基于光健康的LED照明質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及照明方案綜述

吳震 楊夏喜 蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院（蘇州215104）

席天陽 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所常州中心常州光電技術(shù)研究所（常州213000）

郭瑋宏 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 (上海200083)中國科學(xué)院大學(xué) (北京100049)

袁士東 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 (上海200083)

張濤 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 (上海200083)上?？萍即髮W(xué)（上海201210）

0 引言

隨著 LED技術(shù)的發(fā)展，LED照明正在快速替代傳統(tǒng)光源照明，呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。人類數(shù)億年的進(jìn)化史決定了人類與自然光是相適應(yīng)的，當(dāng)照明光源與自然光差別較大時(shí)，會(huì)給人的生理、心理健康造成影響[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每人有近1/3的時(shí)間是生活在燈光下的，可見從光生物安全的角度對(duì)照明質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立健康照明的標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地指導(dǎo)照明設(shè)計(jì)是非常必要的。文章對(duì)基于光生物安全的照明質(zhì)量評(píng)價(jià)方法以及光健康照明方案進(jìn)行了綜述，并展望了未來健康照明的研究方向。

1 光健康照明

1.1 光健康照明的含義

光生物健康照明，研究的是光輻射對(duì)人類的影響。對(duì)光生物健康照明的評(píng)價(jià)需要在傳統(tǒng)照明的基礎(chǔ)上集合醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、人因?qū)W、人工智能等多個(gè)學(xué)科[2]，研究照明環(huán)境對(duì)人的生理及心理因素的影響，以達(dá)到健康安全的照明方式。北京工業(yè)大學(xué)的李農(nóng)等[3]對(duì)光生物健康評(píng)價(jià)體系繪制出了層級(jí)模型，形象地表述了光生物健康照明的含義，如圖1所示。

1.2 光健康照明的影響因素

光輻射對(duì)人體的危害，主要是對(duì)人體皮膚危害、對(duì)人體眼睛前表面危害、以及對(duì)人體視網(wǎng)膜危害三種[4]。不同光輻射危害及其產(chǎn)生的光生物效應(yīng)見表1。

圖1 健康光環(huán)境評(píng)價(jià)體系的馬斯洛層級(jí)模型[3]

表1 不同光輻射危害及其產(chǎn)生的光生物效應(yīng)

由此可見，光輻射對(duì)人體的危害作用主要通過光化學(xué)和熱輻射兩種途徑。其中，當(dāng)人體受到熱輻射的作用時(shí)，在自我保護(hù)的生理機(jī)制下，會(huì)本能地進(jìn)行躲避。同時(shí)，從對(duì)人體產(chǎn)生危害的光輻射波段范圍來說，紫外光、可見光、紅外光都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生光生物安全角度的影響。此外，目前已知光譜能量分布、色溫、顯色指數(shù)、照度、亮度、頻閃、眩光以及配光曲線都會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生影響[2]。此外，光生物安全與發(fā)光源的距離、照射時(shí)間、光源光譜、照射部位等都有緊密的關(guān)系[5]。

綜上所述，光環(huán)境中存在的可見光及紅外、紫外光，都可影響人類的生理及心理健康，尤其日常生活中人類大量接觸的可見光波段對(duì)人體產(chǎn)生的光化學(xué)危害不容忽視。對(duì)光環(huán)境的光生物安全健康照明進(jìn)行評(píng)價(jià)，降低照明環(huán)境對(duì)人體的負(fù)面影響，從而達(dá)到健康照明是目前光生物安全研究的重點(diǎn)課題。

2 光生物健康照明的評(píng)價(jià)方法

2.1 光生物安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

光生物安全主要研究光輻射對(duì)生物機(jī)體的影響。藍(lán)光危害是LED照明中公認(rèn)的對(duì)人體有害的因素。根據(jù)全球照明協(xié)會(huì)白皮書 (WhitePaperoftheGLA)的分析，色溫僅為4 000 K的LED，藍(lán)光成分?jǐn)?shù)倍于熒光燈和白熾燈，如圖2所示[6]。這是因?yàn)槿缃裨贚ED照明光源中普遍采用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉的方法產(chǎn)生白光，由于熒光粉激發(fā)不充分，導(dǎo)致了大量藍(lán)光的存在。已有研究證明，藍(lán)光具有影響人的睡眠、使眼睛內(nèi)的黃斑區(qū)毒素量增高、導(dǎo)致白內(nèi)障術(shù)后的眼底損傷、引發(fā)視覺模糊、產(chǎn)生眩光等危害。

