照明环境、计量和非视觉响应

吕克·施兰根，卢克·普莱斯 [著]

徐俊丽3，郝慧羽3，童蝶宏3 [译]

郝洛西4，孔祥振1，汪统岳4，5 [校]

(1.埃因霍温理工大学 智能照明研究所 人机交互设计组，埃因霍温；2.英国公共卫生 辐射、化学和环境危害中心，迪德科特；3.苏州大学 建筑学院，江苏 苏州 215031；4.同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092；5. 上海市养志康复医院(上海市阳光康复中心)，同济大学 附属养志康复医院，同济大学 医学院，上海 201619)

引言

光线对视觉至关重要，但从生命的最初几周[1-5]开始，它也会驱动重要的非成像(NIF)效应，这些效应是决定睡眠[6]、昼夜节律[7]、警觉性[8，9]、情绪[10]和激素分泌[11]的重要因素。本文旨在为对光的非成像效应、时间生物学和健康方面感兴趣的照明专业人员、决策者和研究人员提供参考。论文解释并讨论了一个标准化的光计量方法[12]，该方法基于五种类型的视网膜光感受器，每种具有不同的光谱敏感性，并可能有助于非视觉或非成像响应[13]。值得注意的是，视黑素蛋白是这五种光感受器类型中的一种功能性感光色素。

越来越多的证据[6，14-21]表明，视黑素蛋白的光谱敏感性是最成功和简明的模型，可以预测中长期接受环境光的响应，如昼夜节律相移，或瞳孔大小、警觉性和褪黑素分泌的调节。然而，缺乏单一的作用谱或代替物可以完整地描述[13，22]实验室环境中所有可测试的光强、作用时间、持续时长和光照模式变化的研究[23，24]。此外，现场环境中的光照效应通常被各种不确定因素所混淆，这些不确定因素包括非光照效应、个体对光敏感性的差异[25]、研究人群的差异以及现实生活环境中环境与行为控制的减少。在承认这些局限性的同时，我们将提供一些示例，说明基于视黑素蛋白的标准化光计量方法[12]已经可以在实践中应用。

松果体分泌的褪黑素是一种重要、常用的昼夜节律标志物，光照对其夜间分泌的影响已得到证实[11，14，15，26，27]。人体的褪黑素有助于促进入睡和提高睡眠质量[28]，并且仅在习惯性睡眠期间分泌(达到可检测水平)。夜间光照会急性抑制循环中的褪黑素水平[11]，但处于清醒或睡眠状态本身对尿液中的褪黑素没有直接影响[29]。在恒定的昏暗光线下，褪黑素水平在傍晚开始上升，并在夜间核心体温(Core Body Temperature，CBT)达到最低点(表示为CBTmin)前2 h左右达到峰值，该最低点通常发生在(习惯性)觉醒时间前2 h[30，31]。

睡眠—觉醒周期与24 h褪黑素周期密切相关：习惯性就寝时间大约在褪黑素开始分泌后2 h(昏暗光线下)，而习惯性觉醒通常发生褪黑素开始分泌后10 h(昏暗光线下)，褪黑素开始分泌被定义为唾液褪黑素浓度增加并保持在4 pg/ml或其拟合振幅25 %以上的时间点[32，33]。在习惯性觉醒时间前后，褪黑素浓度下降，甚至在昏暗光线条件下也会降至无法检测的水平。夏季在户外生活一周，暴露在天然光下且没有任何人工光时，通常褪黑素开始分泌的时间出现在日落前后，而结束分泌的时间发生在觉醒时间之前(日出之后)[34]。睡眠—觉醒周期的突然变化使褪黑素24 h曲线(几乎)不受影响[35]，而一次适当作用时间和持续时长的实验室光照可以将褪黑素节律的相位改变多达3 h[27，36]。然而，由苏氨酸蛋白激酶(Salt Inducible Kinase 1，Sik1)调节的遗传时钟机制中的负反馈限制了光的相移效应[37]，在有时差反应的人类和大多数其他哺乳动物中，行为相移仍然限制在每天约1 h(一个时区)[38]。

光对24 h褪黑素曲线的影响如图1 A～1 D所示。晨间光照会提前褪黑素分泌的时间，促进更早的就寝时间和入睡时间，而夜间光照会延迟褪黑素的分泌，从而导致就寝时间延迟[27]。昼夜节律系统认为发生在CBTmin之前的光照为夜间光照，而发生在CBTmin之后的光照为晨间光照[27]。日间光照可以增强夜间褪黑素的分泌[39]，增强生物钟稳定性，并降低对深夜/夜间光照的敏感性[40-45]。即使在傍晚2.5 h的强光照射，也足以减少深夜光照对睡眠的急性破坏作用[46]。

图1 (A-D)光对24 h褪黑素曲线的影响示意图。该曲线标记着昼夜节律和习惯性睡眠期。后者由水平的深色矩形表示，浅蓝色的线表示个体在24 h昏暗光线条件下的相应褪黑素曲线。红色三角形表示核心体温在(习惯性)唤醒时间前约2 h达到最低点的时间。垂直矩形表示特定的光照。(A)晨间光照会提前褪黑素分泌的时间(即支持更早入睡和觉醒)。(B)夜间光照会延迟褪黑素分泌的时间。(C)习惯性睡眠期间的光照会急性抑制褪黑素的分泌。(D)日间光照增强了随后夜间的褪黑素分泌。(E-H)复式图显示了不同光照导致的人类睡眠—觉醒(SW)周期模式，每种模式从16L∶8D的几天开始，随后几天的光照受到限制。(E)早上觉醒时，光照限制为1 h。(F)深夜光照限制为1 h。(G)在完全黑暗(D∶D周期)中，由于人类昼夜节律的内在周期略微超过24 h，每天SW周期的时间逐渐推迟。(H)每天早晨和晚上都有足够的光线来稳定SW周期的理论示例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

