呂克·施蘭根，盧克·普萊斯 [著]

徐俊麗3，郝慧羽3，童蝶宏3 [譯]

郝洛西4，孔祥振1，汪統(tǒng)岳4，5 [校]

(1.埃因霍溫理工大學(xué) 智能照明研究所 人機(jī)交互設(shè)計(jì)組，埃因霍溫；2.英國(guó)公共衛(wèi)生 輻射、化學(xué)和環(huán)境危害中心，迪德科特；3.蘇州大學(xué) 建筑學(xué)院，江蘇 蘇州 215031；4.同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；5. 上海市養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院(上海市陽(yáng)光康復(fù)中心)，同濟(jì)大學(xué) 附屬養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院，同濟(jì)大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，上海 201619)

引言

光線對(duì)視覺(jué)至關(guān)重要，但從生命的最初幾周[1-5]開(kāi)始，它也會(huì)驅(qū)動(dòng)重要的非成像(NIF)效應(yīng)，這些效應(yīng)是決定睡眠[6]、晝夜節(jié)律[7]、警覺(jué)性[8，9]、情緒[10]和激素分泌[11]的重要因素。本文旨在為對(duì)光的非成像效應(yīng)、時(shí)間生物學(xué)和健康方面感興趣的照明專業(yè)人員、決策者和研究人員提供參考。論文解釋并討論了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的光計(jì)量方法[12]，該方法基于五種類型的視網(wǎng)膜光感受器，每種具有不同的光譜敏感性，并可能有助于非視覺(jué)或非成像響應(yīng)[13]。值得注意的是，視黑素蛋白是這五種光感受器類型中的一種功能性感光色素。

越來(lái)越多的證據(jù)[6，14-21]表明，視黑素蛋白的光譜敏感性是最成功和簡(jiǎn)明的模型，可以預(yù)測(cè)中長(zhǎng)期接受環(huán)境光的響應(yīng)，如晝夜節(jié)律相移，或瞳孔大小、警覺(jué)性和褪黑素分泌的調(diào)節(jié)。然而，缺乏單一的作用譜或代替物可以完整地描述[13，22]實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中所有可測(cè)試的光強(qiáng)、作用時(shí)間、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和光照模式變化的研究[23，24]。此外，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的光照效應(yīng)通常被各種不確定因素所混淆，這些不確定因素包括非光照效應(yīng)、個(gè)體對(duì)光敏感性的差異[25]、研究人群的差異以及現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境中環(huán)境與行為控制的減少。在承認(rèn)這些局限性的同時(shí)，我們將提供一些示例，說(shuō)明基于視黑素蛋白的標(biāo)準(zhǔn)化光計(jì)量方法[12]已經(jīng)可以在實(shí)踐中應(yīng)用。

松果體分泌的褪黑素是一種重要、常用的晝夜節(jié)律標(biāo)志物，光照對(duì)其夜間分泌的影響已得到證實(shí)[11，14，15，26，27]。人體的褪黑素有助于促進(jìn)入睡和提高睡眠質(zhì)量[28]，并且僅在習(xí)慣性睡眠期間分泌(達(dá)到可檢測(cè)水平)。夜間光照會(huì)急性抑制循環(huán)中的褪黑素水平[11]，但處于清醒或睡眠狀態(tài)本身對(duì)尿液中的褪黑素沒(méi)有直接影響[29]。在恒定的昏暗光線下，褪黑素水平在傍晚開(kāi)始上升，并在夜間核心體溫(Core Body Temperature，CBT)達(dá)到最低點(diǎn)(表示為CBTmin)前2 h左右達(dá)到峰值，該最低點(diǎn)通常發(fā)生在(習(xí)慣性)覺(jué)醒時(shí)間前2 h[30，31]。

睡眠—覺(jué)醒周期與24 h褪黑素周期密切相關(guān)：習(xí)慣性就寢時(shí)間大約在褪黑素開(kāi)始分泌后2 h(昏暗光線下)，而習(xí)慣性覺(jué)醒通常發(fā)生褪黑素開(kāi)始分泌后10 h(昏暗光線下)，褪黑素開(kāi)始分泌被定義為唾液褪黑素濃度增加并保持在4 pg/ml或其擬合振幅25 %以上的時(shí)間點(diǎn)[32，33]。在習(xí)慣性覺(jué)醒時(shí)間前后，褪黑素濃度下降，甚至在昏暗光線條件下也會(huì)降至無(wú)法檢測(cè)的水平。夏季在戶外生活一周，暴露在天然光下且沒(méi)有任何人工光時(shí)，通常褪黑素開(kāi)始分泌的時(shí)間出現(xiàn)在日落前后，而結(jié)束分泌的時(shí)間發(fā)生在覺(jué)醒時(shí)間之前(日出之后)[34]。睡眠—覺(jué)醒周期的突然變化使褪黑素24 h曲線(幾乎)不受影響[35]，而一次適當(dāng)作用時(shí)間和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室光照可以將褪黑素節(jié)律的相位改變多達(dá)3 h[27，36]。然而，由蘇氨酸蛋白激酶(Salt Inducible Kinase 1，Sik1)調(diào)節(jié)的遺傳時(shí)鐘機(jī)制中的負(fù)反饋限制了光的相移效應(yīng)[37]，在有時(shí)差反應(yīng)的人類和大多數(shù)其他哺乳動(dòng)物中，行為相移仍然限制在每天約1 h(一個(gè)時(shí)區(qū))[38]。

光對(duì)24 h褪黑素曲線的影響如圖1 A～1 D所示。晨間光照會(huì)提前褪黑素分泌的時(shí)間，促進(jìn)更早的就寢時(shí)間和入睡時(shí)間，而夜間光照會(huì)延遲褪黑素的分泌，從而導(dǎo)致就寢時(shí)間延遲[27]。晝夜節(jié)律系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生在CBTmin之前的光照為夜間光照，而發(fā)生在CBTmin之后的光照為晨間光照[27]。日間光照可以增強(qiáng)夜間褪黑素的分泌[39]，增強(qiáng)生物鐘穩(wěn)定性，并降低對(duì)深夜/夜間光照的敏感性[40-45]。即使在傍晚2.5 h的強(qiáng)光照射，也足以減少深夜光照對(duì)睡眠的急性破壞作用[46]。

圖1 (A-D)光對(duì)24 h褪黑素曲線的影響示意圖。該曲線標(biāo)記著晝夜節(jié)律和習(xí)慣性睡眠期。后者由水平的深色矩形表示，淺藍(lán)色的線表示個(gè)體在24 h昏暗光線條件下的相應(yīng)褪黑素曲線。紅色三角形表示核心體溫在(習(xí)慣性)喚醒時(shí)間前約2 h達(dá)到最低點(diǎn)的時(shí)間。垂直矩形表示特定的光照。(A)晨間光照會(huì)提前褪黑素分泌的時(shí)間(即支持更早入睡和覺(jué)醒)。(B)夜間光照會(huì)延遲褪黑素分泌的時(shí)間。(C)習(xí)慣性睡眠期間的光照會(huì)急性抑制褪黑素的分泌。(D)日間光照增強(qiáng)了隨后夜間的褪黑素分泌。(E-H)復(fù)式圖顯示了不同光照導(dǎo)致的人類睡眠—覺(jué)醒(SW)周期模式，每種模式從16L∶8D的幾天開(kāi)始，隨后幾天的光照受到限制。(E)早上覺(jué)醒時(shí)，光照限制為1 h。(F)深夜光照限制為1 h。(G)在完全黑暗(D∶D周期)中，由于人類晝夜節(jié)律的內(nèi)在周期略微超過(guò)24 h，每天SW周期的時(shí)間逐漸推遲。(H)每天早晨和晚上都有足夠的光線來(lái)穩(wěn)定SW周期的理論示例Fig.1 (A-D)Schematic representation of the effects of light on the 24 h melatonin profile. This profile marks the circadian rhythm and the habitual sleep period. The latter is indicated by the horizontal dark rectangle，the light blue line represents the corresponding melatonin profile for an individual in 24 h dim light conditions. The red triangle indicates the time at which the core body temperature reaches its nadir at about 2 h before (habitual)wake-up time. The vertical rectangles denote a particular light exposure. (A)Light exposure in the morning advances the timing of melatonin secretion (i.e.，supports earlier bedtime and awakening). (B)Light exposure in the evening delays the timing of melatonin secretion. (C)Light exposure during the habitual sleep period acutely suppresses melatonin secretion. (D)Daytime light exposure strengthens subsequent nocturnal melatonin secretion. (E-H)Double-plotted actograms schematically showing patterns of the human sleep-wake (SW)cycle resulting from different light exposures，each starting with several days in 16L∶8D and with light restricted on subsequent days. (E)Light restricted to 1 h in the morning on waking，(F)light restricted to 1 h in the late evening light. (G)In complete darkness (a D∶D cycle)，since the intrinsic period of the circadian rhythm in humans slightly exceeds 24 h，the timing of the SW cycle drifts later and later across days. (H)A theoretical example with sufficient light each morning and evening to entrain the SW cycle

