摘要：2002年,人眼第三类感光细胞的发现,其对人体生理节律及生物效应的影响,使得人们重新审视和思考照明质量的定义。本文从介绍第三类感光细胞出发,定义照明的生物效应CPP值,计算并比较传统光源及LED的SPP值与CPP值,讨论照明的非视觉生物效应对照明质量评估和LED实际应用的意义。

　　关键词：非视觉生物效应;CPP值;照明质量

　　The Non2visual Biological Effect of Lighting and its Practical Meaning

　　Ju Jiaqi 　Chen Dahua 　Lin Yandan

　　( Dept . Illuminating Eng. &Light Sources , Fudan University , Shanghai 　200433)

　　Abstract

　　The third photosensitive cells in the eyes were discovered in 2002. The influence on the circadian rhythm and other biological effects of our body will help to redefine the quality of lighting. The novel cells are introduced and the CPP value is defined. The SPP value and CPP value of fluorescent lamps and LED lamps are both calculated. The evaluation of lighting quality based on visual and non2visual effects and the application of LED are discussed in this article.

　　Key words : non2visual biological effects ; CPP value ; quality of lighting

　　1.照明的非视觉生物效应

　　150多年来,　科学家始终认为杆状细胞和锥状细胞是人眼唯一的感光细胞,　通过杆状和锥状细胞与大脑视皮质之间的神经信号传递来解释人的视觉体验。锥状细胞在亮度水平大于3cd/Pm2的情况下起主要作用,由此定义了明视觉;而杆状细胞在亮度水平小于01001cd/m2的情况下被主要激活,从而定义此种亮度水平下属于暗视觉。并由此根据不同亮度水平定义了人眼在明视觉状态下和暗视觉状态下的光谱灵敏度函数V (λ)和V′(λ),其响应最大值分别对应于555nm和507nm。

　　2002年,美国Brown大学的Berson等人发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞,视网膜特化感光神经节细胞 (ipRGC)，这类感光细胞能参与调节许多人体非视觉生物效应,包括人体生命体征的变化,激素的分泌和兴奋程度。光对人体非视觉通道的发现,不仅给照明科学提供了新的研究内容,同时也对照明科学的研究方法提出了新要求。照明质量的评价由原来单一的视觉效果评价逐步将过度到视觉效果和非视觉效果的双重评价,前者注重视觉功能性,后者则与人体健康密切相关。人眼的视觉通道与非视觉通道如图1所示。

　　研究表明,新感光细胞不仅参与调节人体的生物周期节律,同时会影响人体褪黑激素的分泌,褪黑激素水平不仅影响人们的睡眠质量,同时还与抑制癌细胞的生长有关。在大力提倡以人为本,健康照明的今天,照明的非视觉生物效应已引起人们的广泛关注和研究兴趣。

　　2.非视觉生物效应的评价

　　视网膜第三类感光细胞对不同光谱和颜色也有不同的灵敏度响应,基于人体褪黑激素的抑制作用 ,Braninard (2002)测定了一条光谱生物响应曲线 ,用以表征人体对于不同光谱所引起生物效应的

　　强弱程度,谱线峰值在464nm处,较暗视觉507nm更向短波方向偏移,如图 2所示。

　　此类研究目前仍在进行中,光谱响应峰值的确定并达成共识仍需更多的实验证据,另外,是否以褪黑激素的抑制曲线作为非视觉生物效应的光谱响应曲线仍然有待商榷。本文以1997年,Berman等人基于瞳孔大小变化的实验曲线为例,推导说明三类感光细胞对应的明视觉、暗视觉和非视觉生物效应的评价方法。 [NT:PAGE]