图1 E、1 F展示了晨间、夜间光照对睡眠—觉醒周期的影响。当明暗周期的振幅较低，即白天和黑夜之间的对比不足时，昼夜节律是自由运行的。一个人如果生活在持续昏暗的光线下，其睡眠—觉醒周期会在第二天缓慢地延迟。这在图1 G中有所描述。这是由于在昏暗的光线下，昼夜节律在其内源性周期内自由运行，人类平均约为24.2 h[35，47-50]。早晚光照的正确组合可以稳定昼夜节律，使其与24 h的明—暗周期保持同步，如图1 H所示。

美国有研究表明，现代社会的人们大约有90%的时间在室内度过[51-53]。典型的人类室内环境在白天提供的光线相对较少，特别是与室外的天然光相比，室外照度可能高出1、2甚至3个数量级。例如，欧洲工作场所照明标准[54]规定，办公室内维持水平照度的最低值在200～750 lx之间，这取决于具体任务，而室外水平照度可高达150 klx[55]。在晚上和深夜，人工光和发光显示设备的广泛使用导致人们长时间暴露在光线下[56]。这些非自然的光照条件影响了昼夜节律，增强了夜晚型倾向[34]。此外，众所周知，现代生活方式和(非自然的)光照会导致更多的“社会时差”，这会对睡眠、表现、幸福和健康产生负面影响[57，58]。进化使我们适应了生活在更明亮的白天条件而不是现代的室内生活。对一个健康的照明环境而言，具有正常昼夜活动模式(即以白天为导向，通常在夜晚睡觉)的人在白天需要明亮的白光，尤其是在晨间，同时应减少深夜的长时间光照，并尽可能避免夜间光照(另见CIE立场声明[59])。

尽管引言集中在时间生物学，但应注意的是，时间生物学响应只是对光的非视觉响应的一部分。本文描述的非视觉计量工具以及下文提供的信息，也可应用于其他视网膜光感受器对环境光的响应。

1 视网膜光感受器

本世纪初，研究人员发现了一种新的视网膜光感受器，即内在光敏视网膜神经节细胞[60](intrinsically-photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)。这种光感受器除了接收来自视杆细胞和视锥细胞的外部输入信号外，还含有视黑素蛋白，从而产生内在的光敏感性，因此得名[13]。图2 A显示了参与非视觉光感受的五种光感受器(短波视锥细胞、中波视锥细胞、长波视锥细胞、视杆细胞和ipRGCs)的光谱敏感性[12]，以及众所周知的V(λ)函数(明视觉光谱光视效率函数)。对人类来说，视黑素蛋白光感受发生在可见光谱420～560 nm之间的短波长范围内，在体内的峰值灵敏度在490 nm[13]。基于视黑素蛋白的信号传导比视杆细胞或视锥细胞信号传导更缓慢、更持久[63-65]。哺乳动物视网膜中至少有六种ipRGCs亚型(M1-M6)已被鉴定(迄今为止，人类为M1-M5)[66-69]。与视杆细胞和视锥细胞不同，ipRGCs有光敏树突，横向延伸到整个视网膜。图2B显示了视杆细胞、视锥细胞和ipRGCs的相对密度与视网膜偏心率的函数关系。基于视黑素蛋白的光感受预测了一系列日常光照下的时钟介导和急性非视觉响应[21]。时钟介导的影响包括睡眠—觉醒周期调节和昼夜节律相移，而光的急性反应示例包括褪黑素抑制、警觉性控制和稳态瞳孔直径[17，18，20，21]。

图2 (A)用于非视觉计量的α响应作用谱[12]，sα (λ)；短波视锥体响应(α=sc)、中波视锥体响应(α=mc)、长波视锥体响应(α=lc)、视杆体响应(α=rh)或视黑素响应(α=mel)，其中srh(λ)定义为等于暗视觉光谱光视效率函数V′(λ)。还绘制了明视觉光谱光视效率函数V(λ)。(B)视杆细胞、视锥细胞和 ipRGCs 的相对密度与中央凹偏心角的关系[61，62]。中央视野中没有ipRGCs，但在该视野之外，它们的密度下降到一个稳定值。ipRGCs的最大密度为：20～25个cells·mm-2，比视杆细胞或视锥细胞的最大密度低4个数量级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岁之前，人眼中的晶状体仍能透过短波可见光，甚至接近320 nm的紫外线辐射[70](Ultraviolet Radiation，UVR)。大约在5岁时，它对UVR变得不透明。随着年龄的增加，晶状体在可见光谱的短波长范围(即紫色和蓝色)的透射率降低。因此，在年长时，视网膜光感受器接收的光输入较少，特别是短波长敏感的光感受器(视杆细胞、短波视锥细胞和ipRGCs)。尽管适应机制和神经可塑性可以补偿年龄引起的实际到达视网膜的短波长光的减少，但超过50岁时ipRGCs的数量随着年龄增长而下降[71]。这种ipRGCs损失的同时，伴随着细胞形态的变化和ipRGCs分布模式随机性的显著增加。