圖1 E、1 F展示了晨間、夜間光照對(duì)睡眠—覺(jué)醒周期的影響。當(dāng)明暗周期的振幅較低，即白天和黑夜之間的對(duì)比不足時(shí)，晝夜節(jié)律是自由運(yùn)行的。一個(gè)人如果生活在持續(xù)昏暗的光線下，其睡眠—覺(jué)醒周期會(huì)在第二天緩慢地延遲。這在圖1 G中有所描述。這是由于在昏暗的光線下，晝夜節(jié)律在其內(nèi)源性周期內(nèi)自由運(yùn)行，人類平均約為24.2 h[35，47-50]。早晚光照的正確組合可以穩(wěn)定晝夜節(jié)律，使其與24 h的明—暗周期保持同步，如圖1 H所示。

美國(guó)有研究表明，現(xiàn)代社會(huì)的人們大約有90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)[51-53]。典型的人類室內(nèi)環(huán)境在白天提供的光線相對(duì)較少，特別是與室外的天然光相比，室外照度可能高出1、2甚至3個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，歐洲工作場(chǎng)所照明標(biāo)準(zhǔn)[54]規(guī)定，辦公室內(nèi)維持水平照度的最低值在200～750 lx之間，這取決于具體任務(wù)，而室外水平照度可高達(dá)150 klx[55]。在晚上和深夜，人工光和發(fā)光顯示設(shè)備的廣泛使用導(dǎo)致人們長(zhǎng)時(shí)間暴露在光線下[56]。這些非自然的光照條件影響了晝夜節(jié)律，增強(qiáng)了夜晚型傾向[34]。此外，眾所周知，現(xiàn)代生活方式和(非自然的)光照會(huì)導(dǎo)致更多的“社會(huì)時(shí)差”，這會(huì)對(duì)睡眠、表現(xiàn)、幸福和健康產(chǎn)生負(fù)面影響[57，58]。進(jìn)化使我們適應(yīng)了生活在更明亮的白天條件而不是現(xiàn)代的室內(nèi)生活。對(duì)一個(gè)健康的照明環(huán)境而言，具有正常晝夜活動(dòng)模式(即以白天為導(dǎo)向，通常在夜晚睡覺(jué))的人在白天需要明亮的白光，尤其是在晨間，同時(shí)應(yīng)減少深夜的長(zhǎng)時(shí)間光照，并盡可能避免夜間光照(另見(jiàn)CIE立場(chǎng)聲明[59])。

盡管引言集中在時(shí)間生物學(xué)，但應(yīng)注意的是，時(shí)間生物學(xué)響應(yīng)只是對(duì)光的非視覺(jué)響應(yīng)的一部分。本文描述的非視覺(jué)計(jì)量工具以及下文提供的信息，也可應(yīng)用于其他視網(wǎng)膜光感受器對(duì)環(huán)境光的響應(yīng)。

1 視網(wǎng)膜光感受器

本世紀(jì)初，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的視網(wǎng)膜光感受器，即內(nèi)在光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞[60](intrinsically-photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)。這種光感受器除了接收來(lái)自視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的外部輸入信號(hào)外，還含有視黑素蛋白，從而產(chǎn)生內(nèi)在的光敏感性，因此得名[13]。圖2 A顯示了參與非視覺(jué)光感受的五種光感受器(短波視錐細(xì)胞、中波視錐細(xì)胞、長(zhǎng)波視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞和ipRGCs)的光譜敏感性[12]，以及眾所周知的V(λ)函數(shù)(明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù))。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，視黑素蛋白光感受發(fā)生在可見(jiàn)光譜420～560 nm之間的短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在體內(nèi)的峰值靈敏度在490 nm[13]?；谝暫谒氐鞍椎男盘?hào)傳導(dǎo)比視桿細(xì)胞或視錐細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)更緩慢、更持久[63-65]。哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜中至少有六種ipRGCs亞型(M1-M6)已被鑒定(迄今為止，人類為M1-M5)[66-69]。與視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞不同，ipRGCs有光敏樹(shù)突，橫向延伸到整個(gè)視網(wǎng)膜。圖2B顯示了視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和ipRGCs的相對(duì)密度與視網(wǎng)膜偏心率的函數(shù)關(guān)系?；谝暫谒氐鞍椎墓飧惺茴A(yù)測(cè)了一系列日常光照下的時(shí)鐘介導(dǎo)和急性非視覺(jué)響應(yīng)[21]。時(shí)鐘介導(dǎo)的影響包括睡眠—覺(jué)醒周期調(diào)節(jié)和晝夜節(jié)律相移，而光的急性反應(yīng)示例包括褪黑素抑制、警覺(jué)性控制和穩(wěn)態(tài)瞳孔直徑[17，18，20，21]。

圖2 (A)用于非視覺(jué)計(jì)量的α響應(yīng)作用譜[12]，sα (λ)；短波視錐體響應(yīng)(α=sc)、中波視錐體響應(yīng)(α=mc)、長(zhǎng)波視錐體響應(yīng)(α=lc)、視桿體響應(yīng)(α=rh)或視黑素響應(yīng)(α=mel)，其中srh(λ)定義為等于暗視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)V′(λ)。還繪制了明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)V(λ)。(B)視桿細(xì)胞、視錐細(xì)胞和 ipRGCs 的相對(duì)密度與中央凹偏心角的關(guān)系[61，62]。中央視野中沒(méi)有ipRGCs，但在該視野之外，它們的密度下降到一個(gè)穩(wěn)定值。ipRGCs的最大密度為：20～25個(gè)cells·mm-2，比視桿細(xì)胞或視錐細(xì)胞的最大密度低4個(gè)數(shù)量級(jí)Fig.2 (A)The α-opic action spectra for non-visual metrology [12]，sα (λ)； S-cone opic (α=sc)，M-cone-opic (α=mc)，L-cone opic (α=lc)，rhodopic (α=rh)，or melanopic (α=mel)，where srh(λ) is defined to be equal to the spectral luminous efficiency function for scotopic vision，V′(λ). The spectral luminous efficiency function for photopic vision，V(λ)，is also plotted. (B)The relative densities of the rods，cones and ipRGCs by angular eccentricity from the central fovea[61，62]. There are no ipRGCs in the central visual field，but outside this field their density falls off to a steady value. The maximum density of the ipRGCs is 20～25 cells·mm-2，4 orders of magnitude lower than the maximum densities of the rods or cones

