健康照明的基础研究和标准研制的探讨

蔡建奇，高 伟，郭 娅，郝文涛，杜 鹏，温蓉蓉，杨晓祥

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.中关村半导体照明联合创新重点实验室，北京 100088；3.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；4.绵阳市质量检验所，四川绵阳 621000)

健康照明的基础研究和标准研制的探讨

蔡建奇1，高 伟2，郭 娅1，郝文涛1，杜 鹏3，温蓉蓉3，杨晓祥4

(1.中国标准化研究院，北京 100088；2.中关村半导体照明联合创新重点实验室，北京 100088；3.北京阳明智道光电科技有限公司，北京 100102；4.绵阳市质量检验所，四川绵阳 621000)

通过分析健康照明的基础研究特点，提出了健康照明的5个研发重点，并通过对于现有健康照明国际标准的梳理，分析了我国在健康照明领域实现国际突破的优势和方法。通过健康照明基础研究的深化，以及研究成果的标准化应用的推进，我国健康照明的研发有望取得开拓性的进步。

健康照明；光生物影响机理；光生物安全；光品质；标准

引言

伴随半导体照明技术的快速发展，以LED光源为核心的照明和显示产品已实现市场的快速普及。如果说在蜡烛、油灯、白炽灯乃至节能灯时代，人类对于光的需求和控制尚且只能以照亮、看清为基础，那么LED光源的出现则让我们不需再被动地适应，而可以自主设计各种我们所需要的光谱能量分布(SPD)，调整各种我们所需要的光强，从而自主地创造出满足我们人类需求的光。正是基于这些技术的实现，以人为本的照明——健康照明成为全球关注的重点，而实现以人为本的照明的基础就源于光健康的研究。

1 健康照明的基础研究简析

传统照明更多的聚焦于产品的物理性能，而健康照明的研究则是以光对人的影响研究——光致人体生物机理影响为基础，在传统照明基础上集合了医学、生物医学工程、人因学、人工智能等多学科跨领域研究，以定量化的光生物影响机理为准绳，利用生理指标与物理指标的匹配模型，通过智能控制的手段设计并实现以人为本的照明。

眼睛、大脑和皮肤是光对人体影响的主要器官，目前已明确的对人体产生影响的灯具指标包括光谱能量分布、色温、显色指数、照度、亮度、频闪、眩光以及配光曲线，根据其对应关系我们认为可以总结为五大研究重点，如下：

其一是光谱能量分布对于人的视觉、非视觉、脑功能、皮肤及代谢系统的关联机制研究，通过这一研究我们可以精准的研发设计出“健康”光谱，确定有益的色温变化范围，匹配适应的颜色质量系统。

其二是在此研究基础上以日常人体受光照的器官的有效接触面积为对象，研究人体光生物周期最佳曝光量，通过这一研究我们可以根据人体特点设计出满足健康需求的、集合了光谱能量分布+色温+光强等多指标的时间周期变化曲线。

其三是从光的方向性特性出发，以视觉影响为主要方向，研究漫射、直射、反射、偏振对于光环境的影响，从而水平均匀度和垂直均匀度上提升环境空间的光分布，在有效降低眩光的同时满足人的视觉和脑力负荷需求。

其四是针对频闪——占空比问题，研究频闪对于视觉系统和脑功能的影响，确定满足人体健康需求且兼顾性价比要求的频闪指标。

其五就是在以上四个方面研究的基础上，针对不同场景、模式等需求，以光生物机理研究为基础实现对人体危害最小的光诱导和光胁迫的功能。

想实现这个目标需要以科学、务实的态度，通过大样本量的人因实验、动物实验乃至细胞分子学实验才能真正有效地解读出光对人体生物机理的短、中、长期影响。在光致人体生物机理影响的研究方面，事实上国内外在该领域的研究方兴未艾，我国的研究与国际基本处于同步水平，这从与健康照明相关的标准研制方面就可以看出。

2 健康照明国内外标准的分析

谈及健康照明标准，往往会把光生物安全与光健康进行混淆。事实上安全是临界阈值点——超过阈值即为危害，所以光生物安全的研究主要聚焦于光对人体生理影响的极限点的研究；而健康则是一个过程量，不超过安全临界点以下的生理指标的变化过程都是健康研究的范畴，因此它的研究较光生物安全研究更为复杂和艰难。传统健康照明研究主要通过主观评价实验来进行，但是主观评价实验在数据重复性、准确性以及溯源性方面的一些缺陷，导致其结果的普适性和可量化功能存在问题。因此伴随生理指标量测技术的快速进步，以客观生理指标作为评价依据的健康照明测试方法和标准将逐渐成为主流。