研究表明，随着年龄的增长，视黑素蛋白光感受能力的下降可能在睡眠和衰老的神经认知效应中发挥重要的负面作用[71]，包括那些与痴呆症以及一般衰老相关的影响。非视觉的昼夜节律调节能力随着年龄增长而衰退[72-74]，从而对睡眠产生负面影响。部分研究不仅证实了这一假设，还观察到在中老年人群中，更零碎和更不稳定的睡眠活动模式与更高的全因死亡率(高达20%左右)有关，该死亡率与年龄无关[75]。

2 基于明亮感知的视角量化光

传统照明实践主要针对视觉性能、舒适度和视觉领域等方面来量化照明设计、安装以及光照，使用光通量(以流明为单位)、照度(以勒克斯为单位)和其他视觉相关量。这些量描述了明视觉条件下(即亮度高于5 cd/m2[76])光源的明亮感受(本译文中的明亮感受指luminous sensation)，由视锥细胞驱动人类视觉响应。当眼睛适应非常低的亮度(低于0.001 cd/m2)时，就会出现暗视觉。在暗视觉条件下，由视杆细胞驱动视觉响应。亮度和照度之间的转换取决于以球面度为单位测量的表观光源尺寸，因此，一般的暗视觉和明视觉阈值无法以勒克斯表示。

就个体而言，光感受器遵循单变量原理，这意味着它们不能区分强度和波长的变化[77]。因此，人类对明视觉和暗视觉明亮感受的光谱敏感性可分别由光谱光视效率函数V(λ)和V′(λ)描述，见图2 A。例如，光的光谱功率可以通过将每个波长分别乘以V(λ)或V′(λ)来进行明视觉加权或暗视觉加权。将所有波长的结果(即明视觉加权或暗视觉加权光谱)相加，并将结果乘以相应的效能常数(分别为K(m)和K′(m))，就可以得到光度单位(如流明、勒克斯或坎德拉)，如下文所述。

根据定义，频率为540×1012Hz的单色光(相当于标准空气中的波长555 nm(1)为了便于阅读，将用555 nm代替λd≈555.016 nm来表示光的波长，对应于标准空气中光的频率为540×1012 Hz。)的发光效率为683 lm/W[78]。由于V(λ)函数在555 nm处达到其峰值，因此明视觉最大光谱光视效能(以常数K(m)表示)等于683 lm/W。暗视觉最大光谱光视效能(由常数K′(m)表示)等于1 700 lm/W，可由K(m)×V(555 nm)=K′(m)×V′(555 nm)的关系得出。

使用暗视觉效率函数评估的(光源)光输出与使用明视觉效率函数评估的光输出之比称为S/P比值。S/P比值是光的光谱分布特征，根据定义，对于频率为540×1012Hz或波长为555 nm(在空气中)的单色光，S/P比值等于1。S/P比值大于1表示，1流明的光源(明视觉)对视杆细胞的激活作用比1流明的555 nm单色光大。

当眼睛适应明视觉和暗视觉条件之间的光照水平时，会出现中间视觉。在这一范围内，即在中间区域，视杆细胞和视锥细胞的联合作用决定了人类的视觉响应。然而，ipRGCs与视网膜适应有关[79]，并可能参与调节中间视觉和明视觉的敏感性[80]。

Do等[81]对ipRGCs及其功能进行了广泛回顾，包括它们在视觉响应中的作用。早在2002年，Hankins和Lucas就已经证明，人类主要视锥细胞视觉通路的适应性会随着一天中的时间而变化。该变化由一种非视杆细胞、非视锥细胞的感光色素驱动，其光谱敏感性曲线与一种峰值在483 nm的视蛋白：维生素A的标准曲线相匹配。由此产生的曲线现在被广泛接受为感光色素视黑素蛋白的原型作用谱，并描述了ipRGCs的内在光敏感性。视黑素蛋白可以驱动视觉感知的另一个证明来自一个关于盲人的案例研究，该盲人缺乏功能性视杆细胞和视锥细胞，能够报告480 nm的单色光刺激是开启或关闭，但对其他波长的刺激却没有这样的发现[82]。

最近的研究表明，视黑素响应可能对视觉响应有进一步的影响。当光刺激具有较大的视黑素响应量，同时对视杆细胞和视锥细胞来说是同等亮度时，人类的亮度感知(本译文中的亮度感知指brightness perception)可能更强[83]，进一步的实验更详细地量化了视黑素蛋白对亮度感知的影响[84，85]。视黑素蛋白效应可以将亮度感知增加10 %，尤其是对于涉及亮度、色调差异很小或没有差异的亮度辨别任务[86]。最后，值得注意的是，视黑素蛋白光感受器还可以提高粗糙图案的可检测性[80]。这些结果表明，视黑素蛋白不仅与非视觉响应和视觉适应有关，还可能对进一步的视觉响应如亮度感知和模式识别做出贡献。然而，正确论证视黑素对视觉的影响在方法上是复杂的，且面临许多挑战[87]。目前，基于视黑素蛋白的光感受与实验室环境以外的亮度感知的相关性尚未确定，值得进一步研究。