在5歲之前，人眼中的晶狀體仍能透過(guò)短波可見(jiàn)光，甚至接近320 nm的紫外線輻射[70](Ultraviolet Radiation，UVR)。大約在5歲時(shí)，它對(duì)UVR變得不透明。隨著年齡的增加，晶狀體在可見(jiàn)光譜的短波長(zhǎng)范圍(即紫色和藍(lán)色)的透射率降低。因此，在年長(zhǎng)時(shí)，視網(wǎng)膜光感受器接收的光輸入較少，特別是短波長(zhǎng)敏感的光感受器(視桿細(xì)胞、短波視錐細(xì)胞和ipRGCs)。盡管適應(yīng)機(jī)制和神經(jīng)可塑性可以補(bǔ)償年齡引起的實(shí)際到達(dá)視網(wǎng)膜的短波長(zhǎng)光的減少，但超過(guò)50歲時(shí)ipRGCs的數(shù)量隨著年齡增長(zhǎng)而下降[71]。這種ipRGCs損失的同時(shí)，伴隨著細(xì)胞形態(tài)的變化和ipRGCs分布模式隨機(jī)性的顯著增加。

研究表明，隨著年齡的增長(zhǎng)，視黑素蛋白光感受能力的下降可能在睡眠和衰老的神經(jīng)認(rèn)知效應(yīng)中發(fā)揮重要的負(fù)面作用[71]，包括那些與癡呆癥以及一般衰老相關(guān)的影響。非視覺(jué)的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)能力隨著年齡增長(zhǎng)而衰退[72-74]，從而對(duì)睡眠產(chǎn)生負(fù)面影響。部分研究不僅證實(shí)了這一假設(shè)，還觀察到在中老年人群中，更零碎和更不穩(wěn)定的睡眠活動(dòng)模式與更高的全因死亡率(高達(dá)20%左右)有關(guān)，該死亡率與年齡無(wú)關(guān)[75]。

2 基于明亮感知的視角量化光

傳統(tǒng)照明實(shí)踐主要針對(duì)視覺(jué)性能、舒適度和視覺(jué)領(lǐng)域等方面來(lái)量化照明設(shè)計(jì)、安裝以及光照，使用光通量(以流明為單位)、照度(以勒克斯為單位)和其他視覺(jué)相關(guān)量。這些量描述了明視覺(jué)條件下(即亮度高于5 cd/m2[76])光源的明亮感受(本譯文中的明亮感受指luminous sensation)，由視錐細(xì)胞驅(qū)動(dòng)人類視覺(jué)響應(yīng)。當(dāng)眼睛適應(yīng)非常低的亮度(低于0.001 cd/m2)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)暗視覺(jué)。在暗視覺(jué)條件下，由視桿細(xì)胞驅(qū)動(dòng)視覺(jué)響應(yīng)。亮度和照度之間的轉(zhuǎn)換取決于以球面度為單位測(cè)量的表觀光源尺寸，因此，一般的暗視覺(jué)和明視覺(jué)閾值無(wú)法以勒克斯表示。

就個(gè)體而言，光感受器遵循單變量原理，這意味著它們不能區(qū)分強(qiáng)度和波長(zhǎng)的變化[77]。因此，人類對(duì)明視覺(jué)和暗視覺(jué)明亮感受的光譜敏感性可分別由光譜光視效率函數(shù)V(λ)和V′(λ)描述，見(jiàn)圖2 A。例如，光的光譜功率可以通過(guò)將每個(gè)波長(zhǎng)分別乘以V(λ)或V′(λ)來(lái)進(jìn)行明視覺(jué)加權(quán)或暗視覺(jué)加權(quán)。將所有波長(zhǎng)的結(jié)果(即明視覺(jué)加權(quán)或暗視覺(jué)加權(quán)光譜)相加，并將結(jié)果乘以相應(yīng)的效能常數(shù)(分別為K(m)和K′(m))，就可以得到光度單位(如流明、勒克斯或坎德拉)，如下文所述。

根據(jù)定義，頻率為540×1012Hz的單色光(相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)空氣中的波長(zhǎng)555 nm(1)為了便于閱讀，將用555 nm代替λd≈555.016 nm來(lái)表示光的波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)空氣中光的頻率為540×1012 Hz。)的發(fā)光效率為683 lm/W[78]。由于V(λ)函數(shù)在555 nm處達(dá)到其峰值，因此明視覺(jué)最大光譜光視效能(以常數(shù)K(m)表示)等于683 lm/W。暗視覺(jué)最大光譜光視效能(由常數(shù)K′(m)表示)等于1 700 lm/W，可由K(m)×V(555 nm)=K′(m)×V′(555 nm)的關(guān)系得出。

使用暗視覺(jué)效率函數(shù)評(píng)估的(光源)光輸出與使用明視覺(jué)效率函數(shù)評(píng)估的光輸出之比稱為S/P比值。S/P比值是光的光譜分布特征，根據(jù)定義，對(duì)于頻率為540×1012Hz或波長(zhǎng)為555 nm(在空氣中)的單色光，S/P比值等于1。S/P比值大于1表示，1流明的光源(明視覺(jué))對(duì)視桿細(xì)胞的激活作用比1流明的555 nm單色光大。

當(dāng)眼睛適應(yīng)明視覺(jué)和暗視覺(jué)條件之間的光照水平時(shí)，會(huì)出現(xiàn)中間視覺(jué)。在這一范圍內(nèi)，即在中間區(qū)域，視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的聯(lián)合作用決定了人類的視覺(jué)響應(yīng)。然而，ipRGCs與視網(wǎng)膜適應(yīng)有關(guān)[79]，并可能參與調(diào)節(jié)中間視覺(jué)和明視覺(jué)的敏感性[80]。

Do等[81]對(duì)ipRGCs及其功能進(jìn)行了廣泛回顧，包括它們?cè)谝曈X(jué)響應(yīng)中的作用。早在2002年，Hankins和Lucas就已經(jīng)證明，人類主要視錐細(xì)胞視覺(jué)通路的適應(yīng)性會(huì)隨著一天中的時(shí)間而變化。該變化由一種非視桿細(xì)胞、非視錐細(xì)胞的感光色素驅(qū)動(dòng)，其光譜敏感性曲線與一種峰值在483 nm的視蛋白：維生素A的標(biāo)準(zhǔn)曲線相匹配。由此產(chǎn)生的曲線現(xiàn)在被廣泛接受為感光色素視黑素蛋白的原型作用譜，并描述了ipRGCs的內(nèi)在光敏感性。視黑素蛋白可以驅(qū)動(dòng)視覺(jué)感知的另一個(gè)證明來(lái)自一個(gè)關(guān)于盲人的案例研究，該盲人缺乏功能性視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，能夠報(bào)告480 nm的單色光刺激是開(kāi)啟或關(guān)閉，但對(duì)其他波長(zhǎng)的刺激卻沒(méi)有這樣的發(fā)現(xiàn)[82]。

最近的研究表明，視黑素響應(yīng)可能對(duì)視覺(jué)響應(yīng)有進(jìn)一步的影響。當(dāng)光刺激具有較大的視黑素響應(yīng)量，同時(shí)對(duì)視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞來(lái)說(shuō)是同等亮度時(shí)，人類的亮度感知(本譯文中的亮度感知指brightness perception)可能更強(qiáng)[83]，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)更詳細(xì)地量化了視黑素蛋白對(duì)亮度感知的影響[84，85]。視黑素蛋白效應(yīng)可以將亮度感知增加10 %，尤其是對(duì)于涉及亮度、色調(diào)差異很小或沒(méi)有差異的亮度辨別任務(wù)[86]。最后，值得注意的是，視黑素蛋白光感受器還可以提高粗糙圖案的可檢測(cè)性[80]。這些結(jié)果表明，視黑素蛋白不僅與非視覺(jué)響應(yīng)和視覺(jué)適應(yīng)有關(guān)，還可能對(duì)進(jìn)一步的視覺(jué)響應(yīng)如亮度感知和模式識(shí)別做出貢獻(xiàn)。然而，正確論證視黑素對(duì)視覺(jué)的影響在方法上是復(fù)雜的，且面臨許多挑戰(zhàn)[87]。目前，基于視黑素蛋白的光感受與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以外的亮度感知的相關(guān)性尚未確定，值得進(jìn)一步研究。