如果将光生物安全纳入光健康的范畴，那么健康照明的标准可以大致分为三大类：第一类是基于光生物安全的标准，第二类是基于光品质的标准，第三类则是以生理影响为基础的健康照明标准。

2.1 光生物安全标准

对于第一类光生物安全标准，目前广泛使用的标准包括以下12项，见表1。

表1 光生物安全相关国际标准[1]Table1 International standards of photo-biology safety

对于光生物安全的研究始于紫外线对于人眼的光损伤，由于过量紫外线辐射将导致人眼晶状体浑浊(白内障)，因此在节能灯时代，紫外防护一直是光生物安全研究的重点。21世纪伴随LED技术的逐渐成熟，LED产品的逐步普及，针对短波长蓝光造成人眼视网膜光损伤导致黄斑变性的光生物安全问题逐渐成为重点。国际照明委员会(CIE)于2002年发布了CIE S009 / E：2002《Photobiological safety of lamps and lamp systems》标准。2006 年，IEC/TC76等同采用CIE S 009 / E： 2002 出版了光生物安全标准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》，使之与IEC 62471：2006形成一个垂直标准系列。而针对光源和灯具的光生物安全，IEC/TC34出版了技术报告IEC/TR 62778《应用IEC 62471评估光源和灯具的蓝光危害》。在LED光源类产品和LED灯具产品安全的IEC标准中，引用了IEC 62778的评价方法[1]。IEC 62471作为目前最为广泛使用的光生物安全标准，其重要性无需讳言，但是其缺少针对慢性光损伤的内容，而光对人眼长期影响评价模型的问题仍是值得关注和进行继续研究的，事实上如黄斑变性这种光损伤病症更多因慢性光损伤导致，即长期非高剂量光照导致，但是目前IEC 62471标准主要针对急性乃至常规时长下的光损伤问题。

2.2 光品质相关标准

2013年，CIE发布了CIE 205:2013《Review of Lighting Quality Measures for Interior Lighting with LED Lighting Systems》，该标准综合描述了室内LED照明品质的四个主要评价指标：光分布(Light Distribution)、眩光(Glare)、显色性和颜色偏爱(Colour Rendering and Preference for Colour Appearance)、频闪(Flicker)。参考前期色温等标准要求，目前常用的与光品质相关的标准共计22项，见表2[1]。

表2 与光品质相关国际标准

2.3 健康照明标准

在20世纪90年代后期，CIE开始将重点从可见性照明转换到具有更广泛定义的照明质量上，包括人类需求、结构整合和经济约束(包括耗能)等；其中，人类需求包括适于保持良好健康状况的照明，以及可见性、任务效能、人际沟通和美学欣赏方面的照明。2009年CIE第6分部组织编写了CIE 158《OCULAR LIGHTING EFFECTS ON HUMAN PHYSIOLOGY AND BEHAVIOUR》(人眼照明对于人体生理和行为的影响)报告，这个报告介绍关于照明对于人类生理、情绪和行为所产生影响的对照实验和临床研究[2]。在此基础上，结合眩光、闪烁以及非视觉效应等问题，2016年，CIE第3分部组织起草了CIE 218《Research Roadmap for Healthful Interior Lighting Applications》报告，并在CIE 158的基础上总结提出了五个共识和六大问题[3]。

五个共识为：①工业化国家的人们每天接受到的光剂量或许过低；②健康光与健康暗是形影不离的；③生物作用的光应该在非视觉系统最敏感的波段上有较高比例；④考虑光剂量时，最重要的是考虑进入眼睛的光，包括直接来自光源的光也包括周围物体表面反射的光；⑤光照的时间也会影响光照的作用[1-3]。

六大问题分别为：①过程(包含即时作用、神经生理学、视网膜敏感度和其他)；②日常模式(包含幅度、频率和两者结合)；③长周期影响；④常规应用(包含光源与设计)；⑤特殊应用(轮班制工作)；⑥个体差异(包含年龄、疾病、视觉缺陷、压力源和其他)[1-3]。

