健康照明的评价方法及其标准化的新进展

王晓静，段延龙，牟同升

(1.浙江智慧健康照明研究中心，浙江杭州 310000；2.浙江三色光电技术有限公司，浙江湖州 313216)

健康照明的评价方法及其标准化的新进展

王晓静1，段延龙2，牟同升2

(1.浙江智慧健康照明研究中心，浙江杭州 310000；2.浙江三色光电技术有限公司，浙江湖州 313216)

光对生物组织的影响、光的视觉及非视觉效应的研究以及以LED为光源的半导体照明技术的快速发展，使得以人为本的健康照明受到全球的青睐。本文从光生物辐射安全、光视觉健康和非视觉健康三方面提出了健康照明的评价方法，回顾了近年来国际健康照明领域的研究进展，同时介绍了CIE、IEC、ISO等国际组织在健康照明标准化方面的最新进展。

健康照明；非视觉效；以人为本的照明；标准

引言

人工照明技术的不断革新和广泛应用，使得各类照明技术对于人体健康的影响越来越受到关注，以人为本的健康照明也逐渐被学术和产业界重视。过强的光辐射对人体组织会产生光生物损伤，人眼视觉系统受到不舒适光辐射的作用会导致人眼肌肉紧张、眨眼、疲劳甚至眼轴的变化；且光照是人体生理节律驱动重要的环境因素，光照与生理节律不匹配时会影响人体的生理状态，尤其在夜间不适当的光照将对人体内分泌、褪黑色素的抑制产生影响。随着各类研究的深入，光生物辐射安全、光的视觉效应、光对人体生理节律的非视觉影响已成为衡量照明是否健康的标尺。

1 光生物辐射安全及标准化

气体放电灯等人工光源，除了发射可见光外，还可能会产生较强的紫外光以及其它波段的光，而不同段波的光对人皮肤、眼睛角膜、晶状体的作用会导致人体组织的损伤(如图1所示)。目前以GaN为基体的LED照明光源及高强度的金属卤化物灯在放电时，会产生强烈的高亮度蓝光辐射。当这种高亮度蓝光辐射作用于人眼视网膜上时，将造成视网膜的光化学损伤。当光化学作用达到一定的限值后，人眼视网膜的自我修复能力就不足以修复这些损伤，损伤会进行积累从而产生不可逆的视力衰退。红外的高强度光源作用于人眼晶状体，会被大量吸收，晶状体会产生变异导致白内障。世界卫生组织在这方面也非常关注，目前国际非电离辐射防护委员会，根据国际上大量的科学研究成果，建立了起始于200 nm的不同波长范围内的允许的辐射限值的评价体系。

图1 不同波段的光在人眼组织中的透过情况Fig.1 The transmission of light with different wavelength in human eye tissues

日本相关研究结果表明，相较于其他颜色的LED灯，蓝光LED灯会严重损害视网膜光敏细胞，抗氧化剂有可能被用于改善由LED蓝光引起的视网膜光敏细胞损伤。三星公司在2017年11月初IEC TC76年会上提出手机蓝光长期对于人体光照的作用，报告了显示器对人体长期光照的慢性作用的研究。欧洲专家在2013年对于在阳光照射条件下，对A2E负载RPE细胞的蓝色光有害光谱进行研究，研究了改善提供蓝光保护的眼科设备问题[1]。包括长期在高强度蓝光辐射下，其累积的影响而产生的慢性作用也引起了人们的关注。也有一些研究表明，对于糖尿病人、视网膜病变等人群，非电离辐射防护委员会目前制定的限值可能不适用，其真正的限值会更低。国际上也有大量的研究表明，对于儿童的晶状体，其短波部分透过率更高，成年人视网膜对紫外短波辐射不会受到影响。但是对于由老化引起的晶状体透过率的变化，大部分紫外辐射和近紫外辐射会被晶状体吸收。

图2 不同年龄人群晶状体光谱透过率曲线[2]Fig.2 The spectral transmittance curve of the lens in different age groups