3 量化光的非視覺(jué)響應(yīng)：α響應(yīng)計(jì)量法

如上所述，ipRGCs中基于視黑素蛋白的光感受構(gòu)成了非視覺(jué)響應(yīng)的重要驅(qū)動(dòng)因素。在工作中，許多照明設(shè)計(jì)師已經(jīng)對(duì)光和照明的視覺(jué)、建筑和心理方面進(jìn)行了廣泛了解。照明領(lǐng)域的專業(yè)人士越來(lái)越意識(shí)到，除了以視錐細(xì)胞響應(yīng)為主導(dǎo)的指標(biāo)如相關(guān)色溫(CCT)、照度和亮度外，還需要在規(guī)范、守則、建議和研究中考慮基于視黑素蛋白的光感受。這些指標(biāo)都是量化或比較照明方案的有效工具，但它們不能取代一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師對(duì)不同光效之間相互作用的整體理解。此外，NIF光感受與從各個(gè)方向到達(dá)眼睛的光線有關(guān)。這要求依據(jù)到達(dá)眼睛高度的光線來(lái)提出建議——例如，在垂直平面上垂直于視軸測(cè)量——而不是在水平面、墻壁或物體表面上的光線。

沒(méi)有單一作用譜或代替物可以描述所有眼部介導(dǎo)光的非視覺(jué)響應(yīng)[13，22]。所有已知的五種光感受器都可以對(duì)非視覺(jué)效應(yīng)做出貢獻(xiàn)，且每種光感受器的相對(duì)貢獻(xiàn)會(huì)隨著具體的非視覺(jué)響應(yīng)，光照特性如強(qiáng)度、光譜、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、作用時(shí)間(外部和內(nèi)部/晝夜節(jié)律)，光照歷史和個(gè)體的睡眠剝奪狀態(tài)而變化。根據(jù)Lucas等[13]的綜述文章，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)——負(fù)責(zé)制定光和照明國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)告的國(guó)際組織——發(fā)布了CIE S 026：2018“內(nèi)在光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞受光響應(yīng)的光輻射計(jì)量系統(tǒng)”[12]。這項(xiàng)新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義了光譜靈敏度函數(shù)、量值和度量，以描述光輻射對(duì)每一種視網(wǎng)膜光感受器的刺激能力，這些光感受器通過(guò)ipRGCs對(duì)人類的非視覺(jué)效應(yīng)和功能做出貢獻(xiàn)。

Lucas等[13]利用視蛋白模板和晶狀體透射率函數(shù)建立了五個(gè)作用譜，描述了已知的五種視網(wǎng)膜光感受器的光譜敏感性。CIE S 026[12]采用了與Lucas等[13]相同的視黑素蛋白作用譜；然而，采用了10°視錐細(xì)胞光譜靈敏度函數(shù)[88]和暗視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)V′(λ)，分別描述視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的作用譜，使其與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和心理物理數(shù)據(jù)保持一致。

圖2A顯示了五種光譜加權(quán)函數(shù)或作用譜，sα(λ)。對(duì)于這五種(α響應(yīng))光感受器中的每一種，可根據(jù)(測(cè)試)光源的光譜輻射照度Ee，λ′，得到α響應(yīng)輻射照度Eα′，見(jiàn)表1。測(cè)試光源的α響應(yīng)輻射照度除以其照度Ev得到其α響應(yīng)光輻射效能(α-opic ELR)。該α-opic ELR與標(biāo)準(zhǔn)日光(D65)的α-opic ELR的比值定義了測(cè)試光源的α響應(yīng)日光(D65)光效能比(α-opic DER)。

表1 α響應(yīng)計(jì)量術(shù)語(yǔ)表[12]，其中sα(λ)指圖2A中所示的α響應(yīng)作用譜，Kα，v為“每流明的α響應(yīng)刺激”，D65的Kα，v計(jì)算(即D65光源的為歸一化常數(shù)。計(jì)算α-opic DER有兩種方法：α-opic DER=α-opic ELR/α-opic ELR(D65)=α-opic EDI/照度Table 1 Glossary of α-opic metrology[12]，where sα(λ) refer to the α-opic action spectra shown in Figure 2A，Kα，v is the “α-opic stimulus per lumen，” Kα，v calculated for D65 (i.e.，the α-opic ELR for D65， is a normalization constant. There are two ways to calculate the α-opic DER：α-opic DER = α-opic ELR/α-opic ELR for D65 = α-opic EDI / illuminance

4 參考照明體、等效照度、S/P和M/P比值

日光是一種天然存在的刺激，人類在這種刺激下進(jìn)化，因此它是評(píng)估和表達(dá)人類建筑環(huán)境中光照條件特性的重要參考。CIE S 026采用CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體D65作為參考照明體，將五種α響應(yīng)輻射照度的每一種表示為光度等效量(2)D65 代表色溫約為 6 500 K 的日光?？梢允褂闷渌麉⒖颊彰黧w(如標(biāo)準(zhǔn)照明體 A 或等能照明體 E)代替 D65 來(lái)定義等效照度，但應(yīng)盡可能避免使用此類非標(biāo)準(zhǔn)的量。 Lucas等[13]在引入非視覺(jué)計(jì)量的“α響應(yīng)等效照度”概念時(shí)，采用了等能照明體 (E)作為參考照明體[13，89]，但沒(méi)有明確提及所選擇的參考照明體。。這些量為五種α響應(yīng)日光(D65)等效照度(α-opic EDIs)。每種α-opic EDI以lx表示，對(duì)應(yīng)于為給定的α響應(yīng)光感受器提供與測(cè)試光相等的α響應(yīng)輻射照度所需的D65輻射照度。這里使用的術(shù)語(yǔ)“測(cè)試光”是指正在考慮的并區(qū)別于參考照明體的光。

CIE S 026中采用的光度等效概念不限于照度(單位lx)和亮度(單位cd/m2)。它也可以應(yīng)用于其他量，如光照量(單位lx·h)，光能(單位lm·s)和發(fā)光強(qiáng)度(單位cd)(3)按照同樣的順序，與之相對(duì)應(yīng)的光度量分別為α響應(yīng)日光(D65)等效光照量 [lx·h]，α響應(yīng)日光(D65)等效光能 [lm·s]和α響應(yīng)日光(D65)等效發(fā)光強(qiáng)度 [cd]。。

在CIE S 026中，當(dāng)描述測(cè)試光的光譜特性時(shí)，測(cè)試光的α-opic EDI與其照度之比定義了測(cè)試光的α-opic DER，見(jiàn)表1。換句話說(shuō)，視黑素響應(yīng)DER表示測(cè)試光的視黑素響應(yīng)通量(M)與明視覺(jué)光通量(P)之比，這個(gè)無(wú)量綱的值可以有效地被認(rèn)為是新的“M/P”。根據(jù)定義，對(duì)于參考照明體D65，該比率被歸一化為1。S/P比值是一個(gè)既定的照明度量。對(duì)于波長(zhǎng)為555 nm的單色光，其S/P比值等于1，因?yàn)镾/P比值有效使用了555 nm的單色光作為其歸一化參考照明體。如果視黑素響應(yīng)EDI為30 lx，那么，測(cè)試光對(duì)ipRGCs的激活作用等效于30 lx的D65產(chǎn)生的效果。同樣，30 lx的暗視覺(jué)照度意味著，測(cè)試光對(duì)視桿細(xì)胞的激活作用等效于30 lx的555 nm單色光產(chǎn)生的效果。

5 α響應(yīng)的光度量和輻射度量

在國(guó)際單位制(SI)中，輻射度量學(xué)被描述為“與電磁輻射(包括可見(jiàn)光)特性物理測(cè)量相關(guān)的計(jì)量學(xué)領(lǐng)域”。輻射量可以不加權(quán)，但光生物量通常根據(jù)合適的作用譜進(jìn)行加權(quán)，該作用譜將輻射的相對(duì)效率描述為產(chǎn)生效應(yīng)時(shí)的波長(zhǎng)函數(shù)。