参考以上两个报告，我们可以发现目前国际上尚没有正式发布的健康标准，究其原因主要因为健康照明的研究是生理过程变化量的研究，需要以大人群样本的实验研究为基础，并且其重点是对生理指标过程变化的测试和分析和提炼，这大大加剧了健康照明研究的研发周期和实验难度，以目前广受关注的非视觉影响——光照对于人体生理节律影响的研究为例，自2001年Brainard等人通过人因实验发现光致褪黑素影响以来，目前被引为经典的生理节律曲线的褪黑素人因实验总样本量不足150人：2001年Brainard的人因实验样本数为72人(35男37女)[4]，同年K. Thapan 人因实验样本数22人(18男4女)[5]，2005年Cajochen人因实验样本数10人(10男)[6]，2008年Brainard的人因实验样本数26人(12男14女)[7]，低样本导致其结果的局限性，而标准的重要原则就是普适性，这也就是目前健康照明标准难产的主要原因之一。

近年来，伴随LED照明的广泛普及，我国健康照明研究快速发展，在光品质领域，浙江大学罗明教授团队、复旦大学林燕丹教授团队正在全面参与颜色评价体系和眩光评价的标准研制工作；在光生物安全领域，浙江大学牟同升教授团队也参与了多项国际标准的研制；而在视觉领域，中国标准化研究院视觉健康与安全防护实验室经过7年近10 000人的人因生理实验，提出了通过人眼基础屈光、人眼角膜曲率、人眼眼轴长度、人眼高阶像差、光学传递函数、人眼睫状肌调节聚集调节比6个生理指标定量评价照明对人眼视觉疲劳影响的视觉舒适度评价方法和指标——VICO，以及联合温州医科大学金子兵教授团队通过细胞分子学利用体外培植的人眼视网膜细胞量化评价短、中、长期光损伤的细胞活力评价模型——CV模型。目前基于以上研究所形成的照明产品视觉健康舒适度评价方法已先后在ISO TC 274(光和照明)完成2次专题报告，获得国际业界的认可，并在2017年10月CIE中期会议期间在CIE第6分部完成了项目报告，有望在2018年完成该系列标准的立项工作。

3 总结和展望

健康照明作为一个新兴的研究领域，目前我国的研究水平与国际先进水平的差距微乎其微，而通过我国科研工作者的不断努力，我国有望在这一领域实现“弯道超车”，这主要基于以下两点的考虑：

第一，健康照明跨学科研究的特点导致国外研究者很难组织跨学科优势力量进行科研攻关，而我国目前已立项并启动了“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料专项——面向健康照明的光生物机理及应用研究项目”，项目成员单位包括中国标准化研究院、中国科学院苏州生物医学工程研究所、温州医科大学、复旦大学、浙江大学、同济大学、中国科学院半导体所、中关村半导体照明联合创新重点实验室等16家顶级研发和产业化机构，以国家级科研项目为平台集中跨领域、跨学科优势资源针对健康照明进行科研攻关。

第二，由于健康照明的研究需要通过大人群样本的人因生理实验来实现，而其他国家受其人口基数和法律限制很难完成这项工作，而我国十几亿的人口基数所产生的人口红利则为我们健康照明的研究提供了极大的便利。

基于以上内容，通过严谨、科学、求真、务实的研究，我国健康照明的研究将更上一层楼，我们的健康照明将逐步实现我们的希望——降低视觉疲劳、抑制近视、防止眼底损伤、调整生理节律、减缓皮肤老化、提升钙质吸收、改善代谢循环等各种以人为本的光照需求。

[1] 国家半导体照明工程研发及产业联盟.健康照明标准进展报告[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

国家重点研发计划资助(项目编号：2017YFB0403700)

TM923

A

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

上海实施景观照明新规

2017年10月9日，《上海市景观照明总体规划》(以下简称《规划》)公布实施，这也是上海首次编制全市域的景观照明专项规划。《规划》明确了全市范围景观照明发展的核心区域、重要区域、发展区域、一般区域及禁设区域，提出了禁止性、控制性和限制性要求。

《规划》提及，禁止使用严重影响植物生长的景观照明设施;禁止设置影响园林、古建筑等自然和历史文化遗产保护的景观照明设施;禁止在国家公园、自然保护区、天文台所在地区设置景观照明设施等。

另外，《规划》还提出上海景观照明“控制总量、优化存量、适度发展”的发展理念。相关部门将通过外观改造、光源调整的方式，使外滩、陆家嘴、北外滩地区，成为三幅和谐、又有个性差别的美丽画卷。

此次《规划》以上海市总体规划及上海特有的人文、地域特色为基础，统筹夜景布局、亮度、色温、动态照明、彩光应用、光污染控制等涉及景观照明品质全方位因素，通过专业化、系统化的统筹，建立了上海景观照明规划体系，不但填补了上海没有景观照明规划的空白，并且规划内容的很多方面在全国是首创，为上海景观照明未来健康发展奠定了基础。