基于节律健康照明的光谱与照明设计优化

李亚国

国网山西省电力公司（山西 太原 030000）

0 引言

光照既具备视觉作用，也具备非视觉生物效应，其中后者对光敏视网膜神经节细胞具有重要的影响，光信号由ipRGC传递至SCN，即可实现对人体生物钟与各种生理活动的调节和控制。对人体而言，当其每日得到较为适宜的时间和强度的光照刺激，可以很好地校准人体内部生物钟节律周期，与地球自转周期相一致。若没有得到合适强度和时间的光照刺激，则会破坏这一平衡状态，进而给人体带来很大危害[1]。基于此，对室内光照环境的设计，设计师可借助合理的节律照明手段，确保室内具有足够的自然光，且具备更高的人工照明节律效应，从而有效保障人体健康。

1 照明节律效应优化方向

对照明节律效应而言，其干扰因素包括光谱构成、光照作用及持续时间、光照强度，其中照明设计师能直接控制光谱构成与光照强度。因此，为更好地提升日间室内环境下节律照明效应，必须注重光谱与照明的优化。

在光谱节律效应的优化过程中，设计师更多从提高视觉效率的角度实现对照明光谱的优化。当前，节律照明逐渐受到人们的广泛关注，这要求设计师在光谱优化设计中，高度重视节律效应的提高。在波长为450～490 nm的蓝光中，与视觉感光相比，ipRGC具有更强的敏感性，光谱节律响函数的峰值处于波长相对较短的蓝光区域，这与光谱明视觉响应函数不一样，故而设计师可在科学调整传统照明光谱设计的基础上，合理优化节律健康照明的光谱[2]。对于光谱节律效应的改变，需要设计师合理改变光谱中的蓝光波段强度，调整色温。然而，在该过程中，很可能造成人们视觉上产生显色性或色温等变化，并没有满足通用照明在视觉方面的具体要求。基于此，针对节律健康照明中的光谱优化，设计师应尽可能地保证节律效应符合相关规范，还应注重基本视觉参数指标的应用，以确保符合具体的照明要求。

在节律照明设计的优化过程中，当人体一日长期停留的室内环境中时，必须确保在上午时段获得充足且合理的眼部照度，而节律效应的强度会对眼部接受的光照强度产生极大的影响。现如今，很多室内照明规范中均有明确要求水平工作面强度，这就使人们往往借助下照模式有效提高室内的照明效率。但立足于非视觉节律效应进行的照明设计，更加注重眼部照度的合理把控。基于此，要想更好地满足现阶段日间室内节律照明设计对眼部照度的强度需要，设计师必须摒弃以往的“工作面水平照度”要求。同时，人们日常生产和生活中电脑、智能手机等设备的使用率越来越高，这些设备都采用自发光屏幕呈现相应的信息，然而与水平照度相比，垂直照度更为有效地展示出眼部所承受的光照节律刺激强度[3]。另外，设计师不仅要注重室内环境中眼部照度的提高，还应注重室内节律照明，避免由于光线直射眼部而引发眩光问题，即应确保高眼部照度和减少眩光之间保持较为合适的平衡状态。

2 基于节律效应的照明光谱设计优化

针对基于节律效应的照明光谱优化，设计师可立足于完全不一样的响应函数，合理优化光谱节律响应函数，从而确保室内具备更高的节律照明效率。同时，设计师需要借助科学的评估手段，评估优化成效。下文以RGBW四色混光为例，严格按照通用照明视觉指标的相关要求，通过多色混光算法综合分析多种光谱方案，具体内容如下。

该次评估中所用的方法：明确照明光谱的视觉效率数值，可选择照度/辐照度比值计算方式，并充分利用EML模型和CLA模型；明确照明光谱节律效率数值，可选择EML数值/辐照度和CLA数值/辐照度比值计算方式[4]。在各种光照强度中，CLA模型具有一定的非线性特性；针对该情况，在光谱节律效率数值计算时，可得到固定CLA的数值及与之对应获得有效节律刺激的CS值阈值，分别为274、0.3。针对光谱的优化分析，可借助LED四色混光算法，即相关单色光和四种混光，在确保符合多种常用色温要求的前提下，获得全部可能的光谱方案、相应的显色性指数等。