物理學(xué)家通常使用基于能量的輻射度量學(xué)，而光生物學(xué)家和光化學(xué)家通常使用光子系統(tǒng)，光與照明領(lǐng)域的專業(yè)人士則傾向于使用光度學(xué)。光度學(xué)使用特殊的國(guó)際單位制(SI)，如cd、lm和lx。通過(guò)當(dāng)前定義的SI基本常數(shù)Kcd(Kcd≈Km，見(jiàn)前文)和光度量發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的SI基本單位坎德拉(Candela)，輻射度量學(xué)、光度學(xué)及其單位密切相關(guān)。在七個(gè)SI基本單位(及其定義常數(shù))中，坎德拉及其定義常數(shù)Kcd是獨(dú)特的，它與人類視覺(jué)有關(guān)，而不是一個(gè)基本的物理現(xiàn)象。光子系統(tǒng)與輻射度量系統(tǒng)非常相似，能量單位由光子數(shù)量代替(需要對(duì)光譜加權(quán)函數(shù)和數(shù)量進(jìn)行調(diào)整(4)單個(gè)光子的能量E取決于普朗克常數(shù)h、光速c、波長(zhǎng)λ和介質(zhì)的折射率(例如nair)，因此，對(duì)于給定波長(zhǎng)的Np光子(在光子系統(tǒng)中表示)，相應(yīng)的輻射能量為Ee=Np·h·c/λ·nair。當(dāng)把作用譜從光子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到輻射能量系統(tǒng)時(shí)，或者反過(guò)來(lái)，一旦調(diào)整應(yīng)用于每個(gè)波長(zhǎng)，整個(gè)作用譜也必須被重新歸一化，使其新的最大值等于1。)，由于涉及的數(shù)字非常大，通常獲取對(duì)數(shù)后進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖3說(shuō)明了這三種計(jì)量方法之間的深層聯(lián)系。光度學(xué)系統(tǒng)中的一組量(照度、光通量、亮度)對(duì)應(yīng)著輻射度量系統(tǒng)中光度加權(quán)的類似量(輻射照度、輻射通量、輻射亮度)，對(duì)應(yīng)著光子系統(tǒng)中光度加權(quán)的類似量光子(輻射照度、通量、輻射亮度)。這些類似量的單位分別為(lx、lm、cd/m2)，(W/m2、W、W/sr/m2)和(m-2·s-1、s-1、sr-1·m-2·s-1)。對(duì)于視黑素響應(yīng)量——具有完全相同的單位——各自的量是[視黑素響應(yīng)日光(D65)等效照度，視黑素響應(yīng)日光(D65)等效光通量、視黑素響應(yīng)日光(D65)等效亮度]，視黑素響應(yīng)(輻射照度、輻射通量、輻射亮度)和視黑素響應(yīng)光子(輻射照度、通量、輻射亮度)。同樣地，對(duì)于其他四個(gè)α響應(yīng)量，也有同樣的關(guān)系。根據(jù)CIE S 026的定義，視黑素日光(D65)等效亮度可縮寫為視黑素響應(yīng)EDL。

圖3 三種計(jì)量方法以及與這些方法相對(duì)應(yīng)的α響應(yīng)量Fig.3 The three approaches to metrology and the α-opic quantities corresponding to these approaches

6 α響應(yīng)工具箱

為了計(jì)算輻射度量、光子和光度學(xué)系統(tǒng)中的α響應(yīng)量，并將其從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)系統(tǒng)，CIE發(fā)布了交互式ExcelTM電子表格“CIE S 026工具箱”[90]。在CIE網(wǎng)站[doi：10.25039/S026.2018.TB]上，不僅可以免費(fèi)訪問(wèn)該工具箱，同時(shí)還提供了介紹視頻和用戶指南。工具箱功能包括加權(quán)函數(shù)、光譜加權(quán)圖和簡(jiǎn)明術(shù)語(yǔ)表。

用戶可以輸入光譜測(cè)量值，并計(jì)算所有與輻射照度和輻射亮度的類似量，包括該光譜的照度和α-opic EDIs(圖4 A)。即使沒(méi)有實(shí)測(cè)的光譜數(shù)據(jù)，用戶也可以從內(nèi)置的五種CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體(A、D65、E、FL11、LED-B3；圖4 B)的光譜分布中選擇，以熟悉三個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

圖4 CIE S 026工具箱的表示：在一個(gè)白色屏幕且最高亮度的手機(jī)上，采用視黑素響應(yīng)量有關(guān)的數(shù)字表示“輸入”(藍(lán)色背景區(qū)域)和“輸出”(白色背景區(qū)域)，觀察者距離手機(jī)屏幕150 mm處。(A)基于已知亮度367 cd/m2，假設(shè)發(fā)射光譜符合CIE照明體LED-B3，(B)基于相同亮度的實(shí)際測(cè)量光譜輻射照度[91]Fig.4 Representations of the CIE S 026 Toolbox：“Inputs” (areas with blue background)and “Outputs” (areas with white background)with numbers relating to the melanopic quantities for a mobile phone with a white screen at maximum brightness and an observer at 150 mm from the screen. (A)Based on the known luminance of 367 cd/m2，assuming the emitted spectrum conforms to CIE illuminant LED-B3，and (B)based on the actual measured spectral irradiance [91]with the same luminance

7 示例

CIE已提議將“integrative lighting”作為健康照明的官方術(shù)語(yǔ)，用于綜合反映在科學(xué)研究中對(duì)人類產(chǎn)生生理和心理影響的視覺(jué)和非視覺(jué)效應(yīng)[59，92]。在健康照明的語(yǔ)境下，重新審視人們?cè)谌粘Ｉ钪兴幍墓猸h(huán)境。為了研究并表征與非視覺(jué)響應(yīng)相關(guān)的潛在光照量，我們對(duì)熟悉的光源進(jìn)行了一些測(cè)量，包括采用先前的研究成果。

α響應(yīng)工具箱用于更詳細(xì)地評(píng)估這些光源的絕對(duì)和相對(duì)視黑素響應(yīng)含量。綜上，受制于視黑素模型在預(yù)測(cè)光對(duì)NIF響應(yīng)方面的潛在局限性(見(jiàn)引言)，這些信息為光和健康的相關(guān)建議提供了有用的背景和進(jìn)一步的證據(jù)。

7.1 實(shí)驗(yàn)方法

所有光譜數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)次級(jí)校準(zhǔn)并可追溯至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備組進(jìn)行測(cè)量，在英國(guó)公共衛(wèi)生部?jī)?nèi)部(英國(guó)，牛津郡，迪德科特)進(jìn)行維護(hù)。這些數(shù)據(jù)與相同來(lái)源的可比較的替代測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了核對(duì)。光譜設(shè)備組包括TE冷卻光譜輻射計(jì)(美國(guó)，紐瓦克，必達(dá)泰克公司)，通過(guò)光纖(英國(guó)，迪德科特，紐波特光譜物理有限公司)耦合到光學(xué)擴(kuò)散器(英國(guó)，雷丁，邊沁)。

所分析的日光特征包括一個(gè)晴天(2020年5月29日)和一個(gè)多云(2020月6月18日)天氣，并基于來(lái)自太陽(yáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室(51.575° N，1.318° W，海拔125 m)的全球光譜輻射照度數(shù)據(jù)，使用英國(guó)公共衛(wèi)生部的內(nèi)部采集軟件以5 min的間隔在水平面上測(cè)量。

圖5 B中于2020年5月29日04：25拍攝的魚(yú)眼圖像是平行系列的一部分，也是使用Q24半球戶外相機(jī)(莫博蒂克斯股份公司，總部，德國(guó))在同一地點(diǎn)以5 min的間隔拍攝。