光生物辐射安全主要是指针对光源和灯具的紫外光化学危害、视网膜蓝光危害、视网膜和皮肤热危害等各类危害。在上世纪国际上已有大量的光生物学专家对照明的光辐射安全评估开展研究，其中以国际非电离辐射防护委员会尤为突出。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)是成立于德国的一个非营利组织，它被世界卫生组织(WHO)和国际劳工组织(ILO)正式确认为一个官方合作的非政府组织(NGO)。它根据对生物物理数据的评估、辐射的生物效应和作用机制的研究推荐了辐射的曝辐限值。针对曝辐限值，ICNIRP于2013发布了《ICNIRP GUIDELINES ON LIMITS OF EXPOSURE TO INCOHERENT VISIBLE AND INFRARED RADIATION》(ICNIRP关于非相干光可见和红外辐射的曝辐限值)，对于眼睛、皮肤的蓝光、热辐射危害等不同的光辐射危害损伤机理以及曝辐限值作出相关声明。ICNIRP相关导则在国际上具备极强的权威性，各国际标准化组织制定的光生物辐射安全相关标准，均引用其提供的曝辐限值。

目前欧盟已将光生物辐射安全纳入CE认证，北美也设立了相应的准入要求。而LED灯具的蓝光危害在IEC 60598中的引入，更是使光生物辐射安全的评价成为光源与灯具除性能评价外重要的衡量依据。全球电工产品符合性认证委会IECEE 也已成立了WG6光生物安全工作组，开展统一的认证。光生物辐射安全的测量和评估涉及光谱辐射亮度、光谱辐射照度、表观光源等各种测试，还需要按照相关标准进行评估分析。

国际照明委员会(CIE)第六分部“光生物和光化学”是专门对光生物辐射安全进行研究的组织，目前有多个TC进行该领域的研究。例如，TC 6-64:红外眼跟踪器的光学安全性，TC 6-52:紫外空气消毒光源的测量等。第六分部于2002年发布了CIE S009 技术文件《Photobiological safety of lamps and lamp systems》，国际电工委员会(IEC)于2006年等同采用该文件发布了IEC 62471标准。我国也于同年发布了GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》标准。

国际电工委员会IEC TC76负责制定国际激光与光生物辐射安全标准。针对非相干光光源，该委员会特别设有第9工作组WG9，针对LED等非相干光源产品负责制定IEC 62471系列标准。截至2017年11月底，该工作组已经制定发布了如下标准：IEC 62471《光辐射安全的基本要求和安全等级分类方法》；IEC 62471-2《非激光光辐射安全相关的制造要求指南》；IEC 62471-3《强脉冲光源设备的用户安全使用指南》；IEC 62471-5《投影仪的安全要求》。

目前，CIE与IEC的联合工作组正在修订IEC 62471标准，预计将在2018年同步发布最新的CIE S009及IEC 62471-1标准《灯和灯系统的光生物安全》。另外如下标准正在制定中：①IEC 62471-4《灯和灯系统的光生物安全测量方法》，该标准由我国杭州浙大三色仪器有限公司负责主导制定，对于光生物安全的测量方法进行规定。该标准的制定具有一定难度，尤其是对于光生物蓝光危害对视网膜的测量，需要专门模拟人眼的视场角、人眼的瞳孔以及人眼的聚光特性，对蓝光的辐射危害进行评价。这方面我国已走在世界的前列，并提出了较好的测量方法；②IEC 62471-6《灯和灯系统的光生物安全——紫外光源安全要求》；③针对LED光源和灯具的蓝光危害，IEC TC34 技术委员会基于IEC TC76的IEC 62471标准组织修订了技术报告IEC/TR 62778 “IEC 62471在蓝光危害评估光源和灯具中的应用”[3]，专门针对 LED光源类产品和LED灯具产品的蓝光危害的评价，在IEC 62471标准的基础上给出了相对简化和更实用的评价方法。该技术报告发布后经过一次修订，陆续被各类IEC国际标准所引用，如IEC 60598-1第八版修订标准中，特别引用IEC/TR62778对灯具的视网膜蓝光危害进行评估。

同时在欧洲和北美也制定了相应的光生物安全标准，如EN 62471《灯和灯系统的光生物安全》，IESNA RP27系列标准《Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamps》(IESNA RP27-1，IESNA RP27-2，IESNA RP27-3)等[4]，对光生物辐射安全的等级分类、测量评估、标识标记等都作了相应的规范和要求。

2 光视觉健康及标准化

光视觉健康照明是照明领域最基本的要求，涉及照明的品质。人眼长期视觉疲劳，高亮度的辐射，尽管不会影响视网膜功能，但长期高亮度的光会造成人眼视网膜的损伤，也会导致眼睛视觉作业的不舒适。CIE、IEC等各类国际组织以及我国的标准化技术委员会已制定了一系列标准，尤其在建筑照明设计中更是给出了详细的要求，包括照度、亮度、色温、显色指数、均匀性、眩光、闪烁与频闪效应等。

