使用光剂量评价照明的非视觉生物效应

居家奇 陈枕流 梁荣庆 陈大华

(复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

1 照明非视觉生物效应的评价

目前，CIE明视觉函数V(λ)在工业生产、照明设计、图像处理中得到了广泛推广和应用，即所有的光度学测量都是基于明视觉函数V(λ)进行计算的，同时几乎所有光度学测量仪器也都是依据此来进行修正的。明视觉函数代表的是在较高亮度水平下 (＞3cd/m2)人眼在视网膜中央凹2度目标张角内的视觉特性。

本征感光视网膜神经节细胞 (ipRGC)的发现将照明领域的研究从视觉范畴内的研究拓展至非视觉领域。对于照明光生物效应的定量评价与检测，目前所有的光学测试仪器都无法实现，原因在于光生物效应的光谱响应曲线与传统的明视觉函数V(λ)存在较大差异。国内外实验研究均表明短波蓝光部分 (460nm～490nm)的光生物效应会比较明显，虽然这一问题的确切结果至今仍然悬而未决，但光源及照明环境的光谱能量分布在实践应用中将变得更为重要，因为它同时影响了照明的视觉效果和非视觉效果。为此国际照明委员会 (CIE)第六分部 (光生物与光化学)成立了多个技术委员会研究讨论这一课题，(TC6-11)专门研究光辐射对人体系统综合效果，(TC6-63)专门研究光生物效应对生理节律的影响，用以帮助晚班工作者及长途飞行者减少节律变化影响，(TC6-62)专门讨论与生理节律及相关神经生物效应的定量评价方法。这一问题的研究对于长时间生活在光照周期不规律的航天员，潜艇战士的健康尤为重要，良好的人工照明系统可以将人体节律所受的影响降低。

对于照明光生物效应光谱响应的评价方法，目前主要有三大类，一类是以褪黑激素的抑制作用为依据的响应曲线，这类方法的缺陷在于需要长时间照明和高强度的光照才有效果，对于实际照明场景的评价，缺乏即时性，同时在低照度情况下，该方法失效［2］;另一类是基于瞳孔大小改变的光谱响应曲线，这类方法的缺陷是目前尚不能证明瞳孔大小的改变是单独由于 ipGRC作用发生改变，还是ipRGC与视锥细胞和视杆细胞共同作用的结果，即无法有效完全分离照明的视觉通道和非视觉通道［3］;第三类采用人体生理参数的变化来评价光生物效应的综合效果，这类方法快速、直观，缺陷在于实验控制较难，容易受到环境因素影响。图1是复旦大学基于人体心率变化的照明非视觉生物效应光谱响应曲线。三种方法各有利弊，但相互印证，尽管实验考察的应变量不同，但照明非视觉生物效应的光谱响应峰值的确从视觉响应的峰值555nm向短波方向偏移。

图1 基于心率变化的光生物效应光谱响应曲线

2 传统光度学测试的不足

在光度学测试中，我们通常用光通量Ф(单位:lm)来表征光量的多少，光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，光通量是说明光源发光能力的基本量，见式 (1)。

其中，Ф为光通量;P(λ)为绝对光谱能量分布;V(λ)明视觉光谱光视效率函数;Km为光谱光视效率函数最大值，在明视觉条件下，V(λ)的最大值Km为683 lm/W(当λ=555nm时)。由于人眼对各种不同波长的光的相对敏感度是不一样的，照明光源所辐射的能量转换为光度量应根据V(λ)进行分配“权重”。CIE所制定的光谱光视效率函数是把电磁能量和光度量联系在一起的必要桥梁，它实现了同时考虑辐射能量和考虑人眼作用后对照明特性的度量。

