健康照明的基礎研究和標準研制的探討

蔡建奇，高 偉，郭 婭，郝文濤，杜 鵬，溫蓉蓉，楊曉祥

(1.中國標準化研究院，北京 100088；2.中關村半導體照明聯合創新重點實驗室，北京 100088；3.北京陽明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.綿陽市質量檢驗所，四川綿陽 621000)

健康照明的基礎研究和標準研制的探討

蔡建奇1，高 偉2，郭 婭1，郝文濤1，杜 鵬3，溫蓉蓉3，楊曉祥4

(1.中國標準化研究院，北京 100088；2.中關村半導體照明聯合創新重點實驗室，北京 100088；3.北京陽明智道光電科技有限公司，北京 100102；4.綿陽市質量檢驗所，四川綿陽 621000)

通過分析健康照明的基礎研究特點，提出了健康照明的5個研發重點，并通過對于現有健康照明國際標準的梳理，分析了我國在健康照明領域實現國際突破的優勢和方法。通過健康照明基礎研究的深化，以及研究成果的標準化應用的推進，我國健康照明的研發有望取得開拓性的進步。

健康照明；光生物影響機理；光生物安全；光品質；標準

引言

伴隨半導體照明技術的快速發展，以LED光源為核心的照明和顯示產品已實現市場的快速普及。如果說在蠟燭、油燈、白熾燈乃至節能燈時代，人類對于光的需求和控制尚且只能以照亮、看清為基礎，那么LED光源的出現則讓我們不需再被動地適應，而可以自主設計各種我們所需要的光譜能量分布(SPD)，調整各種我們所需要的光強，從而自主地創造出滿足我們人類需求的光。正是基于這些技術的實現，以人為本的照明——健康照明成為全球關注的重點，而實現以人為本的照明的基礎就源于光健康的研究。

1 健康照明的基礎研究簡析

傳統照明更多的聚焦于產品的物理性能，而健康照明的研究則是以光對人的影響研究——光致人體生物機理影響為基礎，在傳統照明基礎上集合了醫學、生物醫學工程、人因學、人工智能等多學科跨領域研究，以定量化的光生物影響機理為準繩，利用生理指標與物理指標的匹配模型，通過智能控制的手段設計并實現以人為本的照明。

眼睛、大腦和皮膚是光對人體影響的主要器官，目前已明確的對人體產生影響的燈具指標包括光譜能量分布、色溫、顯色指數、照度、亮度、頻閃、眩光以及配光曲線，根據其對應關系我們認為可以總結為五大研究重點，如下：

其一是光譜能量分布對于人的視覺、非視覺、腦功能、皮膚及代謝系統的關聯機制研究，通過這一研究我們可以精準的研發設計出“健康”光譜，確定有益的色溫變化范圍，匹配適應的顏色質量系統。

其二是在此研究基礎上以日常人體受光照的器官的有效接觸面積為對象，研究人體光生物周期最佳曝光量，通過這一研究我們可以根據人體特點設計出滿足健康需求的、集合了光譜能量分布+色溫+光強等多指標的時間周期變化曲線。

其三是從光的方向性特性出發，以視覺影響為主要方向，研究漫射、直射、反射、偏振對于光環境的影響，從而水平均勻度和垂直均勻度上提升環境空間的光分布，在有效降低眩光的同時滿足人的視覺和腦力負荷需求。

其四是針對頻閃——占空比問題，研究頻閃對于視覺系統和腦功能的影響，確定滿足人體健康需求且兼顧性價比要求的頻閃指標。

其五就是在以上四個方面研究的基礎上，針對不同場景、模式等需求，以光生物機理研究為基礎實現對人體危害最小的光誘導和光脅迫的功能。

想實現這個目標需要以科學、務實的態度，通過大樣本量的人因實驗、動物實驗乃至細胞分子學實驗才能真正有效地解讀出光對人體生物機理的短、中、長期影響。在光致人體生物機理影響的研究方面，事實上國內外在該領域的研究方興未艾，我國的研究與國際基本處于同步水平，這從與健康照明相關的標準研制方面就可以看出。