圖2 幾種光源的藍(lán)光輻亮度比較[6]

全球?qū)λ{(lán)光危害的檢測標(biāo)準(zhǔn)，逐步從對(duì)藍(lán)光相關(guān)的參數(shù)完善到了一整套藍(lán)光危害檢測的測量評(píng)價(jià)方法。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)藍(lán)光危害相關(guān)的內(nèi)容見表2[7]。

表2 與藍(lán)光危害檢測相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

這些與藍(lán)光危害相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，共同構(gòu)成了藍(lán)光危害測量體系。其內(nèi)容涵蓋了對(duì)光源在200～3 000 nm波長范圍內(nèi)輻射的生物安全性的評(píng)價(jià)體系、不同危害等級(jí)的光源的使用條件、LED藍(lán)光危害的分類測量方案和判別流程、對(duì)普通照明用LED產(chǎn)品或照明系統(tǒng)進(jìn)行光輻射安全的測量方法等。隨著研究的深入，藍(lán)光危害檢測標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸演進(jìn)，其測量對(duì)象越來越能夠表征實(shí)際光環(huán)境中的藍(lán)光危害。

2.2 光的非視覺效應(yīng)評(píng)價(jià)方法

自2002年Brown大學(xué)的Berson教授發(fā)現(xiàn)本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，照明的非視覺效應(yīng)受到關(guān)注以來，評(píng)價(jià)照明的非視覺效應(yīng)的研究開始關(guān)注光源對(duì)生理參數(shù)的影響。

光源對(duì)人類生理參數(shù)影響的研究從客觀角度出發(fā)，通過光刺激實(shí)驗(yàn)記錄被試的某些生理參數(shù)變化，從而得出光譜與人的生理參數(shù)變化的關(guān)系。由于光直接作用于人的皮膚和眼鏡，故而在研究光對(duì)人的生理參數(shù)的影響時(shí)，主要是對(duì)眼睛和皮膚的生理參數(shù)的檢測。王琪等[8]以四種人體細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了不同光照強(qiáng)度和光照時(shí)長的光生物安全評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)用皮膚細(xì)胞的光照時(shí)長為1 h，眼睛細(xì)胞為2 h，輻照強(qiáng)度60 W/m2的情況下，細(xì)胞活力差異最顯著，并建立了室內(nèi)白光LED照明產(chǎn)品的光生物安全評(píng)價(jià)方法，見表3。

表3 基于細(xì)胞層面表征的室內(nèi)用白光LED光生物安全測試方法[8]

蔣靖才[9]以生理參數(shù)的不同類別，把照明的非視覺效應(yīng)研究分為三類：基于褪黑素的抑制作用、瞳孔大小的改變和人體其他生理參數(shù)的變化。通過實(shí)驗(yàn)案例對(duì)三種研究方法的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比，見表4。研究發(fā)現(xiàn)所有結(jié)果都在短波藍(lán)光部分，特別是450～500nm之間產(chǎn)生明顯的非視覺效應(yīng)。

表4 非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線的三種實(shí)驗(yàn)研究方法比較[9]

2.3 評(píng)價(jià)方法的發(fā)展前瞻

以人的生理參數(shù)為指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，可以直觀地得出光的某種因素對(duì)人的一種或幾種生理參數(shù)的影響，從人的生理角度評(píng)價(jià)光源的照明質(zhì)量。但是，要通過檢測人的生理變化實(shí)現(xiàn)基于光生物安全的照明質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，就需要研究光對(duì)人的生理指標(biāo)的具體影響，從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找到影響變化規(guī)律，并得出對(duì)人的生理指標(biāo)最優(yōu)的光參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)還有待后續(xù)進(jìn)一步定量化的數(shù)據(jù)研究。此外，由于人的肌體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，光對(duì)人的生理指標(biāo)的作用是個(gè)復(fù)雜的過程，單從一種或幾種生理指標(biāo)的變化得出的照明質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法不夠全面嚴(yán)謹(jǐn)，所以此方法只能通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光與人體生理的某些聯(lián)系，要對(duì)光源進(jìn)行光生物安全層面的評(píng)價(jià)還需要更全面的研究方法。

