使用光劑量評(píng)價(jià)照明的非視覺(jué)生物效應(yīng)

居家奇 陳枕流 梁榮慶 陳大華

(復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

1 照明非視覺(jué)生物效應(yīng)的評(píng)價(jià)

目前，CIE明視覺(jué)函數(shù)V(λ)在工業(yè)生產(chǎn)、照明設(shè)計(jì)、圖像處理中得到了廣泛推廣和應(yīng)用，即所有的光度學(xué)測(cè)量都是基于明視覺(jué)函數(shù)V(λ)進(jìn)行計(jì)算的，同時(shí)幾乎所有光度學(xué)測(cè)量?jī)x器也都是依據(jù)此來(lái)進(jìn)行修正的。明視覺(jué)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(biāo)張角內(nèi)的視覺(jué)特性。

本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞 (ipRGC)的發(fā)現(xiàn)將照明領(lǐng)域的研究從視覺(jué)范疇內(nèi)的研究拓展至非視覺(jué)領(lǐng)域。對(duì)于照明光生物效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)與檢測(cè)，目前所有的光學(xué)測(cè)試儀器都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，原因在于光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線與傳統(tǒng)的明視覺(jué)函數(shù)V(λ)存在較大差異。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究均表明短波藍(lán)光部分 (460nm～490nm)的光生物效應(yīng)會(huì)比較明顯，雖然這一問(wèn)題的確切結(jié)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(shí)踐應(yīng)用中將變得更為重要，因?yàn)樗瑫r(shí)影響了照明的視覺(jué)效果和非視覺(jué)效果。為此國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)第六分部 (光生物與光化學(xué))成立了多個(gè)技術(shù)委員會(huì)研究討論這一課題，(TC6-11)專門研究光輻射對(duì)人體系統(tǒng)綜合效果，(TC6-63)專門研究光生物效應(yīng)對(duì)生理節(jié)律的影響，用以幫助晚班工作者及長(zhǎng)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(guān)神經(jīng)生物效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)方法。這一問(wèn)題的研究對(duì)于長(zhǎng)時(shí)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(duì)于照明光生物效應(yīng)光譜響應(yīng)的評(píng)價(jià)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(yīng)曲線，這類方法的缺陷在于需要長(zhǎng)時(shí)間照明和高強(qiáng)度的光照才有效果，對(duì)于實(shí)際照明場(chǎng)景的評(píng)價(jià)，缺乏即時(shí)性，同時(shí)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(yīng)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(dú)由于 ipGRC作用發(fā)生改變，還是ipRGC與視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞共同作用的結(jié)果，即無(wú)法有效完全分離照明的視覺(jué)通道和非視覺(jué)通道［3］;第三類采用人體生理參數(shù)的變化來(lái)評(píng)價(jià)光生物效應(yīng)的綜合效果，這類方法快速、直觀，缺陷在于實(shí)驗(yàn)控制較難，容易受到環(huán)境因素影響。圖1是復(fù)旦大學(xué)基于人體心率變化的照明非視覺(jué)生物效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線。三種方法各有利弊，但相互印證，盡管實(shí)驗(yàn)考察的應(yīng)變量不同，但照明非視覺(jué)生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)峰值的確從視覺(jué)響應(yīng)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(yīng)光譜響應(yīng)曲線

2 傳統(tǒng)光度學(xué)測(cè)試的不足

在光度學(xué)測(cè)試中，我們通常用光通量Ф(單位:lm)來(lái)表征光量的多少，光通量是指單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小，光通量是說(shuō)明光源發(fā)光能力的基本量，見(jiàn)式 (1)。

其中，Ф為光通量;P(λ)為絕對(duì)光譜能量分布;V(λ)明視覺(jué)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(jué)條件下，V(λ)的最大值Km為683 lm/W(當(dāng)λ=555nm時(shí))。由于人眼對(duì)各種不同波長(zhǎng)的光的相對(duì)敏感度是不一樣的，照明光源所輻射的能量轉(zhuǎn)換為光度量應(yīng)根據(jù)V(λ)進(jìn)行分配“權(quán)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(shí)現(xiàn)了同時(shí)考慮輻射能量和考慮人眼作用后對(duì)照明特性的度量。

光通量一般是用來(lái)描述發(fā)光體性能指標(biāo)的參數(shù)，由光通量引出與其相對(duì)應(yīng)的光度學(xué)參數(shù)光強(qiáng)I(單位:cd)和亮度L(cd/m2)與光通量一樣，其實(shí)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(xué)參數(shù)，在照明光環(huán)境的評(píng)價(jià)中常常被誤用或混用。真正用于實(shí)際評(píng)價(jià)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(lái)考察，光通量單位流明 (lm)相當(dāng)于功率(W)，而照度單位勒克斯 (lx)相當(dāng)于功率密度(W/m2)，這些光參數(shù)均沒(méi)有與時(shí)間相關(guān)的參量，都是描述單位時(shí)間的物理量。由于照明的非視覺(jué)生物效應(yīng)不僅與光照強(qiáng)度、光譜能量分布有關(guān)，同時(shí)還與光照的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，所以傳統(tǒng)照明光度學(xué)測(cè)試內(nèi)容往往不能直接表達(dá)所要測(cè)試的具體光信息。