2 健康照明國內外標準的分析

談及健康照明標準，往往會把光生物安全與光健康進行混淆。事實上安全是臨界閾值點——超過閾值即為危害，所以光生物安全的研究主要聚焦于光對人體生理影響的極限點的研究；而健康則是一個過程量，不超過安全臨界點以下的生理指標的變化過程都是健康研究的范疇，因此它的研究較光生物安全研究更為復雜和艱難。傳統健康照明研究主要通過主觀評價實驗來進行，但是主觀評價實驗在數據重復性、準確性以及溯源性方面的一些缺陷，導致其結果的普適性和可量化功能存在問題。因此伴隨生理指標量測技術的快速進步，以客觀生理指標作為評價依據的健康照明測試方法和標準將逐漸成為主流。

如果將光生物安全納入光健康的范疇，那么健康照明的標準可以大致分為三大類：第一類是基于光生物安全的標準，第二類是基于光品質的標準，第三類則是以生理影響為基礎的健康照明標準。

2.1 光生物安全標準

對于第一類光生物安全標準，目前廣泛使用的標準包括以下12項，見表1。

表1 光生物安全相關國際標準[1]Table1 International standards of photo-biology safety

對于光生物安全的研究始于紫外線對于人眼的光損傷，由于過量紫外線輻射將導致人眼晶狀體渾濁(白內障)，因此在節能燈時代，紫外防護一直是光生物安全研究的重點。21世紀伴隨LED技術的逐漸成熟，LED產品的逐步普及，針對短波長藍光造成人眼視網膜光損傷導致黃斑變性的光生物安全問題逐漸成為重點。國際照明委員會(CIE)于2002年發布了CIE S009 / E：2002《Photobiological safety of lamps and lamp systems》標準。2006 年，IEC/TC76等同采用CIE S 009 / E： 2002 出版了光生物安全標準IEC 62471：2006；2009 年，IEC 出版了IEC /TR 62471-2《Photobiological safety of lamps and lamp systems—Part 2: Guidance on manufacturing requirements relating to non-laser optical radiation safety》，使之與IEC 62471：2006形成一個垂直標準系列。而針對光源和燈具的光生物安全，IEC/TC34出版了技術報告IEC/TR 62778《應用IEC 62471評估光源和燈具的藍光危害》。在LED光源類產品和LED燈具產品安全的IEC標準中，引用了IEC 62778的評價方法[1]。IEC 62471作為目前最為廣泛使用的光生物安全標準，其重要性無需諱言，但是其缺少針對慢性光損傷的內容，而光對人眼長期影響評價模型的問題仍是值得關注和進行繼續研究的，事實上如黃斑變性這種光損傷病癥更多因慢性光損傷導致，即長期非高劑量光照導致，但是目前IEC 62471標準主要針對急性乃至常規時長下的光損傷問題。

2.2 光品質相關標準

2013年，CIE發布了CIE 205:2013《Review of Lighting Quality Measures for Interior Lighting with LED Lighting Systems》，該標準綜合描述了室內LED照明品質的四個主要評價指標：光分布(Light Distribution)、眩光(Glare)、顯色性和顏色偏愛(Colour Rendering and Preference for Colour Appearance)、頻閃(Flicker)。參考前期色溫等標準要求，目前常用的與光品質相關的標準共計22項，見表2[1]。

表2 與光品質相關國際標準

2.3 健康照明標準

在20世紀90年代后期，CIE開始將重點從可見性照明轉換到具有更廣泛定義的照明質量上，包括人類需求、結構整合和經濟約束(包括耗能)等；其中，人類需求包括適于保持良好健康狀況的照明，以及可見性、任務效能、人際溝通和美學欣賞方面的照明。2009年CIE第6分部組織編寫了CIE 158《OCULAR LIGHTING EFFECTS ON HUMAN PHYSIOLOGY AND BEHAVIOUR》(人眼照明對于人體生理和行為的影響)報告，這個報告介紹關于照明對于人類生理、情緒和行為所產生影響的對照實驗和臨床研究[2]。在此基礎上，結合眩光、閃爍以及非視覺效應等問題，2016年，CIE第3分部組織起草了CIE 218《Research Roadmap for Healthful Interior Lighting Applications》報告，并在CIE 158的基礎上總結提出了五個共識和六大問題[3]。