光对人体健康有不同的影响，如闪烁现象，人们长期在某一闪烁光环境中生活、学习、工作，长期积累将对人体产生一定的生物效应。照明光源闪烁导致的生物效应与光源的发光频率、光照强度、持续时间等相关因素有关。而目前国际上的研究表明，闪烁与频闪效应将会给人带来不同程度的影响，包括最常见的光敏性癫痫、眼睛疲劳视力下降、头痛、加重自闭症、注意力不集中等。人体处在闪烁的照明环境中，较容易产生不良反应的条件有：接触时间长、视网膜接受刺激面积大、视场定位靠中心、闪光亮度高、与环境亮度对比度高、闪光颜色呈深红色等。

随着LED光源的应用，尤其是调光调色的智能灯具的广泛应用，闪烁和频闪效应问题凸显。传统的评价方法，如IESNA闪烁指数、波动深度等不能满足评价要求。IEEE 于2013 年4 月发布的IEEEPAR 1789：2013《Draft Risk Assessment-Potential health effects of flicker from LED lighting》[5]给出了不可察觉、低风险等考核等级(见图3)。

图3 IEEE PAR1789闪烁限值分类图[5]Fig.3 Flicker limit classification diagram of IEEE PAR1789

在CIE TN006—2016技术文件[6]中，国际照明委员会针对这部分评测提出了瞬时光效应TLA(Temporal Light Artifact)的概念，包含了闪烁、频闪、鬼影等比较完善的定义，同时针对频闪效应提出了频闪可见度量值CIE SVM。而闪烁则基于IEC TR 61547 采用短期闪烁测量(Pst)方法进行评价。在 2017年新发布的LED产品能源之星认证规范中，要求对LED产品瞬时光效应，除闪烁百分比等常规指标外，采用Pst、SVM、Mp (美国ASSIST用于评价闪烁和频闪的新指标)等指标进行评价。目前国际照明委员会第二分部新近成立了TC2-89技术委员会“Measurement of Temporal Light Modulation”专门针对瞬时调制光的测量进行研究，该TC将于2018年发布最新的瞬时光测量方法。

眩光主要包括失能眩光与不舒适眩光。失能眩光将降低视觉功能，不舒适眩光将降低视觉舒适度。国际照明委员会CIE早在1976年就针对道路照明中的失能眩光问题发布了CIE 31—1976《Glare and Uniformity in Road Lighting Installations》技术报告，并通过光幕亮度的角度给出了阈值增量TI的评价指标，以表示达到同样视觉所需要的亮度增量，并在2000年就道路照明中涉及的具体测量和计算发布了CIE 140—2000《Road Lighting Calculations技术报告》。针对不舒适眩光，CIE于1995年发布CIE 117—1995《Discomfortable glare in interior lighting》以统一眩光指数UGR用于室内照明的不舒适眩光评价，考虑视野里的平均亮度以及目标光源在视野里的方位，并在2010年新发布CIE 190:2010《Calculation and Presentation of Unified Glare Rating Tables for Indoor Lighting Luminaries》，提出统一眩光指数UGR的简化快速计算方法。而针对户外体育场馆的眩光评价CIE 112—1994《Glare Evaluation System for Use within Outdoor Sports and Area Lighting》给出了眩光指数GR用以评价眩光，并对室外体场馆的最大眩光指数作出了相应要求。

此外，近几年CIE陆续发布了相关技术报告，针对视觉健康照明技术提出相关的评价指标及发展路线图。如CIE 205:2013《照明光质量评价指标》综合描述了室内LED照明品质的四个主要评价指标：光分布、眩光、显色性和颜色偏爱、频闪，建议考虑的指标：面部识别、阴影、颜色一致性。

全国照明电器标准化技术委员会、国家半导体照明工程研发及产业联盟、中国照明学会也根据我国目前照明的现状结合国际标准的发布情况，陆续发布了与国际相关标准同步的国家标准、行业标准及团体标准等。

3 光的非视觉健康及标准化

最近20年，在有关非视觉的国际研究领域获得了突飞猛进的发展。美国布朗大学David Berson教授团队在2002年发现了人类第三种感光细胞，从光信息的神经传导角度确认了人眼神经节上的光敏感细胞，以及神经传导到人脑的机理(如图4所示)。全球各研究机构都大力开展了光的非视觉效应研究。光对人的生理、情绪和行为的影响研究也已通过各类实验得以证实。其中光通过人体的非视觉系统影响生理节律系统，影响人体内褪黑激素、促进甲状腺激素和皮质醇等分泌，从而影响生命机能。