圖5 晴天的日照特征(2020年5月29日，日出04：55，日落21：10，英國(guó)夏令時(shí))，基于英國(guó)牛津郡迪科特太陽(yáng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的水平全球光譜輻射照度數(shù)據(jù)。(A)明視覺(jué)照度(灰色虛線)、暗視覺(jué)照度(橙色線)和視黑素響應(yīng)EDI(藍(lán)色線)，插入的半對(duì)數(shù)圖，從04：10開(kāi)始到日出結(jié)束*。(B)晴天(藍(lán)線，如上圖2020年5月29日)和陰天(灰線，2020年6月18日，日出04：50，日落21：25)的相關(guān)色溫(CCT)，以及插入了一張04：25的2π魚(yú)眼天空?qǐng)D像。(C)視黑素響應(yīng)日光(D65)效能比(視黑素響應(yīng)DER，或M/P比值，藍(lán)線)、S/P比值(橙色線)和太陽(yáng)高度(灰色虛線)，與標(biāo)準(zhǔn)日光照明體D65的視黑素響應(yīng)DER和S/P比值進(jìn)行比較(彩色虛線)。垂直箭頭表示可能由于局部地平線略微升高而造成的偽影。(D)視黑素響應(yīng)DER，或M/P比值，根據(jù)反向CCT軸繪制(用CCT標(biāo)記)，太陽(yáng)高度標(biāo)簽位于選定的成對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的旁邊。還繪制了CIE標(biāo)準(zhǔn)日光照明體(D55、D65和D75；空心菱形)、燭光(1 930 K黑體；實(shí)心菱形)、智能手機(jī)(加號(hào)，詳情見(jiàn)實(shí)驗(yàn)方法)、家用LED(實(shí)心圓，n=25，詳情見(jiàn)實(shí)驗(yàn)方法)，選定的辦公室LED和選定的路燈LED[合并為空心圓，n=16，也取自[93]Fig.5 Daylight characteristics on a clear day (29 May 2020，sunrise 04：55，sunset 21：10，times in BST)，based on horizontal global spectral irradiance data from a solar monitoring laboratory in Didcot，Oxfordshire，UK. (A)Illuminance (dotted gray line)，scotopic illuminance (orange line)，and melanopic EDI (blue line)，with an inset semi-log graph spanning the end of twilight (04：10)and sunrise. (B)The correlated color temperature (CCT)on a clear day (blue line，as above from 29 May 2020)and a cloudy day (gray line，18 June 2020，sunrise 04：50，sunset 21：25)，with an inset 2π-fisheye image of the sky at 04：25. (C)The melanopic daylight (D65)efficacy ratio (melanopic DER，or M/P ratio，blue line)，S/P ratio (orange line)，and solar elevation (dotted gray line)，with the melanopic DER and S/P ratio for standard daylight illuminant D65 for comparison (colored dotted lines). The vertical arrow indicates artifacts likely to be due to the slightly elevated local horizon. (D)Melanopic DER，or M/P ratio，plotted against an inverse-CCT axis (labeled by CCT)，with solar elevation labels next to selected pairs of data points. Also plotted are CIE standard daylight illuminants (D55，D65，and D75；open diamonds)，candle light (1 930 K blackbody；filled diamonds)，a mobile phone (plus symbol，details given in Experimental Methods)，domestic LEDs (filled circles，n = 25，details given in Experimental Methods)，selected office LEDs and selected street light LEDs [combined as open circles，n = 16，also taken from [93]

先前兩項(xiàng)研究[91，93]中，在溫度可控的實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量了LED的光譜輻射照度數(shù)據(jù)：第一項(xiàng)研究，現(xiàn)代智能手機(jī)模型(從2016年開(kāi)始，2021年仍在廣泛使用)，以全功率顯示白色屏幕，在150 mm的距離處測(cè)量[ID 13[91]]。第二項(xiàng)研究中，LED照明樣品，包括任何40 W等效的GU10(聚光燈)和任何60 W等效的BC22(卡口燈泡)普通服務(wù)照明產(chǎn)品類型，在2015年的10天內(nèi)可以在線或通過(guò)當(dāng)?shù)睾腿珖?guó)商店(在艾爾斯伯里、海威科姆和牛津界定的區(qū)域內(nèi))向英國(guó)零售消費(fèi)者提供。后者樣本比較了一些具有不同配置的LED照明產(chǎn)品，但不包括顏色可調(diào)產(chǎn)品[93]。

燭光的發(fā)射光譜被簡(jiǎn)化為來(lái)自色溫為1 930 K的普朗克輻射體[94]。

7.2 結(jié)果：日光

在理想的晴天，水平明視覺(jué)照度、暗視覺(jué)照度和視黑素響應(yīng)EDI遵循平滑的鐘形曲線，且視黑素響應(yīng)EDI值與明視覺(jué)照度值相似(圖5 A)。這種接近的結(jié)果是由于使用標(biāo)準(zhǔn)日光照明體D65對(duì)視黑素響應(yīng)EDI進(jìn)行了歸一化。圖5中的日光特性可能與高海拔、不同大氣條件以及不同視場(chǎng)測(cè)量時(shí)的日光不完全一致。視黑素響應(yīng)EDI在黎明前1 h增加(見(jiàn)圖5 A所示)，但相對(duì)于視覺(jué)測(cè)量的照度來(lái)說(shuō)，它是減少的。因此，在黎明過(guò)渡期間，視黑素響應(yīng)DER(=視黑素響應(yīng)EDI /照度)隨著太陽(yáng)高度的增加而減少(見(jiàn)圖5 C和5 D)。相反，在黃昏期間，視黑素響應(yīng)DER隨著太陽(yáng)高度的減少而增加*。從日光光譜數(shù)據(jù)獲得的其他特征在晴天也表現(xiàn)平穩(wěn)，但圖5 B說(shuō)明了多云天氣帶來(lái)了波動(dòng)性，這里使用視覺(jué)度量相關(guān)色溫(CCT)進(jìn)行示例。相反，在晴天(通過(guò)魚(yú)眼照片驗(yàn)證，如圖5 B插圖所示)，CCT在黎明前后的幾小時(shí)內(nèi)迅速下降。最小的CCT出現(xiàn)在黎明后或日落前1 h，在大約太陽(yáng)正午的時(shí)候，CCT略有增加，達(dá)到局部最大值。大氣條件可能導(dǎo)致太陽(yáng)正午兩側(cè)的光譜特征不對(duì)稱。

先前研究分析了若干天內(nèi)平均的光譜和/或視黑素響應(yīng)的日光時(shí)間序列數(shù)據(jù)[21，95，96]。然而，我們對(duì)晴天的結(jié)果和視黑素響應(yīng)日光(D65)的效能比特別感興趣，如前所述，可以將其視為是一種M/P比值，與S/P比值相似(見(jiàn)圖5 C)，兩者都是圖5 A所示量的比率。與CCT一樣，這些比率高度依賴于太陽(yáng)高度，因此也取決于給定日期的太陽(yáng)時(shí)(solar time)。當(dāng)太陽(yáng)高度高于10°時(shí)，該比率保持穩(wěn)定(即一天中的大部分時(shí)間)。對(duì)于D65，其CCT為6 500 K，根據(jù)定義，其視黑素響應(yīng)DER或M/P比值為1，S/P比值等于2.47。當(dāng)太陽(yáng)高度高于10°時(shí)，觀察到的M/P和S/P比值略低于1(見(jiàn)圖5 C)，這反映了觀察到的CCT與D65之間的差異(見(jiàn)圖5 B)。當(dāng)太陽(yáng)落下或在天空較低的位置時(shí)，高高的地平線會(huì)遮住天空或太陽(yáng)最亮的部分。這樣，樹(shù)木、建筑物和景觀可能會(huì)導(dǎo)致與原本可以觀察到的平滑曲線的偏差。圖5 D顯示了晴天日光視黑素響應(yīng)DER對(duì)CCT的依賴性。在下一節(jié)中，將它與白色LED照明進(jìn)行比較。