3 照明非視覺(jué)生物效應(yīng)的光度學(xué)測(cè)試

由于照明非視覺(jué)生物效應(yīng)與光照持續(xù)時(shí)間緊密相關(guān)，應(yīng)使用人眼實(shí)際在某一時(shí)間段內(nèi)接收到的光通量大小來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即應(yīng)該采用光劑量或光劑量密度來(lái)描述，其單位量綱應(yīng)該與能量單位焦耳 (J)相對(duì)應(yīng)，可以用流明·秒，或勒克斯·秒來(lái)表示。人體接收了多少劑量的光，進(jìn)而引起相應(yīng)程度的非視覺(jué)生物效應(yīng)，這不僅從邏輯關(guān)系上更容易被理解，也與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入輸出相匹配。如果我們用D來(lái)表示光劑量，其具體表達(dá)式可以寫成光通量在時(shí)間軸上的積分，見(jiàn)式 (2)。

對(duì)于照明非視覺(jué)生物效應(yīng)作相應(yīng)的光度學(xué)評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)，由于對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離555nm，故而Km的數(shù)值以及能量分配“權(quán)重”函數(shù)也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)響應(yīng)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(jué)生物效應(yīng)評(píng)價(jià)的有效光劑量DB如式 (3)所示。

考慮到與傳統(tǒng)光度學(xué)用以評(píng)價(jià)接受光照的參數(shù)照度對(duì)應(yīng)，可以使用實(shí)際照明光環(huán)境中，人眼位置處的有效光劑量密度來(lái)表示。

為了實(shí)現(xiàn)照明非視覺(jué)生物效應(yīng)的有效光度學(xué)測(cè)試，可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是通過(guò)定時(shí)測(cè)試人眼位置處的照度和光譜值后轉(zhuǎn)換累積求得，具體實(shí)現(xiàn)方式如下，引入B/P值用以評(píng)價(jià)不同照明環(huán)境光譜對(duì)非視覺(jué)生物效應(yīng)的影響，其表達(dá)如式 (4)所示，

其中，P'(λ)為相對(duì)光譜能量分布，為光譜儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其他參數(shù)均為已知量。實(shí)時(shí)測(cè)得照度值E，并計(jì)算該時(shí)刻的B/P值，E乘以B/P值再乘以測(cè)試時(shí)間間隔，即可得到相應(yīng)測(cè)試時(shí)間間隔內(nèi)的有效光劑量密度，累加各測(cè)試時(shí)間間隔內(nèi)的有效光劑量密度值，即可計(jì)算得到在特定的照明環(huán)境下，一定的時(shí)間段內(nèi)，人眼實(shí)際接收到的有效光劑量。

另一種方法可以通過(guò)硬件方式直接測(cè)量，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化照度計(jì)進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，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(fù)旦大學(xué)根據(jù)基于心率變化的光生物效應(yīng)B(λ)函數(shù)的實(shí)際濾光片擬合曲線，擬合優(yōu)度為0.96。

圖2 B(λ)光譜響應(yīng)函數(shù)的濾光片擬合曲線

之后，在光電轉(zhuǎn)換模塊中增加積分電路或計(jì)時(shí)電路，將時(shí)間維度上的光度學(xué)信息通過(guò)累積直接記錄顯示。該方法較前者測(cè)試方法更為便捷、直觀，目前復(fù)旦大學(xué)正在積極研發(fā)樣機(jī)。

4 小結(jié)

照明非視覺(jué)生物效應(yīng)從21世紀(jì)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(jué)生物效應(yīng)，雖然具體的光譜響應(yīng)曲線尚未形成共識(shí)，但根據(jù)已有的研究結(jié)果用以評(píng)價(jià)實(shí)際光環(huán)境的非視覺(jué)生物效應(yīng)卻是必要的?；谡彰鞣且曈X(jué)生物效應(yīng)的特點(diǎn)，建議采用光劑量作為評(píng)價(jià)、檢測(cè)實(shí)際光環(huán)境非視覺(jué)生物效應(yīng)的測(cè)試參數(shù)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)光度學(xué)測(cè)試項(xiàng)目中時(shí)間維度的信息缺失，為綜合評(píng)價(jià)照明光環(huán)境的舒適和健康提供評(píng)判依據(jù)。

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