通过研究可以发现，当显色性指数超过60的约束，在所有色温目标下全部可能的白光光谱方案中，灰色区域对应显色性指数超过80的光谱方案。如在4 000 K色温目标的研究中，所得到的三种光谱方案一一对应的视觉效率分别为313.4 lm/W、328.4 lm/W、351.6 lm/W；在CLA模型中，所对应的光谱节律效率分别为287.2 lm/W、255.3 lm/W、200.1 lm/W；在EML模型中，所对应的节律效率分别为334.2 lm/W、290.4 lm/W、215.4 lm/W。这三种光谱方案的显色性指数为62、80、81[5]。由此可见，在不同色温下的光谱节律效率，当光谱节律效率发生改变时，则光谱视觉效率会发生曲线变化。在EML模型和CLA模型下，随着光谱视觉效率的增加，光谱节律效率会极大降低，故而针对照明光谱视觉效率与节律效率的优化而言，两者的优化方向完全不同。

同时，经相关研究发现，当色温一定时，随着视觉效率的不断增加，光谱的节律效率会逐渐减少。由此可见，以往过于注重高视觉效率的照明方式并不能实现节律照明效率的提高。通过上述分析可以明确，在节律照明的光谱优化中，节律健康照明不仅要注重现有光源的应用，且需对传统光谱优化内容进行科学合理的优化设计。

3 基于节律效应的照明设计优化

对间接光眼部照度而言，其主要作用在于有效连接视觉功能与节律效应下的照明设计。基于此，照明设计师需要以确保室内空间具有高效的间接光眼部照度作为着眼点，积极应用更为切实有效的照明手段。在多个室内反射率组合的基础上，充分比较以往照明模式在的间接光眼部照度、节律照明模式下的间接光眼部照度，科学判断不同照明模式、不同室内反射率情况的非视觉功效，以此筛选出最为适宜的节律照明设计方案[6]。

在照明设计优化中，设计师可将以Radiance软件当作计算引擎，借助该软件实现空间三维可视化，获得室内空间模型。通过模拟传统的下照模式，或充分提供间接光的上照模式，并立足于规范的漫反射光源，合理修正光源配光曲线，从而确保其初始光通量基于下照模式充分投射到地面，并基于上照模式充分投射到天花板上，以便进行更加准确和科学的数据分析。同时，针对室内空间的全部表面，照明设计师可选择采用理想漫反射表面，且根据相关目标和需求合理设置室内空间各表面的取值范围。借助所有表面反射率对面积加权平均方式，可获得空间反射率平均值；借助眼部照度平均值减去直接光贡献的眼部照度，可以得到间接光眼部照度。基于传统下照模式，光线在出现第一反射前达到眼部的照度值，即为直接光眼部照度；基于传统上照模式，所有到达眼部的光线都是间接光。

通过相关研究可知，对多种反射率组合而言，传统照明手段和节律照明手段两者提供的间接光眼部照度存在很大的不同。节律照明模式可以使光线的首次反射出现在天花板表面（具有很高的反射率），但是传统照明手段的初始光通量首次反射出现在地板表面（具有很低的反射率），故而节律照明模式可以让室内空间具备更高的间接光眼部照度。通过合理利用上照模式，可让节律照明具备更好的眼部间接光。随着室内天花板和地板表面反射率的逐渐增大，必然会逐渐增大基于节律照明的间接光眼部照度。如当室内天花板和地板表面的反射率比值为1.25时，与传统照明方案相比，基于节律照明的间接光眼部照度更高，通常高出1.2倍；当该比值增加到4.5时，与传统照明方案相比，基于节律照明的间接光眼部照度更高，通常高出3.5倍以上[7]。

对于室内空间照明方式的选用，不管是哪一种照明方式，照明设计师均可借助间接光眼部照度平均值计算的指导公式，从而更加充分且有效地明确间接光眼部照度，以便更加科学合理地设计节律健康光环境。同时，通过有效提高室内空间各表面的反射率，可确保其具备更高的间接光眼部照度，实现节能效果；且从眼部间接光的照明设计出发，能在极大程度上防止节律照明中需要的高眼部照度导致的眩光。

4 结语

综上所述，室内光环境直接关系人体的非视觉成像功能，也直接影响人们的身体健康。基于此，照明设计师需要注重有效提升日间室内环境下节律照明效率，明确光谱节律效应与节律照明设计的优化方向，并采取有效措施不断优化光谱与照明设计，从而为人们提供更加舒适的光环境。