五個共識為：①工業化國家的人們每天接受到的光劑量或許過低；②健康光與健康暗是形影不離的；③生物作用的光應該在非視覺系統最敏感的波段上有較高比例；④考慮光劑量時，最重要的是考慮進入眼睛的光，包括直接來自光源的光也包括周圍物體表面反射的光；⑤光照的時間也會影響光照的作用[1-3]。

六大問題分別為：①過程(包含即時作用、神經生理學、視網膜敏感度和其他)；②日常模式(包含幅度、頻率和兩者結合)；③長周期影響；④常規應用(包含光源與設計)；⑤特殊應用(輪班制工作)；⑥個體差異(包含年齡、疾病、視覺缺陷、壓力源和其他)[1-3]。

參考以上兩個報告，我們可以發現目前國際上尚沒有正式發布的健康標準，究其原因主要因為健康照明的研究是生理過程變化量的研究，需要以大人群樣本的實驗研究為基礎，并且其重點是對生理指標過程變化的測試和分析和提煉，這大大加劇了健康照明研究的研發周期和實驗難度，以目前廣受關注的非視覺影響——光照對于人體生理節律影響的研究為例，自2001年Brainard等人通過人因實驗發現光致褪黑素影響以來，目前被引為經典的生理節律曲線的褪黑素人因實驗總樣本量不足150人：2001年Brainard的人因實驗樣本數為72人(35男37女)[4]，同年K. Thapan 人因實驗樣本數22人(18男4女)[5]，2005年Cajochen人因實驗樣本數10人(10男)[6]，2008年Brainard的人因實驗樣本數26人(12男14女)[7]，低樣本導致其結果的局限性，而標準的重要原則就是普適性，這也就是目前健康照明標準難產的主要原因之一。

近年來，伴隨LED照明的廣泛普及，我國健康照明研究快速發展，在光品質領域，浙江大學羅明教授團隊、復旦大學林燕丹教授團隊正在全面參與顏色評價體系和眩光評價的標準研制工作；在光生物安全領域，浙江大學牟同升教授團隊也參與了多項國際標準的研制；而在視覺領域，中國標準化研究院視覺健康與安全防護實驗室經過7年近10 000人的人因生理實驗，提出了通過人眼基礎屈光、人眼角膜曲率、人眼眼軸長度、人眼高階像差、光學傳遞函數、人眼睫狀肌調節聚集調節比6個生理指標定量評價照明對人眼視覺疲勞影響的視覺舒適度評價方法和指標——VICO，以及聯合溫州醫科大學金子兵教授團隊通過細胞分子學利用體外培植的人眼視網膜細胞量化評價短、中、長期光損傷的細胞活力評價模型——CV模型。目前基于以上研究所形成的照明產品視覺健康舒適度評價方法已先后在ISO TC 274(光和照明)完成2次專題報告，獲得國際業界的認可，并在2017年10月CIE中期會議期間在CIE第6分部完成了項目報告，有望在2018年完成該系列標準的立項工作。

3 總結和展望

健康照明作為一個新興的研究領域，目前我國的研究水平與國際先進水平的差距微乎其微，而通過我國科研工作者的不斷努力，我國有望在這一領域實現“彎道超車”，這主要基于以下兩點的考慮：

第一，健康照明跨學科研究的特點導致國外研究者很難組織跨學科優勢力量進行科研攻關，而我國目前已立項并啟動了“十三五”國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料專項——面向健康照明的光生物機理及應用研究項目”，項目成員單位包括中國標準化研究院、中國科學院蘇州生物醫學工程研究所、溫州醫科大學、復旦大學、浙江大學、同濟大學、中國科學院半導體所、中關村半導體照明聯合創新重點實驗室等16家頂級研發和產業化機構，以國家級科研項目為平臺集中跨領域、跨學科優勢資源針對健康照明進行科研攻關。

