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(shù)V(λ)在工業(yè)生產(chǎn)、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(shù)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(jù)此來進行修正的。明視覺函數(shù)代表的是在較高亮度水平下 (＞3cd/m2)人眼在視網(wǎng)膜中央凹2度目標張角內(nèi)的視覺特性。

本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞 (ipRGC)的發(fā)現(xiàn)將照明領域的研究從視覺范疇內(nèi)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(xiàn)，原因在于光生物效應的光譜響應曲線與傳統(tǒng)的明視覺函數(shù)V(λ)存在較大差異。國內(nèi)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(huán)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(tǒng)綜合效果，(TC6-63)專門研究光生物效應對生理節(jié)律的影響，用以幫助晚班工作者及長途飛行者減少節(jié)律變化影響，(TC6-62)專門討論與生理節(jié)律及相關神經(jīng)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(guī)律的航天員，潛艇戰(zhàn)士的健康尤為重要，良好的人工照明系統(tǒng)可以將人體節(jié)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(jù)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(fā)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(shù)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(huán)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(tǒng)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(nèi)光輻射能量的大小，光通量是說明光源發(fā)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(shù);Km為光譜光視效率函數(shù)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(jù)V(λ)進行分配“權重”。CIE所制定的光譜光視效率函數(shù)是把電磁能量和光度量聯(lián)系在一起的必要橋梁，它實現(xiàn)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(fā)光體性能指標的參數(shù)，由光通量引出與其相對應的光度學參數(shù)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(fā)光體，如光源、燈具或二次發(fā)光體(例如道路照明中的路面)發(fā)光性能的光度學參數(shù)，在照明光環(huán)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(shù)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(shù)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(xù)時間有關，所以傳統(tǒng)照明光度學測試內(nèi)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(xù)時間緊密相關，應使用人眼實際在某一時間段內(nèi)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(jīng)遠遠偏離555nm，故而Km的數(shù)值以及能量分配“權重”函數(shù)也應發(fā)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(tǒng)光度學用以評價接受光照的參數(shù)照度對應，可以使用實際照明光環(huán)境中，人眼位置處的有效光劑量密度來表示。

為了實現(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)方式如下，引入B/P值用以評價不同照明環(huán)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(shù)據(jù)，其他參數(shù)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(nèi)的有效光劑量密度，累加各測試時間間隔內(nèi)的有效光劑量密度值，即可計算得到在特定的照明環(huán)境下，一定的時間段內(nèi)，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(xiàn)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(jù)基于心率變化的光生物效應B(λ)函數(shù)的實際濾光片擬合曲線，擬合優(yōu)度為0.96。

圖2 B(λ)光譜響應函數(shù)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(fā)樣機。

4 小結

照明非視覺生物效應從21世紀初發(fā)現(xiàn)至今，研究人員從各自研究角度出發(fā)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(jù)已有的研究結果用以評價實際光環(huán)境的非視覺生物效應卻是必要的?；谡彰鞣且曈X生物效應的特點，建議采用光劑量作為評價、檢測實際光環(huán)境非視覺生物效應的測試參數(shù)，可以有效彌補傳統(tǒng)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(huán)境的舒適和健康提供評判依據(jù)。

［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.