面向健康光環(huán)境的生物機(jī)理研究、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用探討

曾珊珊 郭婭 蔡建奇

中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院

隨著人們生活水平的提高和半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代生活中人們對于照明的需求已不止停留在表層的照亮、看清，也不再單純地追求節(jié)能省電，而是更加注重照明產(chǎn)品的光品質(zhì)和健康度。LED的出現(xiàn)，使得我們可以自主設(shè)計所需要的光譜能量分布（SPD）、光強(qiáng)，從而創(chuàng)造出滿足人類需求的光。以人為本的照明——健康照明，也成為了全球關(guān)注的重點(diǎn)，而面向健康光環(huán)境的生物機(jī)理研究則是實(shí)現(xiàn)健康照明的基礎(chǔ)。

1 針對光健康基礎(chǔ)研究的簡要探討

健康照明的研究，聚焦產(chǎn)品對于人的生理和心理的影響，即安全、舒適和健康的問題，其研究基于人體的生理感知，光致人體生物機(jī)理影響是健康照明研究的基礎(chǔ)。

相較于傳統(tǒng)照明，其研究不再僅僅局限于通過以物理性能實(shí)驗(yàn)和物理指標(biāo)檢測研究產(chǎn)品的物理特性，而是在傳統(tǒng)照明基礎(chǔ)上集合了醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、人因?qū)W、人工智能等多學(xué)科跨領(lǐng)域研究，即從人的生理和感知的角度，研究照明產(chǎn)品不同光參數(shù)（亮度、照度、色溫、顯色指數(shù)、峰值光譜、頻閃等）與人體生理指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建物理參數(shù)—人體生理功能參數(shù)互為映射的、能夠有效指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的匹配模型，并通過智能手段實(shí)現(xiàn)滿足人本健康光照需求的健康照明。

光健康研究主要分為兩個方面——光對視覺系統(tǒng)的影響和光對非視覺系統(tǒng)的影響，視覺影響研究主要集中于光對人眼視覺疲勞、眼底損傷以及腦力與認(rèn)知負(fù)荷的影響研究，而非視覺影響研究主要集中于光對褪黑素和生理節(jié)律的影響研究。自20世紀(jì)初，CIE就已開始針對光的視覺影響進(jìn)行研究，但是由于技術(shù)手段的限制，相關(guān)視覺研究基本都是通過主觀評價完成[1]，而光的非視覺影響則始于2002年美國科學(xué)家Berson發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜第三類感光細(xì)胞——視網(wǎng)膜特化感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（ipRGC），該細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)改變了從前人們所認(rèn)為的人眼只存在視覺通道的觀念；光的非視覺通道對人的身體體征、激素分泌以及晝夜節(jié)律都會產(chǎn)生影響；近年來國際上很多國家都已開展了光源對褪黑素及生理節(jié)律影響的研究，已有大量研究成果[2]。目前已明確的對人體產(chǎn)生影響的燈具指標(biāo)包括光譜能量分布、色溫、顯色指數(shù)、照度、亮度、頻閃、眩光及配光曲線，可以將其總結(jié)為三個維度，即能量（光譜能量分布和光強(qiáng)）、空間（光分布）和時間（觀視時長）。針對健康照明的研究也可以從這三個維度展開，具體可總結(jié)為以下四個方面：

（1）研究光譜能量分布與人的視覺、非視覺、腦功能、皮膚及代謝系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，找到滿足人體生理健康需求的“健康光譜”，在此基礎(chǔ)上通過對人體光生物周期的最佳曝光量的研究，確定健康照明的光強(qiáng)需求。

（2）以視覺影響為主要方向，研究漫射、直射、反射、偏振對于照明光環(huán)境的影響，確定可以滿足人眼視覺健康需求的環(huán)境空間光分布的優(yōu)化設(shè)計方案。

（3）研究觀視時長對于眼生理結(jié)構(gòu)的器質(zhì)性影響及繼發(fā)腦功能影響，發(fā)現(xiàn)可滿足人眼的視覺特性且可以有效改善照明對人的“非視覺生物效果”的光強(qiáng)時間變化周期曲線。

（4）基于以上研究，針對不同場景、模式等需求，建立峰值光譜、光分布和時間周期為維度的光生物影響基線模型，實(shí)現(xiàn)以人為本的健康照明。

當(dāng)下國際照明產(chǎn)業(yè)已將光健康研究作為未來研發(fā)的重點(diǎn)，在2016年CIE（國際照明委員會）大會上，CIE發(fā)布了未來十年重點(diǎn)研發(fā)方向，其中3個方向都是屬于光健康范疇，但目前國內(nèi)外在光致人體生物機(jī)理影響的研究方興未艾，我國與國際的研究水平基本處于同步。

2 健康照明國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

談及健康照明的標(biāo)準(zhǔn)，人們很容易將光健康與光安全混為一談，但兩者其實(shí)存在著很大的差異，光生物安全的研究聚焦于光對人體生理影響的臨界閾值，而健康研究的范疇則是涵蓋不超過安全臨界點(diǎn)以下的生理指標(biāo)的變化過程。光生物效應(yīng)是近年來基于人體健康、安全需求而快速發(fā)展的新興技術(shù)領(lǐng)域，ISO、IEC、ITU、CIE、ISA、IEEE等國際多個標(biāo)準(zhǔn)化組織、行業(yè)組織都將光生物效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作作為其未來十年發(fā)展的重要戰(zhàn)略部署[3，4]。

目前國際上已經(jīng)發(fā)布的基于光生物效應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大類：一類是基于光生物安全的標(biāo)準(zhǔn)；另一類是基于光品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。對于第一類光生物安全標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛使用的包括12項（表1），與光品質(zhì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)共計22項（表2）[5]。