3 特定場景中的健康照明方案

前文所述對(duì)人的生理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，是針對(duì)光源的某一參數(shù)進(jìn)行的研究。然而，實(shí)際應(yīng)用中的照明環(huán)境是由多個(gè)光源組成的更為復(fù)雜的光環(huán)境，且不同場景有著不同的使用功能和使用人群，因此，從特定的場景出發(fā)，從用戶的使用角度對(duì)光環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)將更具有實(shí)用性。同時(shí)，也應(yīng)考慮為不同照明場景設(shè)計(jì)不同的照明方案，以保證照明空間的健康、舒適。

3.1 工作場景

已有研究證明，光對(duì)人的工作效率有明顯影響。辦公環(huán)境是人類日?；顒?dòng)的重要場所，辦公環(huán)境的照明質(zhì)量不僅影響人的生理和心理健康，還對(duì)人的工作效率產(chǎn)生影響。對(duì)辦公環(huán)境的光生物安全評(píng)價(jià)，不僅有利于人類的身心健康，還具有節(jié)能環(huán)保的意義。

工作場景的照明環(huán)境設(shè)計(jì)需考慮不同地區(qū)自然光條件的差異，重慶大學(xué)的吳卒[10]對(duì)真實(shí)辦公空間的照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)，選取了東、南、北三個(gè)朝向的辦公空間，測量晴天和云天情況下，被試者凝視 A4紙面時(shí)的瞳孔數(shù)據(jù)。試驗(yàn)涉及了辦公人員的主觀感受、房間朝向、天氣、空氣濕度風(fēng)速以及基本的照明環(huán)境的光參數(shù)，通過對(duì)辦公人員的心理感受、生理反應(yīng)、瞳孔大小的分析，得出了瞳孔變化在一定的色溫區(qū)間與光生物效應(yīng)下呈現(xiàn)規(guī)律性變化關(guān)系的結(jié)論，提出了辦公空間需根據(jù)不同緯度、不同氣候的地區(qū)光照時(shí)間與色溫的差異，調(diào)節(jié)建筑的采光設(shè)計(jì)方案，利用智能照明對(duì)辦公空間進(jìn)行補(bǔ)光。

牛萍娟[11]通過實(shí)驗(yàn)證明，照度和色溫會(huì)對(duì)工作效率產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)用幾種特定的色溫和照度下的照明環(huán)境，測試學(xué)習(xí)效率、雙眼調(diào)節(jié)力和生理指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，得出適宜工作和學(xué)習(xí)的最佳照度和色溫為500 lx、4 500 K的結(jié)論。

3.2 家居場景

人的一生中有超過一半的時(shí)間在居室中度過，不合理的室內(nèi)光照不僅會(huì)引起生理上的疲勞不適，還會(huì)引起心理的緊張壓抑等，因此，居室照明環(huán)境的光生物安全尤為重要。

同濟(jì)大學(xué)陳堯東等[12]指出了不同色調(diào)起居室的環(huán)境滿意度，以及用戶對(duì)色溫、光源的視覺偏好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，彩色色調(diào)的居室光照環(huán)境比中性色調(diào)有更高的環(huán)境滿意度，其中彩色色調(diào)起居室中，對(duì)4000K LED和CFL的照明場景滿意度最高，而中性色調(diào)起居室中，對(duì)2700K的CFL照明場景滿意度最高。此外，陳堯東[13]還驗(yàn)證了色溫與被試對(duì)空間的主觀感受的相關(guān)性在數(shù)理統(tǒng)計(jì)上顯著(P=0.001)。結(jié)果表明，在相同照度和光分布條件下，4 000 K的照明場景比2700K的場景主觀感受亮度更高，而光源顯色性與被試對(duì)空間主觀感受相關(guān)性不顯著。這對(duì)起居室的照明設(shè)計(jì)中亮度和色溫的控制提供了理論基礎(chǔ)。

3.3 醫(yī)療場景

醫(yī)療場景是一個(gè)特殊的光環(huán)境，合理的照明環(huán)境不僅可以提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，緩解病人的緊張焦慮的情緒，甚至可以對(duì)治療起到輔助療愈的作用。

郝洛西[14]結(jié)合光照刺激對(duì)不同人群的生理節(jié)律、心理情感及視覺功效的關(guān)系，針對(duì)不同年齡的患者設(shè)計(jì)LED媒體界面替換手術(shù)室的吊頂，緩解術(shù)中局部麻醉患者緊張恐懼的心情，起到避免患者昏迷的輔助作用，如圖3所示。在重癥監(jiān)護(hù)室調(diào)節(jié)照度、色溫、光色模擬自然采光，起到調(diào)節(jié)患者及醫(yī)護(hù)人員的生理節(jié)律的作用，如圖4所示。

