伴隨半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，以 LED 光源為核心的照明和顯示產(chǎn)品已在市場(chǎng)上得到快速普及，如果說在蠟燭、油燈、白熾燈乃至節(jié)能燈時(shí)代，人類對(duì)于光的需求和控制尚只能以照亮、看清為基礎(chǔ)，LED 的出現(xiàn)，讓我們不需再被動(dòng)適應(yīng)地削足適履，而可以自主設(shè)計(jì)各種我們所需要的光譜能量分布(SPD)、調(diào)整各種我們所需要的光強(qiáng)，從而自主創(chuàng)造出滿足我們?nèi)祟愋枨蟮墓狻腔谶@些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，以人為本的照明——健康照明成為全球關(guān)注的重點(diǎn)。
針對(duì)健康照明基礎(chǔ)研究的簡(jiǎn)要探討
與傳統(tǒng)照明更多地聚焦于產(chǎn)品物理性能不同，健康照明的研究是以光對(duì)人的影響研究――光致人體生物機(jī)理影響為基礎(chǔ)，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，以定量化的光生物影響機(jī)理為準(zhǔn)繩，利用生理指標(biāo)與物理指標(biāo)的匹配模型通過智能控制的手段設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以人為本的照明。
眼睛、大腦和皮膚是光對(duì)人體影響的主要器官，目前已明確的對(duì)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、眩光以及配光曲線，根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系我認(rèn)為可以總結(jié)為五大研究重點(diǎn)：
其一是光譜能量分布對(duì)于人的視覺、非視覺、腦功能、皮膚及代謝系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制研究，通過這一研究我們可以精準(zhǔn)地研發(fā)設(shè)計(jì)出“健康”光譜，確定有益的色溫變化范圍，匹配適應(yīng)的顏色質(zhì)量系統(tǒng)。
其二是在此研究基礎(chǔ)上以日常人體受光照的器官的有效接觸面積為對(duì)象，研究人體光生物周期最佳曝光量，通過這一研究我們可以根據(jù)人體特點(diǎn)設(shè)計(jì)出滿足健康需求的、集合了光譜能量分布+ 色溫+ 光強(qiáng)等多指標(biāo)的時(shí)間周期變化曲線。
其三是從光的方向性特性出發(fā)，以視覺影響為主要方向，研究漫射、直射、反射、偏振對(duì)于光環(huán)境的影響，從而在水平均勻度和垂直均勻度上提升環(huán)境空間的光分布，在有效降低眩光的同時(shí)滿足人的視覺和腦力負(fù)荷需求。
其四是針對(duì)頻閃——占空比問題，研究頻閃對(duì)于視覺系統(tǒng)和腦功能的影響，確定滿足人體健康需求且兼顧性價(jià)比要求的頻閃指標(biāo)。
其五就是在以上四個(gè)方面研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同場(chǎng)景、模式等需求，以光生物機(jī)理研究為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體危害最小的光誘導(dǎo)和光脅迫的功能。
想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要以科學(xué)、務(wù)實(shí)的態(tài)度，通過大樣本量的人因?qū)嶒?yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)酥良?xì)胞分子學(xué)實(shí)驗(yàn)才能真正有效解讀出光對(duì)人體生物機(jī)理的短、中、長(zhǎng)期影響。
藍(lán)光的光生物影響簡(jiǎn)述
通常我們將波長(zhǎng)范圍在(400-500)nm 的光線稱為藍(lán)光輻射，其對(duì)人體的生理影響主要包括人眼和皮膚兩個(gè)方面：
對(duì)人眼的影響
?、?對(duì)人眼視覺的影響
眼睛是人最重要的感覺器官之一，它的構(gòu)造十分復(fù)雜，且自身修復(fù)能力較弱，容易受到光學(xué)輻射傷害，導(dǎo)致光損傷。通常將光損傷分為三類：熱損傷、機(jī)械損傷和光化學(xué)損傷。
其中熱損傷是指由光輻射所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溫度上升使得眼組織內(nèi)的各種蛋白質(zhì)成分發(fā)生變性而產(chǎn)生的損傷，多數(shù)由紅外輻射導(dǎo)致;