表1 光生物安全相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)

表2 光品質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

健康照明的研究是生理過程變化量的研究，需要以大樣本人群的實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，并且其重點(diǎn)是對生理指標(biāo)過程變化的測試、分析和提煉，研發(fā)周期長且實(shí)驗(yàn)難度大，因此目前ISO、CIE尚未正式發(fā)布針對健康照明的方法和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（廣受關(guān)注的ISO 21783《非視覺效應(yīng)影響》也尚處于工作小組草案階段）。

近年來，伴隨LED的廣泛普及，我國健康照明研究快速發(fā)展。2016年，國際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟ISA發(fā)布了由中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院研制的“半導(dǎo)體照明的視覺健康舒適度”系列標(biāo)準(zhǔn)。2019年，中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院針對防藍(lán)光產(chǎn)品制定的《藍(lán)光防護(hù)膜的光健康與光安全應(yīng)用技術(shù)要求》國家標(biāo)準(zhǔn)也正式發(fā)布。同期，針對我國兒童青少年近視率居高不下、不斷攀升，近視低齡化、重度化日益嚴(yán)重的問題，衛(wèi)健委主導(dǎo)研制了《兒童青少年學(xué)習(xí)用品近視防控衛(wèi)生要求》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)均基于人體的光生物效應(yīng)，對產(chǎn)品的物理特性提出了具體應(yīng)用要求。

3 健康光照的應(yīng)用

以半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)為代表的LED照明和新型顯示改變了我們的生活，通過對光的控制，人們實(shí)現(xiàn)了前所未有的特定光環(huán)境的構(gòu)建甚至虛擬環(huán)境構(gòu)成，大大豐富了人類的視覺內(nèi)容，改變了我們傳統(tǒng)的生活；人類處于人造光環(huán)境或直接面對人造光媒體的時間大大增加，也顯著加重了對視覺信息感知和處理的負(fù)擔(dān)[6]。實(shí)現(xiàn)人本健康的照明需要從具體應(yīng)用出發(fā)，從科學(xué)的角度提出構(gòu)建健康照明光環(huán)境的具體指標(biāo)要求。

3.1 滿足視覺健康的讀寫照明要求

滿足視覺健康的讀寫照明要求可參照表3所示，即從照明系統(tǒng)、藍(lán)光防護(hù)、桌面水平照度、桌面水平亮度（入眼亮度）、視覺健康舒適度、照明燈具相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、統(tǒng)一眩光值以及頻閃程度九方面進(jìn)行規(guī)范。

3.2 滿足視覺健康的家居照明要求

3.2.1 家居采光建議

在工業(yè)時代前的千萬年，人類生活在光譜能量分布不斷變化、亮度不停調(diào)整的自然光照環(huán)境中，對這類光環(huán)境的適應(yīng)已刻入我們的基因。同時，充足的自然光有利于我們的身心健康，對抑制近視度數(shù)的增長也能起到積極促進(jìn)作用，因此應(yīng)通過外窗的設(shè)置充分利用自然光資源，為使用者提供一個滿足生理、心理、衛(wèi)生要求的學(xué)習(xí)和居住環(huán)境（表4）。

表3 健康照明指標(biāo)要求

表4 住宅室內(nèi)天然采光標(biāo)準(zhǔn)值

表5 室內(nèi)推薦照度

表6 室內(nèi)照明的色溫舒適度和色表特征

表7 顯示產(chǎn)品使用亮度及適配照度

3.2.2 人工照明建議

室內(nèi)照明場所建議照度參照表5所示，色溫建議參照表6所示，還應(yīng)特別注意不均勻照明導(dǎo)致的視疲勞。在學(xué)生的讀寫作業(yè)空間建議安裝主照明燈具，讀寫作業(yè)面中心照度應(yīng)在500～750lx，照度均勻度大于0.8，讀寫作業(yè)面的中心亮度應(yīng)大于80cd/m2。主照明燈具可考慮非直接照明方式，在主照明燈具不能滿足讀寫作業(yè)的光環(huán)境要求時再考慮將臺燈作為輔助照明，盡量避免青少年讀寫作業(yè)空間僅靠臺燈來維系光環(huán)境[6]。

3.3 滿足視覺健康需求的顯示產(chǎn)品使用建議

屏幕亮度和環(huán)境光之間的差異過大會降低人在使用顯示器時的舒適度，即使用顯示器時周圍環(huán)境過暗或過亮都會導(dǎo)致視覺疲勞的產(chǎn)生，因此在使用顯示產(chǎn)品時一定要保證適宜的環(huán)境光（表7）?？紤]到高亮度可能存在的光安全風(fēng)險，建議觀看顯示產(chǎn)品時應(yīng)選擇400cd/m2以下的亮度。

4 結(jié)語

半導(dǎo)體照明技術(shù)經(jīng)過十多年發(fā)展，已經(jīng)確立了在全球照明領(lǐng)域的主體地位，我國也已成為全球最大的半導(dǎo)體照明生產(chǎn)、應(yīng)用和出口國。光健康的研究不僅能夠解決目前公眾對于LED的疑慮，幫助LED產(chǎn)品進(jìn)行更大幅度的市場滲透，更是代表LED未來發(fā)展的方向——以人為本的照明。

健康照明作為新興研究領(lǐng)域，目前我國與國際領(lǐng)先水平的差距很小。因此，依托我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢、人口基數(shù)優(yōu)勢，通過嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、求真、務(wù)實(shí)的研究，有望在這一新興領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，使得以中國研究成果為核心的光健康標(biāo)準(zhǔn)成為國際共識，讓我國LED產(chǎn)業(yè)在“光健康、智能化”時代實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級、突破發(fā)展瓶頸、占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的目標(biāo)。