图4 非视觉传导系统Fig.4 Non-visual conduction system

对于光的非视觉传导，目前大量的研究表明主要是由于蓝光、短波光对非视觉信号的驱动。2001年，美国的George C. Brainard教授在深夜对一批人群用单色光的方法进行测定，获得了不同波长的光对达到同一褪黑色素抑制的敏感度函数。英国的Thapan博士团队同时也做了类似的独立研究，尽管在某些波长上有些差别，但双方获得了基本一致的结论。

越来越多的研究学者在非视觉生物效应方面投入精力，如：美国照明研究中心LRC的Mark Rea教授团队于2005年针对单色和多色光谱的光对人生理节律的光谱敏感度进行了研究，研究表明不仅仅单色的光会产生非视觉效应。Mark Rea团队随后提出的CS值评价光生物效应获得较广泛认可。同是美国照明研究中心的Figueiro教授对各种健康照明的问题进行了研究和测量，如针对倒班的工人在一定光照下其褪黑激素的分泌水平，在日夜不同条件下由于光照导致的人体生理节律影响等等。来自Philips的Van Bommel 采用光源光谱基于白炽灯光谱的相对值来定量评价光源的光生物效应；Yasukouchi等也对照明光源色温对光生物效应的影响作做了研究，并证明有明显作用。Cajochen等研究发现短波的光照相较于长波光照将引起更明显的心率、体温的改变。

国际上各类学术机构与标准化组织均对这些方面开展了广泛而深入的研究，国际照明委员会(CIE)第六分部“光生物和光化学”在2009年组织编写了CIE 158—2009《Ocular lighting effects on human physiology and behavior》 (照明对于人体生理和行为的影响)[7],针对照明对于人类生理、情绪和行为所产生影响进行了实验室和临床研究。目前，CIE第六分部联合D1、D2、D3分部联合成立了JTC 9，对非视觉光接收器刺激的眼球辐射输入量值评价开展研究。同时，2015年ISO和CIE联合建立了有关光的非视觉影响的联合行动小组(Non-visual Effects of Light)，我国也是八个发起国家之一。CIE 218:2016《室内健康照明路线图》对编写健康光、舒适光的标准人员和技术研究人员，提出了需要回答的问题，并对所有问题的重要度与难易程度进行了排分。

2013年1月，来自美国、英国、法国等国家的光生物学专家共同召开了第一届生理节律及神经生理光度学研讨会，就人眼褪黑激素受光体对于光照测量的影响，并针对其产生的光生物与生理影响进行研讨，与会专家共同探讨形成一篇学术出版物，总结目前已经达成共识和不确定的领域，并在一定程度上，为光的测量提供一些推荐性的建议。 会后国际照明委员会CIE第六分部成立了Reportship D6-42，就此次会议上的学术论文及达成的共识声明做了汇编、整理，并在2015年以Technical Notes的形式发布了CIE TN003:2015《Report on the First International Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry, 2013》(人体生理节律和神经生理学光度测量第一届研讨会报告)文件[8]。该报告期望能作为对未来照明研究分析的支撑，使让人们更好地理解由于光照所产生的生理现象，同时让将来各类照明产品(户内、户外)的制造和光学性能测量有稳定的基础。该报告给出了研讨会形成的几大共识，包括：

1)锥体、杆体、自主感光神经节ipRGCs三类视网膜感光细胞的视网膜组织结构以及与褪黑激素的分类。

2)针对S-Cone, m-Cone, I-Cone, ipRGC, rod五种与人类非视觉效应最相关的光受体，给出的五种光谱加权函数，用以简化对光环境的测量。

3)由于年龄导致的晶状体老化，对于与明视觉和α-opic视蛋白灵敏度相关的透过率降低的影响。

4)每个光受体的光谱灵敏度函数。

5)由于光照导致的生理节律和神经生理的反应。

目前国际标准化组织ISO TC 274正在积极开展健康照明相关技术研究，目前主要基于人的健康考虑学校、医疗等应用场景。其中有关于健康照明量化的技术研究，目前德国的一些标准还有一定的争议，其对于非视觉的计算还有待较多的讨论。ISO TC 274 陆续针对《工作场所生物效应人工照明面临的机遇和挑战》《集成照明设计指南 非视觉效应》等内容进行讨论。其中ISO TC274 No292文件提出，具有一定光生物效应的人工光源照明可以补充室内日光不足，使人们的生物钟处于活跃的工作状态，提高注意力。但在人工照明给生活和工作带来各类有用的非视觉效应时，也同样面临种种问题，该文件提出了带光生物效应的人工照明面临的4个机遇和18个挑战，从人工照明对幸福感、睡眠质量、生理节律等多个方面影响的角度出发做了详细阐述。