圖3 上海第十人民醫(yī)院心導(dǎo)管手術(shù)室照明改造[14]

圖4 心血管內(nèi)科ICU空間光照實(shí)驗(yàn)場景[14]

光對(duì)睡眠及心理健康起到一定的療愈作用，利用光照模擬夏季光照可以治療高緯度地區(qū)人群無法適應(yīng)白晝時(shí)間變短而出現(xiàn)的季節(jié)性情感障礙。郝洛西[15]對(duì)極地環(huán)境條件下合適的LED光譜能量分布進(jìn)行探索，研制出可以改善極地環(huán)境引起的“越冬綜合癥”等癥狀的照明燈具。

此外，光的療愈作用還體現(xiàn)在美容光療領(lǐng)域，例如利用590nm波長增強(qiáng)人體膠原蛋白功效達(dá)到祛皺效果，利用525 nm波長分解皮膚中的黑色素等[16]。

3.4 封閉空間

在航空航天、船舶潛艇等工作場景中，作業(yè)人員的工作時(shí)間較長，且活動(dòng)空間封閉單調(diào)，自然光照缺乏，因此這些場景下的照明方式對(duì)作業(yè)人員的生理和心理有著非常重要的影響。

中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部的張?zhí)煜娴萚17]參考國際空間站照明標(biāo)準(zhǔn)及國際照明委員會(huì)關(guān)于室內(nèi)工作場所照明標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為照度水平、光源布局和光色特性指標(biāo)對(duì)人體感官影響較大，由此提出了一種可以應(yīng)用于空間站艙內(nèi)LED情景照明的方案，見表5。該系統(tǒng)可覆蓋2700～6000K的可變色溫，具有0～100%的調(diào)光性能，顯色指數(shù)82～85，且能夠模擬晝夜節(jié)律，滿足航天員在不同任務(wù)和場景下的照明要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該情景照明與機(jī)械調(diào)光的中性白照明系統(tǒng)相比，更符合人體生理和心理需求，從而提高航天員的舒適度及任務(wù)效能。

表5 一種空間站艙內(nèi)LED情景照明方案[16]

3.5 小結(jié)

場景化的光生物安全評(píng)估方法，就是根據(jù)照明的使用場景需求來調(diào)整照明參數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于更加貼合光源的使用場景，更加全面地從“光源-環(huán)境-人”這一系統(tǒng)的角度全面考慮光生物安全的評(píng)價(jià)方法，得到的結(jié)果更符合真實(shí)應(yīng)用場景，對(duì)實(shí)際光環(huán)境的設(shè)計(jì)和搭建有更具體的指導(dǎo)價(jià)值。但是由于光環(huán)境的復(fù)雜性，在使用光環(huán)境評(píng)估的過程中需要全面地考慮各種因素，從而保證評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前對(duì)光生物安全的場景化評(píng)估方法所研究的場景種類還不夠全面，所以，通過大量的研究，總結(jié)出場景化光生物安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而得出適用于更多種類的場景照明方案，是接下來研究的重點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

目前，基于光生物安全的LED照明質(zhì)量評(píng)價(jià)研究已成為照明質(zhì)量研究的趨勢(shì)，人因照明、健康照明是光生物安全最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。綜合考慮照明的視覺和非視覺效應(yīng)，健康照明的影響范疇，實(shí)質(zhì)上從滿足視覺作業(yè)需求，已經(jīng)拓展到情緒調(diào)節(jié)、睡眠質(zhì)量、環(huán)境認(rèn)知、節(jié)律修復(fù)等多個(gè)方面。因此，健康的照明體系應(yīng)該更加個(gè)性化、多元化、人性化、智能化，滿足復(fù)雜多樣的視覺需求。

在提出適用于不同照明場景的健康照明方案的同時(shí)，在光生物安全方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法也值得重視。基于光生物安全的LED照明質(zhì)量評(píng)價(jià)已經(jīng)從最初對(duì)光源基本光參數(shù)的單一評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向了對(duì)整個(gè)光環(huán)境、照明場景的評(píng)價(jià)，從人的工作績效及心理、生理舒適度出發(fā)，這將使照明質(zhì)量評(píng)價(jià)更加直觀實(shí)用。未來對(duì)光生物安全的照明評(píng)價(jià)方法的研究，重點(diǎn)是繼續(xù)完善場景化光環(huán)境的評(píng)估方法，更加精確、具體地評(píng)價(jià)光環(huán)境對(duì)人的生理及心理的影響，使LED照明更好地服務(wù)于用戶。