視化疊加式表達[49]Fig.3 Combined performance visualization showing daily variation in Circadian Effective Area (CEA) based on varying entrainment quality grades surrounded by spatial mapping of monthly mean CEA within each of the five grades

評價一個建筑空間天然采光產生的非視覺效應是對該空間內所有的點的綜合效果進行評價，其后Konis又引入了CEA[49]，表示一天中該空間內所有計算測量點中達到或超過設定的stim.freq的百分比。圖3通過CEA這一指標可以較清楚的表示出建筑內天然光產生的非視覺效應，四周圍繞的圖片表示該月份平均的CEA值和各計算測量點的stim.freq等級在空間上的映射分布，中間的圖表示基于5個不同stim.freq等級下的CEA年度可視化疊加表達。

2.3 分析與討論

節律影響因子C/P值參考了光源在低照度下的評價方法(S/P值)，能較好地理解光源所產生的非視覺效應，但該評價方法僅考慮了非視覺效應中的光照強度和光譜分布的影響。在此基礎上，居家奇提出的使用光劑量的方法，加入了光照時間長度的影響，有效的彌補了基于傳統光度學理論發展出的非視覺效應評價方法中缺失的時間維度信息。

生物節律刺激因子CS值這一評價方法結合了神經解剖學、生理學、人眼視網膜中光敏色素的相關研究，具有較高的準確性。但由于該評價模型不是線性，需要對使用條件進行判定，還考慮了感光細胞之間的相互關系，較為復雜，故需要在精確度和方便性上做一定的折中，以方便實際應用。

加權的DA值這一方法雖然對天然光光譜分布變化的判定和天然采光照度目標值的設置過于簡單，但是該方法綜合考慮到了全年天然采光的動態分布，并將天空光劃成不同成分分別考慮，這為以后非視覺效應的天然采光評價提供了思路。“帽子圖”的方法就是在此基礎上進一步完善的結果，不但綜合考慮了天然光的光照強度、光譜分布，還考慮了光照時間段和光照持續時間對人產生非視覺效應的影響。此外，該方法以直觀和簡潔的方式顯示出空間中某點指定視看方向累積的非視覺效應，具有較強的實用價值，建筑師可以參考“帽子圖”來了解該空間在全年不同時間段的非視覺效應的特征，從而進行設計方案的調整。

有效晝夜節律區域百分比(CEA)則是可以在建筑設計的前期階段對室內天然光環境的非視覺效應做出預測，并能具體分析該空間在每個月份內的天然光產生的非視覺效應。最重要的是該方法開拓性的提出了stim.freq等級概念，從而在一定程度上考慮了個人感光史這一重要影響因素。

采光照明引發的非視覺效應與人體對特定波長光的吸收特性有關，光源的光譜分布、光照強度、光照模式、持續時間和光照時間點都會對人體的晝夜節律系統產生影響，此外相關研究表明個人感光史也會影響到晝夜節律系統[52]。通過上文的比較分析可知，各種非視覺效應評價方法對這些影響因素的考慮也存在差異，優缺點也各不相同(見表2)，但這些評價方法之間都存在著一定的關聯性，正是這些關聯性促使了基于非視覺效應的采光照明評價方法不斷發展和完善。

表2 采光照明非視覺效應的評價方法總結

3 結語

基于實驗研究總結出的非視覺效應光譜響應曲線，推導出不同的采光照明非視覺效應的評價方法，這些評價方法有的還可以利用先進的計算模擬技術。盡管這些模擬技術可以對建筑采光照明實踐產生相當大的便利，但均存在一定的缺陷，很少能全面考慮到影響采光照明非視覺效應的各個因素。

雖然目前采光照明非視覺效應的研究還不足以在建筑采光照明設計時給出一些滿足人們非視覺效應需求的確切數值，但這些評價方法為我們衡量采光照明的非視覺效應提供了思路，并構建了一個可以持續發展的框架，當人眼非視覺系統的工作原理取得新的研究成果時，這些評價方法也會隨之不斷地更新和完善。