3 量化光的非视觉响应：α响应计量法

如上所述，ipRGCs中基于视黑素蛋白的光感受构成了非视觉响应的重要驱动因素。在工作中，许多照明设计师已经对光和照明的视觉、建筑和心理方面进行了广泛了解。照明领域的专业人士越来越意识到，除了以视锥细胞响应为主导的指标如相关色温(CCT)、照度和亮度外，还需要在规范、守则、建议和研究中考虑基于视黑素蛋白的光感受。这些指标都是量化或比较照明方案的有效工具，但它们不能取代一个经验丰富的设计师对不同光效之间相互作用的整体理解。此外，NIF光感受与从各个方向到达眼睛的光线有关。这要求依据到达眼睛高度的光线来提出建议——例如，在垂直平面上垂直于视轴测量——而不是在水平面、墙壁或物体表面上的光线。

没有单一作用谱或代替物可以描述所有眼部介导光的非视觉响应[13，22]。所有已知的五种光感受器都可以对非视觉效应做出贡献，且每种光感受器的相对贡献会随着具体的非视觉响应，光照特性如强度、光谱、持续时长、作用时间(外部和内部/昼夜节律)，光照历史和个体的睡眠剥夺状态而变化。根据Lucas等[13]的综述文章，国际照明委员会(CIE)——负责制定光和照明国际标准和报告的国际组织——发布了CIE S 026：2018“内在光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统”[12]。这项新的国际标准定义了光谱灵敏度函数、量值和度量，以描述光辐射对每一种视网膜光感受器的刺激能力，这些光感受器通过ipRGCs对人类的非视觉效应和功能做出贡献。

Lucas等[13]利用视蛋白模板和晶状体透射率函数建立了五个作用谱，描述了已知的五种视网膜光感受器的光谱敏感性。CIE S 026[12]采用了与Lucas等[13]相同的视黑素蛋白作用谱；然而，采用了10°视锥细胞光谱灵敏度函数[88]和暗视觉光谱光视效率函数V′(λ)，分别描述视锥细胞和视杆细胞的作用谱，使其与现有标准和心理物理数据保持一致。

图2A显示了五种光谱加权函数或作用谱，sα(λ)。对于这五种(α响应)光感受器中的每一种，可根据(测试)光源的光谱辐射照度Ee，λ′，得到α响应辐射照度Eα′，见表1。测试光源的α响应辐射照度除以其照度Ev得到其α响应光辐射效能(α-opic ELR)。该α-opic ELR与标准日光(D65)的α-opic ELR的比值定义了测试光源的α响应日光(D65)光效能比(α-opic DER)。

表1 α响应计量术语表[12]，其中sα(λ)指图2A中所示的α响应作用谱，Kα，v为“每流明的α响应刺激”，D65的Kα，v计算(即D65光源的为归一化常数。计算α-opic DER有两种方法：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 参考照明体、等效照度、S/P和M/P比值

日光是一种天然存在的刺激，人类在这种刺激下进化，因此它是评估和表达人类建筑环境中光照条件特性的重要参考。CIE S 026采用CIE标准照明体D65作为参考照明体，将五种α响应辐射照度的每一种表示为光度等效量(2)D65 代表色温约为 6 500 K 的日光。可以使用其他参考照明体(如标准照明体 A 或等能照明体 E)代替 D65 来定义等效照度，但应尽可能避免使用此类非标准的量。 Lucas等[13]在引入非视觉计量的“α响应等效照度”概念时，采用了等能照明体 (E)作为参考照明体[13，89]，但没有明确提及所选择的参考照明体。。这些量为五种α响应日光(D65)等效照度(α-opic EDIs)。每种α-opic EDI以lx表示，对应于为给定的α响应光感受器提供与测试光相等的α响应辐射照度所需的D65辐射照度。这里使用的术语“测试光”是指正在考虑的并区别于参考照明体的光。

CIE S 026中采用的光度等效概念不限于照度(单位lx)和亮度(单位cd/m2)。它也可以应用于其他量，如光照量(单位lx·h)，光能(单位lm·s)和发光强度(单位cd)(3)按照同样的顺序，与之相对应的光度量分别为α响应日光(D65)等效光照量 [lx·h]，α响应日光(D65)等效光能 [lm·s]和α响应日光(D65)等效发光强度 [cd]。。

在CIE S 026中，当描述测试光的光谱特性时，测试光的α-opic EDI与其照度之比定义了测试光的α-opic DER，见表1。换句话说，视黑素响应DER表示测试光的视黑素响应通量(M)与明视觉光通量(P)之比，这个无量纲的值可以有效地被认为是新的“M/P”。根据定义，对于参考照明体D65，该比率被归一化为1。S/P比值是一个既定的照明度量。对于波长为555 nm的单色光，其S/P比值等于1，因为S/P比值有效使用了555 nm的单色光作为其归一化参考照明体。如果视黑素响应EDI为30 lx，那么，测试光对ipRGCs的激活作用等效于30 lx的D65产生的效果。同样，30 lx的暗视觉照度意味着，测试光对视杆细胞的激活作用等效于30 lx的555 nm单色光产生的效果。

