吳震 楊夏喜 蘇州市產品質量監督檢驗院（蘇州215104）

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

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

袁士東 中國科學院上海技術物理研究所 (上海200083)

張濤 中國科學院上海技術物理研究所 (上海200083)上海科技大學（上海201210）

0 引言

隨著 LED技術的發展，LED照明正在快速替代傳統光源照明，呈現多元化的發展趨勢。人類數億年的進化史決定了人類與自然光是相適應的，當照明光源與自然光差別較大時，會給人的生理、心理健康造成影響[1]。據統計，平均每人有近1/3的時間是生活在燈光下的，可見從光生物安全的角度對照明質量進行評價，建立健康照明的標準，從而更好地指導照明設計是非常必要的。文章對基于光生物安全的照明質量評價方法以及光健康照明方案進行了綜述，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，研究的是光輻射對人類的影響。對光生物健康照明的評價需要在傳統照明的基礎上集合醫學、生物醫學工程、人因學、人工智能等多個學科[2]，研究照明環境對人的生理及心理因素的影響，以達到健康安全的照明方式。北京工業大學的李農等[3]對光生物健康評價體系繪制出了層級模型，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

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

圖1 健康光環境評價體系的馬斯洛層級模型[3]

表1 不同光輻射危害及其產生的光生物效應

由此可見，光輻射對人體的危害作用主要通過光化學和熱輻射兩種途徑。其中，當人體受到熱輻射的作用時，在自我保護的生理機制下，會本能地進行躲避。同時，從對人體產生危害的光輻射波段范圍來說，紫外光、可見光、紅外光都會對人體產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、照度、亮度、頻閃、眩光以及配光曲線都會對人體的健康產生影響[2]。此外，光生物安全與發光源的距離、照射時間、光源光譜、照射部位等都有緊密的關系[5]。

綜上所述，光環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人體產生的光化學危害不容忽視。對光環境的光生物安全健康照明進行評價，降低照明環境對人體的負面影響，從而達到健康照明是目前光生物安全研究的重點課題。

2 光生物健康照明的評價方法

2.1 光生物安全相關標準

光生物安全主要研究光輻射對生物機體的影響。藍光危害是LED照明中公認的對人體有害的因素。根據全球照明協會白皮書 (WhitePaperoftheGLA)的分析，色溫僅為4 000 K的LED，藍光成分數倍于熒光燈和白熾燈，如圖2所示[6]。這是因為如今在LED照明光源中普遍采用藍光激發黃色熒光粉的方法產生白光，由于熒光粉激發不充分，導致了大量藍光的存在。已有研究證明，藍光具有影響人的睡眠、使眼睛內的黃斑區毒素量增高、導致白內障術后的眼底損傷、引發視覺模糊、產生眩光等危害。

圖2 幾種光源的藍光輻亮度比較[6]

全球對藍光危害的檢測標準，逐步從對藍光相關的參數完善到了一整套藍光危害檢測的測量評價方法。各個標準對藍光危害相關的內容見表2[7]。

表2 與藍光危害檢測相關的主要標準內容

這些與藍光危害相關的檢測標準，共同構成了藍光危害測量體系。其內容涵蓋了對光源在200～3 000 nm波長范圍內輻射的生物安全性的評價體系、不同危害等級的光源的使用條件、LED藍光危害的分類測量方案和判別流程、對普通照明用LED產品或照明系統進行光輻射安全的測量方法等。隨著研究的深入，藍光危害檢測標準也在逐漸演進，其測量對象越來越能夠表征實際光環境中的藍光危害。