　　在光度学中,我们用光通量Ф来表征光量的多少,如式 1所示。

　　其中, Ф为光通量; Km 为最大光谱光视效率函数, 为683lmPW; P (λ) 为绝对光谱能量分布,P′(λ) 为相对光谱能量分布, P (λ) =αP′(λ) ,α为常数; V (λ) 明视觉光谱光效函数。相应的,如果将V (λ) 换成V′(λ) 和C (λ) , 即可计算相应的暗视觉和非视觉等效光通, 对应的最大光谱光效函数Km 分别为1700lmPW和3616lmPW。我们通常引入SPP 值用以评价光源在低亮度水平下的功效, 其表达如式(2) 所示

　　类似的, 我们可以计算非视觉生物效应等效光通并使用CPP 值来评价光源的非视觉生物效应的强弱,如式(3) 、式(4) 所示

　　由此,只要根据光源光谱数据便能对不同光源的暗视觉效果和非视觉生物效应效果进行计算和评价。

　　3.统光源与LED 的比较

　　根据上文介绍, 我们选择了4 款不同色温的荧光灯与4 款不同色温的LED 作比较, 其光谱如图4、图5 所示。分别计算其SPP 值与CPP 值, 计算所得结果如表1 所示

[NT:PAGE]

　　由表1 可以看出随着色温的升高, 光源的SPP值与CPP 均会升高, 且CPP 值更为明显。在视觉效应方面, 随着光源色温的提高, 由于光谱会更多向短波段集中, 与V′(λ) 曲线更为吻合, 故在低亮度水平下会具有更高的等效光效; 在非视觉生物效应方面, 由于C (λ) 较V′(λ) 更向短波偏移, 故而高色温光源的照明效果将更为明显, 即在相同能耗下, 选用高色温的光源将更有利于激发或促进照明非视觉生物效应的表现, 其在实际应用中表现结果的好坏仍有待进一步实验研究来验证。

　　4. LED 在照明实践中的优势

　　进入二十一世纪, 照明的非视觉生物效应的研究在不断深入并逐渐尝试应用, 在治疗睡眠紊乱、季节性忧郁症、老年痴呆症等领域已有初步的研究成果, 同时二十一世纪照明行业另一焦点和热点便是LED。通过上文的计算比较, 我们不难发现, 随着色温的升高无论是传统荧光灯还是LED 光源其非视觉生物效应的作用将更为明显。考虑照明的非视觉生物效应, 为了契合人体不同时段的照明需求,很多厂商提出了动态照明的概念, 在一天不同的时间段, 提供不同的照度和色温组合, 自然渐变, 以保证人体处于最佳工作和休息状态。这对于LED来说, 是其较传统光源无可比拟的优势, 通过RGB 三原色的混光, 可以获得任何所需色温, 且通过预设控制程序可以保证做到色温和照度渐变的效果, 使人不易察觉光环境改变, 达到自然变化的效果。照明的非视觉生物效应的发现, 改变了对传统照明质量的评价方法, 由单一的视觉效果到视觉效果与生物效应结合的双重评价。这不仅需要观念上的改变,更需要进一步的实验研究来确定评价指标并指导照明设计标准的修订, 而在其实际研究和应用中,LED 以其较传统光源更大范围、更加灵活、更多选择的调光优势成为满足以人为本、健康照明的上佳选择。

　　参考文献

　　[ 1 ] 　Wout J . M. van Bommel. Non2visual biological effect of　lighting and the practical meaning for lighting for work [J ] .Applied ergonomics 37 (2006) 461～466

　　[ 2 ] 　Berson , D. M. , Dunn , F. A , Motoharu Takao.Phototrasduction by retinal ganglion cells that set the　circadian clock [J ] . Science (2002) , 295 , 1070～1073

　　[ 3 ] 　George C. Brainard , Ignacio Provencio. Photoreception for　the Neurobehavioral Effects of Light in Humans [A] 2nd　CIE Expert Symposium onLighting and Health. 2006

　　[ 4 ] 　Berman , S. M, Clear , R. D. Past vision studies cansupport a novel human photoreceptor [A ] . CIE midterm　meeting and international Lighting congress , Leon , Spain,2005