5 α响应的光度量和辐射度量

在国际单位制(SI)中，辐射度量学被描述为“与电磁辐射(包括可见光)特性物理测量相关的计量学领域”。辐射量可以不加权，但光生物量通常根据合适的作用谱进行加权，该作用谱将辐射的相对效率描述为产生效应时的波长函数。

物理学家通常使用基于能量的辐射度量学，而光生物学家和光化学家通常使用光子系统，光与照明领域的专业人士则倾向于使用光度学。光度学使用特殊的国际单位制(SI)，如cd、lm和lx。通过当前定义的SI基本常数Kcd(Kcd≈Km，见前文)和光度量发光强度相对应的SI基本单位坎德拉(Candela)，辐射度量学、光度学及其单位密切相关。在七个SI基本单位(及其定义常数)中，坎德拉及其定义常数Kcd是独特的，它与人类视觉有关，而不是一个基本的物理现象。光子系统与辐射度量系统非常相似，能量单位由光子数量代替(需要对光谱加权函数和数量进行调整(4)单个光子的能量E取决于普朗克常数h、光速c、波长λ和介质的折射率(例如nair)，因此，对于给定波长的Np光子(在光子系统中表示)，相应的辐射能量为Ee=Np·h·c/λ·nair。当把作用谱从光子系统转换到辐射能量系统时，或者反过来，一旦调整应用于每个波长，整个作用谱也必须被重新归一化，使其新的最大值等于1。)，由于涉及的数字非常大，通常获取对数后进行呈现。

图3说明了这三种计量方法之间的深层联系。光度学系统中的一组量(照度、光通量、亮度)对应着辐射度量系统中光度加权的类似量(辐射照度、辐射通量、辐射亮度)，对应着光子系统中光度加权的类似量光子(辐射照度、通量、辐射亮度)。这些类似量的单位分别为(lx、lm、cd/m2)，(W/m2、W、W/sr/m2)和(m-2·s-1、s-1、sr-1·m-2·s-1)。对于视黑素响应量——具有完全相同的单位——各自的量是[视黑素响应日光(D65)等效照度，视黑素响应日光(D65)等效光通量、视黑素响应日光(D65)等效亮度]，视黑素响应(辐射照度、辐射通量、辐射亮度)和视黑素响应光子(辐射照度、通量、辐射亮度)。同样地，对于其他四个α响应量，也有同样的关系。根据CIE S 026的定义，视黑素日光(D65)等效亮度可缩写为视黑素响应EDL。

图3 三种计量方法以及与这些方法相对应的α响应量Fig.3 The three approaches to metrology and the α-opic quantities corresponding to these approaches

6 α响应工具箱

为了计算辐射度量、光子和光度学系统中的α响应量，并将其从一个系统转换到另一个系统，CIE发布了交互式ExcelTM电子表格“CIE S 026工具箱”[90]。在CIE网站[doi：10.25039/S026.2018.TB]上，不仅可以免费访问该工具箱，同时还提供了介绍视频和用户指南。工具箱功能包括加权函数、光谱加权图和简明术语表。

用户可以输入光谱测量值，并计算所有与辐射照度和辐射亮度的类似量，包括该光谱的照度和α-opic EDIs(图4 A)。即使没有实测的光谱数据，用户也可以从内置的五种CIE标准照明体(A、D65、E、FL11、LED-B3；图4 B)的光谱分布中选择，以熟悉三个系统之间的联系。

图4 CIE S 026工具箱的表示：在一个白色屏幕且最高亮度的手机上，采用视黑素响应量有关的数字表示“输入”(蓝色背景区域)和“输出”(白色背景区域)，观察者距离手机屏幕150 mm处。(A)基于已知亮度367 cd/m2，假设发射光谱符合CIE照明体LED-B3，(B)基于相同亮度的实际测量光谱辐射照度[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已提议将“integrative lighting”作为健康照明的官方术语，用于综合反映在科学研究中对人类产生生理和心理影响的视觉和非视觉效应[59，92]。在健康照明的语境下，重新审视人们在日常生活中所处的光环境。为了研究并表征与非视觉响应相关的潜在光照量，我们对熟悉的光源进行了一些测量，包括采用先前的研究成果。

α响应工具箱用于更详细地评估这些光源的绝对和相对视黑素响应含量。综上，受制于视黑素模型在预测光对NIF响应方面的潜在局限性(见引言)，这些信息为光和健康的相关建议提供了有用的背景和进一步的证据。

7.1 实验方法

所有光谱数据均经过次级校准并可追溯至国家标准的设备组进行测量，在英国公共卫生部内部(英国，牛津郡，迪德科特)进行维护。这些数据与相同来源的可比较的替代测量结果进行了核对。光谱设备组包括TE冷却光谱辐射计(美国，纽瓦克，必达泰克公司)，通过光纤(英国，迪德科特，纽波特光谱物理有限公司)耦合到光学扩散器(英国，雷丁，边沁)。

所分析的日光特征包括一个晴天(2020年5月29日)和一个多云(2020月6月18日)天气，并基于来自太阳监测实验室(51.575° N，1.318° W，海拔125 m)的全球光谱辐射照度数据，使用英国公共卫生部的内部采集软件以5 min的间隔在水平面上测量。

图5 B中于2020年5月29日04：25拍摄的鱼眼图像是平行系列的一部分，也是使用Q24半球户外相机(莫博蒂克斯股份公司，总部，德国)在同一地点以5 min的间隔拍摄。