7.3 結(jié)果：白色LED照明

圖5 D顯示了顏色不可調(diào)的白光LED照明(2015年零售產(chǎn)品)的視黑素DER對(duì)CCT的依賴性，所有這些都基于藍(lán)色LED加黃色熒光粉，GU10和BC22家用LED作為一個(gè)單獨(dú)的系列顯示。對(duì)于家用LED(n=25)，CCT解釋了87%的視黑素響應(yīng)DER差異，而CCT加上CRI(顯色指數(shù)，Ra)解釋了95%(多元線性回歸)。圖表顯示，常見(jiàn)LED技術(shù)的白光LED照明樣本與晴天日光，兩者的視黑素響應(yīng)DER對(duì)CCT依賴不一致。此外，圖5 D中所有LED照明的視黑素響應(yīng)DER明顯低于晴天日光，對(duì)于6 500 K的CCT來(lái)說(shuō)，通常低25%左右。在其他CCT值中，相對(duì)于日光的視黑素響應(yīng)DER更加不足，即使在調(diào)整了日光和LED視黑素響應(yīng)DER系列中的CCT依賴性后，仍很顯著。換言之，這支持了一種觀點(diǎn)，即對(duì)于給定的CCT和光通量組合，該樣本中的所有LED燈在產(chǎn)生視黑素響應(yīng)光時(shí)效率相對(duì)較低。先前也有報(bào)告稱，白光LED照明相對(duì)于天然光的視黑素響應(yīng)效率較低[97，98]。除了降低照度外，較低的視黑素響應(yīng)DER可能適合在夜晚和設(shè)計(jì)為休息的空間內(nèi)使用，而在活躍的工作場(chǎng)所，較高的視黑素響應(yīng)DER和較高的照度可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更健康的日間環(huán)境。

7.4 結(jié)果：智能手機(jī)屏幕—工具箱示例

為進(jìn)一步說(shuō)明α響應(yīng)計(jì)量和S 026工具箱，我們將考慮一個(gè)典型的現(xiàn)代智能手機(jī)產(chǎn)生的視黑素響應(yīng)EDI(以lx表示)(圖5 D中以綠色十字表示)。人們對(duì)睡前使用顯示屏設(shè)備，包括在床上使用智能手機(jī)和平板電腦，對(duì)睡眠的影響存在一些擔(dān)憂。因?yàn)檫@些設(shè)備發(fā)出的光可能會(huì)對(duì)睡眠質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[45，99，100]。因此，在此提出的數(shù)據(jù)將提供一個(gè)相關(guān)且有用的示例，將α響應(yīng)量顯示在圖中。事實(shí)上，一些小組已經(jīng)直接研究了不同光照量對(duì)睡眠的影響[25，26，100]。

工具箱中有兩種執(zhí)行計(jì)算的方法。第一種是使用五種內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)照明體(A、D65、E、FL11、LED-B3)光譜的簡(jiǎn)化方法。第二種方法要求用戶輸入所考慮的測(cè)試光的實(shí)際光譜數(shù)據(jù)。選擇這兩種方法是為了說(shuō)明為什么使用簡(jiǎn)化方法(即從標(biāo)準(zhǔn)化的光譜分布中歸納結(jié)果)并不總是合適的，并且可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

7.4.1 簡(jiǎn)化方法

選取一個(gè)LED全功率背光的白色手機(jī)屏幕，亮度為367 cd/m2[91]。如果光譜數(shù)據(jù)未知，假設(shè)該手機(jī)發(fā)出的光符合工具箱中內(nèi)置的CIE照明體LED-B3，則可以使用工具箱。在此基礎(chǔ)上，可使用工具箱計(jì)算視黑素響應(yīng)輻射亮度、視黑素響應(yīng)日光(D65)等效亮度(視黑素響應(yīng)EDL)和視黑素響應(yīng)光子輻射照度(見(jiàn)圖4 A)。當(dāng)觀看距離為150 mm，屏幕與人眼形成約五分之一立體角時(shí)，可以通過(guò)以下方式獲得視黑素響應(yīng)輻射照度、視黑素響應(yīng)EDI和視黑素響應(yīng)光子輻射照度：

視黑素響應(yīng)輻射照度 = 視黑素響應(yīng)輻射亮度×立體角≈308 mW/sr/m2×0.2 sr = 61.6 mW/m2

視黑素響應(yīng)EDI=視黑素響應(yīng)EDL×立體角≈232 cd/m2×0.2 sr = 46.4 lx

log10視黑素響應(yīng)光子輻射照度/(cm-2·s-1)≈13.88+log10(0.2)≈ 13.18

然而，我們可能無(wú)法依賴上述估算。假設(shè)智能手機(jī)的光譜符合LED-B3，這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)的光譜可能具有更高的藍(lán)光含量，并且與LED-B3不同，它是由三個(gè)或更多的單色LED產(chǎn)生的，而不是使用藍(lán)色LED與黃色熒光粉的組合。為了用準(zhǔn)確的數(shù)字代替上述估算，需要使用實(shí)際的光譜數(shù)據(jù)。

7.4.2 光譜數(shù)據(jù)方法

當(dāng)使用工具箱為選定的LED屏幕[ID 13[91]]收集光譜輻射照度數(shù)據(jù)時(shí)，工具箱輸出表(見(jiàn)圖4 B)給出了以下結(jié)果：

視黑素響應(yīng)輻射照度≈85 mW/m2

視黑素響應(yīng)EDI≈64.3 lx

log10視黑素響應(yīng)光子輻射照度/(cm-2·s-1)≈13.32

該光譜分析表明，假設(shè)手機(jī)發(fā)出的光符合LED-B3的簡(jiǎn)化方法導(dǎo)致對(duì)視黑素響應(yīng)輻射照度和EDI被低估了近30%。

對(duì)于兒童和年輕人來(lái)說(shuō)，距離手機(jī)屏幕(全功率白色屏幕)150 mm觀看，可能是最壞情況，但屏幕不太可能僅在最亮的設(shè)置下使用。屏幕上顯示的明暗混合的圖像會(huì)降低空間上平均的屏幕亮度，以及在用戶眼睛處測(cè)量的時(shí)間上平均的視黑素響應(yīng)EDI。使用合適的應(yīng)用程序也可以在晚上降低亮度和藍(lán)光發(fā)射的功率。最后，將手機(jī)保持在較遠(yuǎn)距離，通過(guò)減少屏幕所占據(jù)的“視覺(jué)”區(qū)域來(lái)減少入射到眼睛處的平均視黑素響應(yīng)EDI。

“在合適的時(shí)間推薦合適的光照”的初步指南中，以及在沒(méi)有正式共識(shí)的情況下，CIE的立場(chǎng)聲明[59]最近建議使用視黑素響應(yīng)EDI作為調(diào)節(jié)非視覺(jué)響應(yīng)的臨時(shí)方法。關(guān)于這種方法的進(jìn)一步指導(dǎo)，現(xiàn)在可以通過(guò)第二屆晝夜節(jié)律和神經(jīng)生理光度學(xué)國(guó)際研討會(huì)(2019年8月在曼徹斯特舉行)的同行評(píng)審出版物的形式獲得。本譯文在末尾新增的“關(guān)于健康照明建議的附加評(píng)論”章節(jié)中進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論*?？赡苄枰M(jìn)一步的研究來(lái)調(diào)研在此類建議中使用視黑素響應(yīng)EDI的潛在局限性，并更詳細(xì)地探討α響應(yīng)量與非視覺(jué)響應(yīng)之間的相關(guān)性。隨著這一領(lǐng)域的發(fā)展，并認(rèn)識(shí)到引言中提出的考慮因素，視黑素響應(yīng)作用譜可被視為預(yù)測(cè)褪黑素抑制反應(yīng)的良好模型：低于4 lx的視黑素響應(yīng)EDI導(dǎo)致最小響應(yīng)(<25%的最大褪黑素抑制)，高于300 lx的視黑素響應(yīng)EDI強(qiáng)烈抑制唾液褪黑素(>75%的最大值)，這取決于光照持續(xù)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)環(huán)境[21]。此外，劑量—反應(yīng)關(guān)系受個(gè)體間巨大差異的影響，例如，據(jù)報(bào)道，基于95%的置信區(qū)間[25]，人類對(duì)褪黑素抑制的光敏感性(即產(chǎn)生50%最大褪黑素抑制所需的視黑素性EDI)的個(gè)體差異超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。連同表2中的視黑素響應(yīng)EDI值，這些發(fā)現(xiàn)提供了不確定的證據(jù)，即夜間智能手機(jī)發(fā)出的光引起的褪黑素抑制是否達(dá)到了引起實(shí)際關(guān)注的程度。然而，夜晚長(zhǎng)時(shí)間使用室內(nèi)人工光可能導(dǎo)致與褪黑素抑制相關(guān)的光照量的可能性仍然存在。