2.2 光的非視覺效應評價方法

自2002年Brown大學的Berson教授發現本征感光視網膜神經節細胞，照明的非視覺效應受到關注以來，評價照明的非視覺效應的研究開始關注光源對生理參數的影響。

光源對人類生理參數影響的研究從客觀角度出發，通過光刺激實驗記錄被試的某些生理參數變化，從而得出光譜與人的生理參數變化的關系。由于光直接作用于人的皮膚和眼鏡，故而在研究光對人的生理參數的影響時，主要是對眼睛和皮膚的生理參數的檢測。王琪等[8]以四種人體細胞為實驗對象，進行了不同光照強度和光照時長的光生物安全評價試驗。結果表明，試驗用皮膚細胞的光照時長為1 h，眼睛細胞為2 h，輻照強度60 W/m2的情況下，細胞活力差異最顯著，并建立了室內白光LED照明產品的光生物安全評價方法，見表3。

表3 基于細胞層面表征的室內用白光LED光生物安全測試方法[8]

蔣靖才[9]以生理參數的不同類別，把照明的非視覺效應研究分為三類：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的變化。通過實驗案例對三種研究方法的優劣進行了對比，見表4。研究發現所有結果都在短波藍光部分，特別是450～500nm之間產生明顯的非視覺效應。

表4 非視覺效應光譜響應曲線的三種實驗研究方法比較[9]

2.3 評價方法的發展前瞻

以人的生理參數為指標的評價方法，可以直觀地得出光的某種因素對人的一種或幾種生理參數的影響，從人的生理角度評價光源的照明質量。但是，要通過檢測人的生理變化實現基于光生物安全的照明質量評價標準，就需要研究光對人的生理指標的具體影響，從大量的實驗數據中找到影響變化規律，并得出對人的生理指標最優的光參數，要實現這一點還有待后續進一步定量化的數據研究。此外，由于人的肌體是一個復雜的系統，光對人的生理指標的作用是個復雜的過程，單從一種或幾種生理指標的變化得出的照明質量評價的方法不夠全面嚴謹，所以此方法只能通過實驗發現光與人體生理的某些聯系，要對光源進行光生物安全層面的評價還需要更全面的研究方法。

3 特定場景中的健康照明方案

前文所述對人的生理參數的實驗研究，是針對光源的某一參數進行的研究。然而，實際應用中的照明環境是由多個光源組成的更為復雜的光環境，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，從用戶的使用角度對光環境進行評價將更具有實用性。同時，也應考慮為不同照明場景設計不同的照明方案，以保證照明空間的健康、舒適。

3.1 工作場景

已有研究證明，光對人的工作效率有明顯影響。辦公環境是人類日常活動的重要場所，辦公環境的照明質量不僅影響人的生理和心理健康，還對人的工作效率產生影響。對辦公環境的光生物安全評價，不僅有利于人類的身心健康，還具有節能環保的意義。

工作場景的照明環境設計需考慮不同地區自然光條件的差異，重慶大學的吳卒[10]對真實辦公空間的照明質量的評價，選取了東、南、北三個朝向的辦公空間，測量晴天和云天情況下，被試者凝視 A4紙面時的瞳孔數據。試驗涉及了辦公人員的主觀感受、房間朝向、天氣、空氣濕度風速以及基本的照明環境的光參數，通過對辦公人員的心理感受、生理反應、瞳孔大小的分析，得出了瞳孔變化在一定的色溫區間與光生物效應下呈現規律性變化關系的結論，提出了辦公空間需根據不同緯度、不同氣候的地區光照時間與色溫的差異，調節建筑的采光設計方案，利用智能照明對辦公空間進行補光。

牛萍娟[11]通過實驗證明，照度和色溫會對工作效率產生影響。實驗用幾種特定的色溫和照度下的照明環境，測試學習效率、雙眼調節力和生理指標，同時結合主觀評價，得出適宜工作和學習的最佳照度和色溫為500 lx、4 500 K的結論。