图5 晴天的日照特征(2020年5月29日，日出04：55，日落21：10，英国夏令时)，基于英国牛津郡迪科特太阳监测实验室的水平全球光谱辐射照度数据。(A)明视觉照度(灰色虚线)、暗视觉照度(橙色线)和视黑素响应EDI(蓝色线)，插入的半对数图，从04：10开始到日出结束*。(B)晴天(蓝线，如上图2020年5月29日)和阴天(灰线，2020年6月18日，日出04：50，日落21：25)的相关色温(CCT)，以及插入了一张04：25的2π鱼眼天空图像。(C)视黑素响应日光(D65)效能比(视黑素响应DER，或M/P比值，蓝线)、S/P比值(橙色线)和太阳高度(灰色虚线)，与标准日光照明体D65的视黑素响应DER和S/P比值进行比较(彩色虚线)。垂直箭头表示可能由于局部地平线略微升高而造成的伪影。(D)视黑素响应DER，或M/P比值，根据反向CCT轴绘制(用CCT标记)，太阳高度标签位于选定的成对数据点的旁边。还绘制了CIE标准日光照明体(D55、D65和D75；空心菱形)、烛光(1 930 K黑体；实心菱形)、智能手机(加号，详情见实验方法)、家用LED(实心圆，n=25，详情见实验方法)，选定的办公室LED和选定的路灯LED[合并为空心圆，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]

先前两项研究[91，93]中，在温度可控的实验室条件下测量了LED的光谱辐射照度数据：第一项研究，现代智能手机模型(从2016年开始，2021年仍在广泛使用)，以全功率显示白色屏幕，在150 mm的距离处测量[ID 13[91]]。第二项研究中，LED照明样品，包括任何40 W等效的GU10(聚光灯)和任何60 W等效的BC22(卡口灯泡)普通服务照明产品类型，在2015年的10天内可以在线或通过当地和全国商店(在艾尔斯伯里、海威科姆和牛津界定的区域内)向英国零售消费者提供。后者样本比较了一些具有不同配置的LED照明产品，但不包括颜色可调产品[93]。

烛光的发射光谱被简化为来自色温为1 930 K的普朗克辐射体[94]。

7.2 结果：日光

在理想的晴天，水平明视觉照度、暗视觉照度和视黑素响应EDI遵循平滑的钟形曲线，且视黑素响应EDI值与明视觉照度值相似(图5 A)。这种接近的结果是由于使用标准日光照明体D65对视黑素响应EDI进行了归一化。图5中的日光特性可能与高海拔、不同大气条件以及不同视场测量时的日光不完全一致。视黑素响应EDI在黎明前1 h增加(见图5 A所示)，但相对于视觉测量的照度来说，它是减少的。因此，在黎明过渡期间，视黑素响应DER(=视黑素响应EDI /照度)随着太阳高度的增加而减少(见图5 C和5 D)。相反，在黄昏期间，视黑素响应DER随着太阳高度的减少而增加*。从日光光谱数据获得的其他特征在晴天也表现平稳，但图5 B说明了多云天气带来了波动性，这里使用视觉度量相关色温(CCT)进行示例。相反，在晴天(通过鱼眼照片验证，如图5 B插图所示)，CCT在黎明前后的几小时内迅速下降。最小的CCT出现在黎明后或日落前1 h，在大约太阳正午的时候，CCT略有增加，达到局部最大值。大气条件可能导致太阳正午两侧的光谱特征不对称。

先前研究分析了若干天内平均的光谱和/或视黑素响应的日光时间序列数据[21，95，96]。然而，我们对晴天的结果和视黑素响应日光(D65)的效能比特别感兴趣，如前所述，可以将其视为是一种M/P比值，与S/P比值相似(见图5 C)，两者都是图5 A所示量的比率。与CCT一样，这些比率高度依赖于太阳高度，因此也取决于给定日期的太阳时(solar time)。当太阳高度高于10°时，该比率保持稳定(即一天中的大部分时间)。对于D65，其CCT为6 500 K，根据定义，其视黑素响应DER或M/P比值为1，S/P比值等于2.47。当太阳高度高于10°时，观察到的M/P和S/P比值略低于1(见图5 C)，这反映了观察到的CCT与D65之间的差异(见图5 B)。当太阳落下或在天空较低的位置时，高高的地平线会遮住天空或太阳最亮的部分。这样，树木、建筑物和景观可能会导致与原本可以观察到的平滑曲线的偏差。图5 D显示了晴天日光视黑素响应DER对CCT的依赖性。在下一节中，将它与白色LED照明进行比较。

7.3 结果：白色LED照明

图5 D显示了颜色不可调的白光LED照明(2015年零售产品)的视黑素DER对CCT的依赖性，所有这些都基于蓝色LED加黄色荧光粉，GU10和BC22家用LED作为一个单独的系列显示。对于家用LED(n=25)，CCT解释了87%的视黑素响应DER差异，而CCT加上CRI(显色指数，Ra)解释了95%(多元线性回归)。图表显示，常见LED技术的白光LED照明样本与晴天日光，两者的视黑素响应DER对CCT依赖不一致。此外，图5 D中所有LED照明的视黑素响应DER明显低于晴天日光，对于6 500 K的CCT来说，通常低25%左右。在其他CCT值中，相对于日光的视黑素响应DER更加不足，即使在调整了日光和LED视黑素响应DER系列中的CCT依赖性后，仍很显著。换言之，这支持了一种观点，即对于给定的CCT和光通量组合，该样本中的所有LED灯在产生视黑素响应光时效率相对较低。先前也有报告称，白光LED照明相对于天然光的视黑素响应效率较低[97，98]。除了降低照度外，较低的视黑素响应DER可能适合在夜晚和设计为休息的空间内使用，而在活跃的工作场所，较高的视黑素响应DER和较高的照度可能会产生一个更健康的日间环境。