光通量一般是用来描述发光体性能指标的参数，由光通量引出与其相对应的光度学参数光强I(单位:cd)和亮度L(cd/m2)与光通量一样，其实都是用于描述发光体，如光源、灯具或二次发光体(例如道路照明中的路面)发光性能的光度学参数，在照明光环境的评价中常常被误用或混用。真正用于实际评价接受到多少光照的参数是照度E，单位:勒克斯 (lx)，表示单位面积接受到的光通量。从量纲上来考察，光通量单位流明 (lm)相当于功率(W)，而照度单位勒克斯 (lx)相当于功率密度(W/m2)，这些光参数均没有与时间相关的参量，都是描述单位时间的物理量。由于照明的非视觉生物效应不仅与光照强度、光谱能量分布有关，同时还与光照的持续时间有关，所以传统照明光度学测试内容往往不能直接表达所要测试的具体光信息。

3 照明非视觉生物效应的光度学测试

由于照明非视觉生物效应与光照持续时间紧密相关，应使用人眼实际在某一时间段内接收到的光通量大小来进行评价，即应该采用光剂量或光剂量密度来描述，其单位量纲应该与能量单位焦耳 (J)相对应，可以用流明·秒，或勒克斯·秒来表示。人体接收了多少剂量的光，进而引起相应程度的非视觉生物效应，这不仅从逻辑关系上更容易被理解，也与实际实验结果输入输出相匹配。如果我们用D来表示光剂量，其具体表达式可以写成光通量在时间轴上的积分，见式 (2)。

对于照明非视觉生物效应作相应的光度学评价测试时，由于对应的光谱响应峰值波长已经远远偏离555nm，故而Km的数值以及能量分配“权重”函数也应发生相应响应的变化，参考式 (2)光剂量的定义形式，由此可以得到用以照明非视觉生物效应评价的有效光剂量DB如式 (3)所示。

考虑到与传统光度学用以评价接受光照的参数照度对应，可以使用实际照明光环境中，人眼位置处的有效光剂量密度来表示。

为了实现照明非视觉生物效应的有效光度学测试，可以通过两种方式来实现，一是通过定时测试人眼位置处的照度和光谱值后转换累积求得，具体实现方式如下，引入B/P值用以评价不同照明环境光谱对非视觉生物效应的影响，其表达如式 (4)所示，

其中，P'(λ)为相对光谱能量分布，为光谱仪实测数据，其他参数均为已知量。实时测得照度值E，并计算该时刻的B/P值，E乘以B/P值再乘以测试时间间隔，即可得到相应测试时间间隔内的有效光剂量密度，累加各测试时间间隔内的有效光剂量密度值，即可计算得到在特定的照明环境下，一定的时间段内，人眼实际接收到的有效光剂量。

另一种方法可以通过硬件方式直接测量，通过对现有标准化照度计进行改装设计，将原先的照度V(λ)修正滤光片，改为B(λ)修正滤光片，图2为复旦大学根据基于心率变化的光生物效应B(λ)函数的实际滤光片拟合曲线，拟合优度为0.96。

图2 B(λ)光谱响应函数的滤光片拟合曲线

之后，在光电转换模块中增加积分电路或计时电路，将时间维度上的光度学信息通过累积直接记录显示。该方法较前者测试方法更为便捷、直观，目前复旦大学正在积极研发样机。

4 小结

照明非视觉生物效应从21世纪初发现至今，研究人员从各自研究角度出发研究了多种不同的非视觉生物效应，虽然具体的光谱响应曲线尚未形成共识，但根据已有的研究结果用以评价实际光环境的非视觉生物效应却是必要的。基于照明非视觉生物效应的特点，建议采用光剂量作为评价、检测实际光环境非视觉生物效应的测试参数，可以有效弥补传统光度学测试项目中时间维度的信息缺失，为综合评价照明光环境的舒适和健康提供评判依据。

［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.不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨 ［J］.照明工程学报，19(2)，2008.

［5］居家奇，陈大华，林燕丹.照明的非视觉生物效应及其实践意义［J］.照明工程学报，20(1)，2009.