第二，由于健康照明的研究需要通過大人群樣本的人因生理實驗來實現，而其他國家受其人口基數和法律限制很難完成這項工作，而我國十幾億的人口基數所產生的人口紅利則為我們健康照明的研究提供了極大的便利。

基于以上內容，通過嚴謹、科學、求真、務實的研究，我國健康照明的研究將更上一層樓，我們的健康照明將逐步實現我們的希望——降低視覺疲勞、抑制近視、防止眼底損傷、調整生理節律、減緩皮膚老化、提升鈣質吸收、改善代謝循環等各種以人為本的光照需求。

[1] 國家半導體照明工程研發及產業聯盟.健康照明標準進展報告[R].CSA TR 007.2017.

[2] CIE.OCULAR LIGHTING EFFECTS ON HUMAN PHYSIOLOGY AND BEHAVIOUR.CIE 158, 2009.

[3] CIE.Research Roadmap for Healthful Interior Lighting Applications.CIE 218, 2016.

[4] BRAINARD G C, et al. Action Spectrum for Melatonin Regulation in Humans: Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor. The Journal of Neuroscience, 2001, 21(16):6405-6412.

[5] THAPAN K, et al. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. Journal of Physiology. 2001, 535(1): 261-267.

[6] CAJOCHEN C, et al. High Sensitivity of Human Melatonin, Alertness, Thermoregulation, and Heart Rate to Short Wavelength Light. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism,2005, 90(3):1311-1316.

[7] BRAINARD G C, et al.Sensitivity of the human circadian system to short wavelength (420 nm) light. Journal of Biological Rhythms, 2008, 23 (5): 379-386 .

DiscussionontheFundamentalResearchandStandardDevelopingofHealthyLighting

CAI Jianqi1, GAO Wei2, GUO Ya1, HAO Wentao1, DU Peng3, WEN Rongrong3, YANG Xiaoxiang3
(1.ChinaNationalInstituteofStandardization,Beijing100088,China;2.StateKeyLaboratoryofSemiconductorLightingJointInnovation,Beijing100088,China; 3.BeijingYangMingZhiDaoPhotoelectricScienceandTechnologyCo.,Ltd,Beijing100102,China;4.MianyangInstituteofQualityInspection,Mianyang621000,China)

In the paper, five keys of healthy lighting research and development are proposed by analyzing the features of healthy lighting research. In addition, advantages and methods of China in healthy lighting are also analyzed by the investigation of international standards on photo-biology safety, lighting quality and healthy lighting. With the deepening of fundamental research and the prompting of standardization, the research and development of healthy lighting in China is expected to make progress.

healthy lighting; light-induced biological effect mechanism; photo-biology safety; lighting quality; standards

國家重點研發計劃資助(項目編號：2017YFB0403700)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.004

上海實施景觀照明新規

2017年10月9日，《上海市景觀照明總體規劃》(以下簡稱《規劃》)公布實施，這也是上海首次編制全市域的景觀照明專項規劃。《規劃》明確了全市范圍景觀照明發展的核心區域、重要區域、發展區域、一般區域及禁設區域，提出了禁止性、控制性和限制性要求。

《規劃》提及，禁止使用嚴重影響植物生長的景觀照明設施;禁止設置影響園林、古建筑等自然和歷史文化遺產保護的景觀照明設施;禁止在國家公園、自然保護區、天文臺所在地區設置景觀照明設施等。

另外，《規劃》還提出上海景觀照明“控制總量、優化存量、適度發展”的發展理念。相關部門將通過外觀改造、光源調整的方式，使外灘、陸家嘴、北外灘地區，成為三幅和諧、又有個性差別的美麗畫卷。

此次《規劃》以上海市總體規劃及上海特有的人文、地域特色為基礎，統籌夜景布局、亮度、色溫、動態照明、彩光應用、光污染控制等涉及景觀照明品質全方位因素，通過專業化、系統化的統籌，建立了上海景觀照明規劃體系，不但填補了上海沒有景觀照明規劃的空白，并且規劃內容的很多方面在全國是首創，為上海景觀照明未來健康發展奠定了基礎。