欧美各国也陆续发布非视觉效应相关的技术标准和文件，如德国分别在2013年和2015年发布了DIN SPEC 67600—2013《光生物效应照明设计指南》及DIN SPEC 5031-100—2015《光对人体褪黑色素分泌的影响》等光生物效应照明相关技术规范，但由于这两份文件在国际上争议较大，其有可能面临重新修订。2016 年欧洲照明组织发布了其2025年战略发展路线图，明确将以人为本的照明(Human-centric Lighting)作为欧洲照明发展的核心。

4 总结

目前国际上已建立了针对正常人、短期光学辐照所引起的光生物辐射安全评价方法，但是对于特种人群以及长期光照作用下的光生物辐射安全评价还有待进一步研究，光生物辐射安全的标准化工作目前正在IEC和CIE等相关国际组织中积极开展。有关视觉健康的研究，目前主要只针对眩光、闪烁等几个方面的指标进行了一些研究，许多的视觉健康机理还在研究之中；同时也开展了相应标准化的工作，目前已经制定了闪烁和眩光等标准，而在不同的应用条件如何评价眩光的视觉健康，这些方面有待进一步的研究。针对非视觉的影响研究，国际上已确定了包括第三视觉神经信号传导在内的一些非视觉基本机理。对于非视觉夜间光照对褪黑激素的抑制的影响已经开展了大量的研究，也获得了确认。通过灯光在不同时间的作用调节人的生理节律，长波、可见光对非视觉的关联影响，以及对非视觉其他通道的影响目前正在研究中，也取得了一定的进展，有关的标准化工作目前正在开展，研究进展较好。

随着第三代半导体照明技术、移动互联、人工智能等新兴技术的快速发展，人工照明技术越来越趋向于以智慧型、健康型为导向，而光生物辐射安全、光的视觉与非视觉效应作为健康照明的三大基础要素，其技术研究与标准化也逐渐成为健康照明技术发展的三大核心。这三个方向研究的良性发展将促进形成符合人因、人类生物特征的健康照明技术，使半导体照明更加智能和健康。

[1] ARNAULT E, BARRAU C, NANTEAU C, et al. Characterization of the blue light toxicity spectrum on A2E-loaded RPE cells in sunlight normalized conditions[C].Arvo, 2013:4004.

[2] Illuminating Engineering Society of North America. The Lighting Handbook.10th Edition.

[3] Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaires：IEC TR 62778:2014.

[4] Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamps and Lamp Systems：ANSI/IESNA RP-27-96.New York: Engineering Society of North America, 1996.

[5] Draft Risk Assessment-Potential health effects of flicker from LED lighting: IEEE PAR1789:2013.

[6] Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models:CIE TN 006:2016.

[7] Ocular lighting effects on human physiology and behavior: CIE 158—2009.

[8] Report on the First International Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry, 2013:CIE TN003:2015.

TheEvaluatingMethodofHealthyLightingandItsNewDevelopmentofStandardization

WANG Xiaojin1, DUAN Yanlong2, MOU Tongsheng2
(1.ZhejiangSmart&HealthLightingResearchCenter,Hangzhou310000,China;2.ZhejiangSENSINGOptronicCo.,Ltd,Huzhou313216,China)

The rapid development of photobiology, visual effect and the non-visual effect of light has brought the attention on human-centric lighting in the world. The evaluating method of healthy lighting was proposed in this paper based on photobiological radiation safety, visual health and non-visual health of light. The research development in healthy lighting in recent years is reviewed. The latest development of standardization on healthy lighting in CIE, IEC and ISO are also introduced.

healthy lighting；non-visual effect；human-centric lighting；standards

国家重点研发计划资助项目(2017YFB0403705)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.005

简讯

香港贸易发展局主办的第19届香港国际秋季灯饰展2017年10月27-30日在香港会议展览中心举行，展览汇聚2 670家来自38个国家及地区的公司，包括丹麦及南非的新参展商，规模为历届之最。此外，第2届香港国际户外及科技照明博览于2017年10月26-29日在亚洲国际博览馆举行，展出410家最新产品。两项展览合组成全球规模的灯饰及照明产品商贸平台，为买家搜罗各类智能灯饰及环保照明产品。香港国际秋季灯饰展特别组织了78个买家团，邀请超过7 600名来自60个国家及地区的重要买家来港参观两项展览及采购。