3.2 家居場景

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

同濟大學陳堯東等[12]指出了不同色調起居室的環境滿意度，以及用戶對色溫、光源的視覺偏好。實驗結果顯示，彩色色調的居室光照環境比中性色調有更高的環境滿意度，其中彩色色調起居室中，對4000K LED和CFL的照明場景滿意度最高，而中性色調起居室中，對2700K的CFL照明場景滿意度最高。此外，陳堯東[13]還驗證了色溫與被試對空間的主觀感受的相關性在數理統計上顯著(P=0.001)。結果表明，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空間主觀感受相關性不顯著。這對起居室的照明設計中亮度和色溫的控制提供了理論基礎。

3.3 醫療場景

醫療場景是一個特殊的光環境，合理的照明環境不僅可以提高醫護人員的工作效率，緩解病人的緊張焦慮的情緒，甚至可以對治療起到輔助療愈的作用。

郝洛西[14]結合光照刺激對不同人群的生理節律、心理情感及視覺功效的關系，針對不同年齡的患者設計LED媒體界面替換手術室的吊頂，緩解術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。在重癥監護室調節照度、色溫、光色模擬自然采光，起到調節患者及醫護人員的生理節律的作用，如圖4所示。

圖3 上海第十人民醫院心導管手術室照明改造[14]

圖4 心血管內科ICU空間光照實驗場景[14]

光對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人群無法適應白晝時間變短而出現的季節性情感障礙。郝洛西[15]對極地環境條件下合適的LED光譜能量分布進行探索，研制出可以改善極地環境引起的“越冬綜合癥”等癥狀的照明燈具。

此外，光的療愈作用還體現在美容光療領域，例如利用590nm波長增強人體膠原蛋白功效達到祛皺效果，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，作業人員的工作時間較長，且活動空間封閉單調，自然光照缺乏，因此這些場景下的照明方式對作業人員的生理和心理有著非常重要的影響。

中國空間技術研究院載人航天總體部的張天湘等[17]參考國際空間站照明標準及國際照明委員會關于室內工作場所照明標準，認為照度水平、光源布局和光色特性指標對人體感官影響較大，由此提出了一種可以應用于空間站艙內LED情景照明的方案，見表5。該系統可覆蓋2700～6000K的可變色溫，具有0～100%的調光性能，顯色指數82～85，且能夠模擬晝夜節律，滿足航天員在不同任務和場景下的照明要求。實驗結果表明，該情景照明與機械調光的中性白照明系統相比，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效能。

表5 一種空間站艙內LED情景照明方案[16]

3.5 小結

場景化的光生物安全評估方法，就是根據照明的使用場景需求來調整照明參數。這種方法的優點在于更加貼合光源的使用場景，更加全面地從“光源-環境-人”這一系統的角度全面考慮光生物安全的評價方法，得到的結果更符合真實應用場景，對實際光環境的設計和搭建有更具體的指導價值。但是由于光環境的復雜性，在使用光環境評估的過程中需要全面地考慮各種因素，從而保證評估結果的準確性。目前對光生物安全的場景化評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，總結出場景化光生物安全的評價標準，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。

4 總結與展望

目前，基于光生物安全的LED照明質量評價研究已成為照明質量研究的趨勢，人因照明、健康照明是光生物安全最終要實現的目標。綜合考慮照明的視覺和非視覺效應，健康照明的影響范疇，實質上從滿足視覺作業需求，已經拓展到情緒調節、睡眠質量、環境認知、節律修復等多個方面。因此，健康的照明體系應該更加個性化、多元化、人性化、智能化，滿足復雜多樣的視覺需求。

在提出適用于不同照明場景的健康照明方案的同時，在光生物安全方面的相關標準和評價方法也值得重視。基于光生物安全的LED照明質量評價已經從最初對光源基本光參數的單一評價轉向了對整個光環境、照明場景的評價，從人的工作績效及心理、生理舒適度出發，這將使照明質量評價更加直觀實用。未來對光生物安全的照明評價方法的研究，重點是繼續完善場景化光環境的評估方法，更加精確、具體地評價光環境對人的生理及心理的影響，使LED照明更好地服務于用戶。