7.4 结果：智能手机屏幕—工具箱示例

为进一步说明α响应计量和S 026工具箱，我们将考虑一个典型的现代智能手机产生的视黑素响应EDI(以lx表示)(图5 D中以绿色十字表示)。人们对睡前使用显示屏设备，包括在床上使用智能手机和平板电脑，对睡眠的影响存在一些担忧。因为这些设备发出的光可能会对睡眠质量产生一定的影响[45，99，100]。因此，在此提出的数据将提供一个相关且有用的示例，将α响应量显示在图中。事实上，一些小组已经直接研究了不同光照量对睡眠的影响[25，26，100]。

工具箱中有两种执行计算的方法。第一种是使用五种内置标准照明体(A、D65、E、FL11、LED-B3)光谱的简化方法。第二种方法要求用户输入所考虑的测试光的实际光谱数据。选择这两种方法是为了说明为什么使用简化方法(即从标准化的光谱分布中归纳结果)并不总是合适的，并且可能会导致错误。

7.4.1 简化方法

选取一个LED全功率背光的白色手机屏幕，亮度为367 cd/m2[91]。如果光谱数据未知，假设该手机发出的光符合工具箱中内置的CIE照明体LED-B3，则可以使用工具箱。在此基础上，可使用工具箱计算视黑素响应辐射亮度、视黑素响应日光(D65)等效亮度(视黑素响应EDL)和视黑素响应光子辐射照度(见图4 A)。当观看距离为150 mm，屏幕与人眼形成约五分之一立体角时，可以通过以下方式获得视黑素响应辐射照度、视黑素响应EDI和视黑素响应光子辐射照度：

视黑素响应辐射照度 = 视黑素响应辐射亮度×立体角≈308 mW/sr/m2×0.2 sr = 61.6 mW/m2

视黑素响应EDI=视黑素响应EDL×立体角≈232 cd/m2×0.2 sr = 46.4 lx

log10视黑素响应光子辐射照度/(cm-2·s-1)≈13.88+log10(0.2)≈ 13.18

然而，我们可能无法依赖上述估算。假设智能手机的光谱符合LED-B3，这可能会导致问题，因为智能手机的光谱可能具有更高的蓝光含量，并且与LED-B3不同，它是由三个或更多的单色LED产生的，而不是使用蓝色LED与黄色荧光粉的组合。为了用准确的数字代替上述估算，需要使用实际的光谱数据。

7.4.2 光谱数据方法

当使用工具箱为选定的LED屏幕[ID 13[91]]收集光谱辐射照度数据时，工具箱输出表(见图4 B)给出了以下结果：

视黑素响应辐射照度≈85 mW/m2

视黑素响应EDI≈64.3 lx

log10视黑素响应光子辐射照度/(cm-2·s-1)≈13.32

该光谱分析表明，假设手机发出的光符合LED-B3的简化方法导致对视黑素响应辐射照度和EDI被低估了近30%。

对于儿童和年轻人来说，距离手机屏幕(全功率白色屏幕)150 mm观看，可能是最坏情况，但屏幕不太可能仅在最亮的设置下使用。屏幕上显示的明暗混合的图像会降低空间上平均的屏幕亮度，以及在用户眼睛处测量的时间上平均的视黑素响应EDI。使用合适的应用程序也可以在晚上降低亮度和蓝光发射的功率。最后，将手机保持在较远距离，通过减少屏幕所占据的“视觉”区域来减少入射到眼睛处的平均视黑素响应EDI。

“在合适的时间推荐合适的光照”的初步指南中，以及在没有正式共识的情况下，CIE的立场声明[59]最近建议使用视黑素响应EDI作为调节非视觉响应的临时方法。关于这种方法的进一步指导，现在可以通过第二届昼夜节律和神经生理光度学国际研讨会(2019年8月在曼彻斯特举行)的同行评审出版物的形式获得。本译文在末尾新增的“关于健康照明建议的附加评论”章节中进行了简要讨论*。可能需要进一步的研究来调研在此类建议中使用视黑素响应EDI的潜在局限性，并更详细地探讨α响应量与非视觉响应之间的相关性。随着这一领域的发展，并认识到引言中提出的考虑因素，视黑素响应作用谱可被视为预测褪黑素抑制反应的良好模型：低于4 lx的视黑素响应EDI导致最小响应(<25%的最大褪黑素抑制)，高于300 lx的视黑素响应EDI强烈抑制唾液褪黑素(>75%的最大值)，这取决于光照持续时间和实验环境[21]。此外，剂量—反应关系受个体间巨大差异的影响，例如，据报道，基于95%的置信区间[25]，人类对褪黑素抑制的光敏感性(即产生50%最大褪黑素抑制所需的视黑素性EDI)的个体差异超过一个数量级。连同表2中的视黑素响应EDI值，这些发现提供了不确定的证据，即夜间智能手机发出的光引起的褪黑素抑制是否达到了引起实际关注的程度。然而，夜晚长时间使用室内人工光可能导致与褪黑素抑制相关的光照量的可能性仍然存在。