表2 現(xiàn)代智能手機(jī)的顏色、RGB、照度、暗視覺(jué)照度和視黑素響應(yīng)EDI，屏幕在其最大亮度下設(shè)置為統(tǒng)一的顏色，并在150 mm的距離處查看(手機(jī)ID 13來(lái)自[91])

此外，盡管上述研究表明智能手機(jī)屏幕對(duì)睡眠具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著影響，一項(xiàng)更具代表性的研究[99]表明，與印刷書(shū)籍相比，4 h的電子閱讀(連續(xù)五個(gè)晚上重復(fù)，早上6：00起床時(shí)間)僅導(dǎo)致夜間總睡眠時(shí)間平均減少5 min，快速眼動(dòng)(Rapid Eye Movement，REM)睡眠時(shí)間平均減少12 min。因此，從實(shí)際意義上來(lái)說(shuō)，光的這些影響可能不太顯著。在現(xiàn)代(室內(nèi))生活方式中，白天光照不足可能更值得關(guān)注，并且如前所述(見(jiàn)引言部分和圖1D)，白天光照會(huì)增加晝夜節(jié)律的穩(wěn)健性，并減少夜晚光照造成的干擾。

8 結(jié)語(yǔ)

光環(huán)境的日常變化對(duì)人們的睡眠、福祉和長(zhǎng)期健康非常重要。我們對(duì)于視網(wǎng)膜光感受器在驅(qū)動(dòng)非視覺(jué)效應(yīng)方面的貢獻(xiàn)和相互作用的了解正在逐漸成熟。盡管科學(xué)研究仍不完善，但以視黑素響應(yīng)EDI表示的環(huán)境測(cè)量現(xiàn)在被認(rèn)為具有生態(tài)有效性。因此，對(duì)未來(lái)建筑和照明標(biāo)準(zhǔn)的新建議預(yù)計(jì)將包括白天視黑素響應(yīng)EDI的最低閾值和夜間視黑素響應(yīng)EDI的最高閾值。這些建議應(yīng)與現(xiàn)有照明規(guī)范中的視覺(jué)部分謹(jǐn)慎整合。限制夜間視黑素響應(yīng)EDI的一種方法是推薦較暗的照明，同時(shí)降低視黑素響應(yīng)DER(即降低M/P比值)會(huì)使這種方法更有效。另一個(gè)建議是，在人們夜晚睡覺(jué)的地方，要盡量營(yíng)造無(wú)光的黑暗環(huán)境。CIE S 026工具箱的推出，一部分是為了支持這一預(yù)期的照明實(shí)踐轉(zhuǎn)變，另一部分是使研究人員能夠?yàn)槲磥?lái)的照明標(biāo)準(zhǔn)、指南和健康建議收集更多的科學(xué)證據(jù)。

圖5 D顯示，晴天日光的視黑素響應(yīng)DER明顯大于最近抽樣的白光LED照明樣本(一系列CCT)中的視黑素響應(yīng)DER。這支持了一種觀點(diǎn)，即在給定的CCT和光通量的組合中，抽樣的LED在產(chǎn)生視黑素光方面的效率相對(duì)較低，這與已有文獻(xiàn)的觀點(diǎn)一致[97，98]。新的照明產(chǎn)品，包括那些具有可調(diào)M/P比值的產(chǎn)品，可能有助于解決這一問(wèn)題。與日光類似，較高的M/P比值被認(rèn)為可能是白天室內(nèi)環(huán)境的一個(gè)有益特征。在建筑環(huán)境中采用更多日光是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的好方法。

如果目的是盡量減少視黑素響應(yīng)光照量，那么夜間用于導(dǎo)航和安全感知的照明應(yīng)采用較低的M/P比值。增加日間光照可以減少夜間光照的不利影響[39-46]，日間光照可能與睡前避免強(qiáng)光同樣重要。白天，室內(nèi)人工光可以再現(xiàn)室外環(huán)境的視黑素響應(yīng)光照量(和其他方面)，盡管這需要大大增加室內(nèi)照度。然而，日光是一種極好的、自然的、節(jié)能的且富含視黑素的光線來(lái)源，公共衛(wèi)生政策應(yīng)鼓勵(lì)在白天尋求(自然)光線的生活方式，尤其在早晨醒來(lái)的前幾個(gè)小時(shí)，以及從出生后的最初幾天開(kāi)始。

9 關(guān)于健康照明建議的附加評(píng)論

最近，一個(gè)關(guān)于晝夜節(jié)律和神經(jīng)生理光度學(xué)的國(guó)際研討會(huì)發(fā)表了一組關(guān)于白天、晚上和夜間光照的建議，以促進(jìn)健康的日間活動(dòng)的成年人最佳身心健康和績(jī)效[101]。該研討會(huì)的結(jié)論是，在大多數(shù)實(shí)際情況下，晝夜節(jié)律和神經(jīng)內(nèi)分泌的光譜敏感性，以及其他對(duì)眼部光照相關(guān)的非視覺(jué)響應(yīng)，可以通過(guò)ipRGCs基于視黑素蛋白的光譜敏感性來(lái)描述。因此，關(guān)于如何在室內(nèi)環(huán)境中更好地支持人類生理、睡眠和覺(jué)醒，研討會(huì)建議采用在用戶眼睛位置測(cè)量(檢測(cè)器方向與主要的視線方向一致)的視黑素響應(yīng)EDI來(lái)表示：

(1)在白天，建議眼睛位置處視黑素響應(yīng)EDI的最小值為250 lx。

(2)在晚上，至少在睡前3 h開(kāi)始，建議眼睛位置處視黑素響應(yīng)EDI的最大值為10 lx。

(3)睡眠環(huán)境應(yīng)盡量黑暗。建議眼睛位置處視黑素響應(yīng)EDI的最大值為1 lx，如果夜間某些活動(dòng)需要視力，則最大值為10 lx。

這些建議適用于有日?；顒?dòng)安排的健康成年人(18～55歲)，并提供了成功實(shí)現(xiàn)健康照明解決方案所急需的額外考慮和指導(dǎo)。這些建議并不是取代與視覺(jué)功能、舒適和能源消耗等相關(guān)的現(xiàn)有準(zhǔn)則和法規(guī)。

附加說(shuō)明：作者(LS和LP)希望指出，圖5 A和圖5 D中的一些小錯(cuò)誤已在譯文中得到更正。圖5 A插圖已加入了正確的明視覺(jué)照度，圖5 D中，-0.2度的太陽(yáng)高度標(biāo)簽已更改為0.2度。此外，在該譯文中，一些文字已被修改以減少潛在的歧義，用*表示。

數(shù)據(jù)可用性申明：支持本文結(jié)論的原始數(shù)據(jù)受英國(guó)皇家版權(quán)保護(hù)，通常由作者提供，無(wú)不當(dāng)保留。

作者貢獻(xiàn)：所列作者均直接對(duì)這部出版物做出了實(shí)質(zhì)性的原創(chuàng)貢獻(xiàn)，并同意出版。兩位作者都以無(wú)償志愿角色為這一主題的灰色文獻(xiàn)做出了重大貢獻(xiàn)，包括[12]、[59]、[89]、[90]。

致謝：感謝瑪麗娜·卡佐娃(Marina Khazova)對(duì)測(cè)量工作的慷慨幫助。