表2 现代智能手机的颜色、RGB、照度、暗视觉照度和视黑素响应EDI，屏幕在其最大亮度下设置为统一的颜色，并在150 mm的距离处查看(手机ID 13来自[91])

此外，尽管上述研究表明智能手机屏幕对睡眠具有统计学上的显著影响，一项更具代表性的研究[99]表明，与印刷书籍相比，4 h的电子阅读(连续五个晚上重复，早上6：00起床时间)仅导致夜间总睡眠时间平均减少5 min，快速眼动(Rapid Eye Movement，REM)睡眠时间平均减少12 min。因此，从实际意义上来说，光的这些影响可能不太显著。在现代(室内)生活方式中，白天光照不足可能更值得关注，并且如前所述(见引言部分和图1D)，白天光照会增加昼夜节律的稳健性，并减少夜晚光照造成的干扰。

8 结语

光环境的日常变化对人们的睡眠、福祉和长期健康非常重要。我们对于视网膜光感受器在驱动非视觉效应方面的贡献和相互作用的了解正在逐渐成熟。尽管科学研究仍不完善，但以视黑素响应EDI表示的环境测量现在被认为具有生态有效性。因此，对未来建筑和照明标准的新建议预计将包括白天视黑素响应EDI的最低阈值和夜间视黑素响应EDI的最高阈值。这些建议应与现有照明规范中的视觉部分谨慎整合。限制夜间视黑素响应EDI的一种方法是推荐较暗的照明，同时降低视黑素响应DER(即降低M/P比值)会使这种方法更有效。另一个建议是，在人们夜晚睡觉的地方，要尽量营造无光的黑暗环境。CIE S 026工具箱的推出，一部分是为了支持这一预期的照明实践转变，另一部分是使研究人员能够为未来的照明标准、指南和健康建议收集更多的科学证据。

图5 D显示，晴天日光的视黑素响应DER明显大于最近抽样的白光LED照明样本(一系列CCT)中的视黑素响应DER。这支持了一种观点，即在给定的CCT和光通量的组合中，抽样的LED在产生视黑素光方面的效率相对较低，这与已有文献的观点一致[97，98]。新的照明产品，包括那些具有可调M/P比值的产品，可能有助于解决这一问题。与日光类似，较高的M/P比值被认为可能是白天室内环境的一个有益特征。在建筑环境中采用更多日光是实现这一目标的好方法。

如果目的是尽量减少视黑素响应光照量，那么夜间用于导航和安全感知的照明应采用较低的M/P比值。增加日间光照可以减少夜间光照的不利影响[39-46]，日间光照可能与睡前避免强光同样重要。白天，室内人工光可以再现室外环境的视黑素响应光照量(和其他方面)，尽管这需要大大增加室内照度。然而，日光是一种极好的、自然的、节能的且富含视黑素的光线来源，公共卫生政策应鼓励在白天寻求(自然)光线的生活方式，尤其在早晨醒来的前几个小时，以及从出生后的最初几天开始。

9 关于健康照明建议的附加评论

最近，一个关于昼夜节律和神经生理光度学的国际研讨会发表了一组关于白天、晚上和夜间光照的建议，以促进健康的日间活动的成年人最佳身心健康和绩效[101]。该研讨会的结论是，在大多数实际情况下，昼夜节律和神经内分泌的光谱敏感性，以及其他对眼部光照相关的非视觉响应，可以通过ipRGCs基于视黑素蛋白的光谱敏感性来描述。因此，关于如何在室内环境中更好地支持人类生理、睡眠和觉醒，研讨会建议采用在用户眼睛位置测量(检测器方向与主要的视线方向一致)的视黑素响应EDI来表示：

(1)在白天，建议眼睛位置处视黑素响应EDI的最小值为250 lx。

(2)在晚上，至少在睡前3 h开始，建议眼睛位置处视黑素响应EDI的最大值为10 lx。

(3)睡眠环境应尽量黑暗。建议眼睛位置处视黑素响应EDI的最大值为1 lx，如果夜间某些活动需要视力，则最大值为10 lx。

这些建议适用于有日常活动安排的健康成年人(18～55岁)，并提供了成功实现健康照明解决方案所急需的额外考虑和指导。这些建议并不是取代与视觉功能、舒适和能源消耗等相关的现有准则和法规。

附加说明：作者(LS和LP)希望指出，图5 A和图5 D中的一些小错误已在译文中得到更正。图5 A插图已加入了正确的明视觉照度，图5 D中，-0.2度的太阳高度标签已更改为0.2度。此外，在该译文中，一些文字已被修改以减少潜在的歧义，用*表示。

数据可用性申明：支持本文结论的原始数据受英国皇家版权保护，通常由作者提供，无不当保留。

作者贡献：所列作者均直接对这部出版物做出了实质性的原创贡献，并同意出版。两位作者都以无偿志愿角色为这一主题的灰色文献做出了重大贡献，包括[12]、[59]、[89]、[90]。

致谢：感谢玛丽娜·卡佐娃(Marina Khazova)对测量工作的慷慨帮助。