機(jī)械損傷則是指人眼在極短的時(shí)間內(nèi)接受強(qiáng)光照射使得眼組織在沖擊下發(fā)生瞬間的變化而產(chǎn)生的機(jī)械性的損傷;
光化學(xué)損傷則是一定光強(qiáng)下、特定光譜的光輻射在與人眼中的細(xì)胞和蛋白質(zhì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)造成的損傷，如黃斑變性和白內(nèi)障等。在視網(wǎng)膜光損傷中，化學(xué)反應(yīng)起著相當(dāng)重要的作用，目前廣泛熱議的藍(lán)光對(duì)人眼可能造成的損傷就屬于光化學(xué)損傷。
我們的研究發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)(400~440)nm 波段范圍內(nèi)的藍(lán)光輻射耐受較低，其中尤以 430nm-440nm 附近的損傷耐受閾值最低，其耐受的等效照度約等于280 lx，而在445nm 以上波段，人眼視網(wǎng)膜的耐受閾值呈大幅度上升，等效照度超1500 lx以上。
我們?nèi)粘Ｉ钪兴玫降?LED 光源多是以(450-500)nm 為峰值光譜的白光 LED，在常規(guī)照明條件下，其照度一般不超過1000 lx，對(duì)其光譜能量分布進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)其中波長(zhǎng)在440 nm 以下的輻射能量一般占總輻射能量的25% 以下(低于人眼視網(wǎng)膜的耐受閾值)，因此我們常規(guī)使用的以(450-500)nm 為峰值光譜的LED 照明光源對(duì)人眼的短期損傷基本是不存在的。
國際照明委員會(huì)(CIE)于今年3月份發(fā)表了關(guān)于藍(lán)光危害的立場(chǎng)聲明，在聲明中明確指出：LED 等白光燈具，通常會(huì)包含與藍(lán)光危害相關(guān)的光。看起來“偏冷光”的燈或高色溫的燈，相對(duì)于“偏暖光”或低色溫的燈而言，可能包含更多藍(lán)光成分。
常規(guī)照明中白熾燈和 LED 燈中，相同色溫的燈具其藍(lán)光危害曝光極限是相同的。實(shí)用評(píng)估表明，在合理可預(yù)見的使用狀態(tài)下，燈具是不會(huì)超出藍(lán)光危害曝光極限的。此外，這種燈具的藍(lán)光曝光程度經(jīng)常是低于觀視藍(lán)天時(shí)的曝光程度的。
?、谒{(lán)光對(duì)人眼非視覺的影響
藍(lán)光的非視覺效應(yīng)是指藍(lán)光對(duì)人體生物鐘、睡眠質(zhì)量、警覺性和情緒等產(chǎn)生的影響。日有四季交替，月有陰晴圓缺，就是在這樣的日月變化中形成了我們的生理節(jié)律。
研究發(fā)現(xiàn)(450-480)nm 波段范圍內(nèi)藍(lán)光輻射對(duì)褪黑素的分泌有抑制作用。褪黑素(melatonin，MT) 是一種主要由松果體分泌的吲哚胺類激素，可以控制人體的睡眠。
因此 LED 照明光源中的藍(lán)光成分可以通過抑制褪黑素的分泌，對(duì)人體的生理節(jié)律產(chǎn)生影響，但這種非視覺效應(yīng)影響與光強(qiáng)呈正相關(guān)，可能存在觸發(fā)光強(qiáng)閾值。
對(duì)皮膚的影響
皮膚作為人體最大的器官，時(shí)時(shí)刻刻處于光照環(huán)境下，日光輻射所導(dǎo)致的皮膚損傷所涉及的范圍廣泛, 包括急性的曬傷反應(yīng)，局部及系統(tǒng)性免疫抑制，長(zhǎng)期慢性反復(fù)接受日光輻射所致的皮膚光老化及皮膚的惡性腫瘤等。
有研究稱藍(lán)光照射會(huì)使皮膚產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，和煙草、空氣污染、紫外輻射一樣會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生負(fù)面影響。為了定量評(píng)價(jià)藍(lán)光輻射給皮膚帶來的危害，本課題組通過 HFF-1 人皮膚成纖維細(xì)胞 / HaCaT 細(xì)胞(人永生化表皮細(xì)胞)的細(xì)胞活性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)皮膚的藍(lán)光光損傷展開了研究，實(shí)驗(yàn)中采用峰值為420nm、輻照度為 15W/m2 的藍(lán)光光源對(duì)細(xì)胞進(jìn)行持續(xù)3 小時(shí)的照射后，對(duì)其細(xì)胞活力進(jìn)行檢測(cè)。
與此同時(shí)，利用黑色素細(xì)胞(A375)培養(yǎng)基對(duì)光致色素沉積的問題展開了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)(400-440)nm 波段范圍內(nèi)的藍(lán)光輻射會(huì)導(dǎo)致皮膚光老化和色素沉積。
適宜人眼的光照需求探討
照度
照度是指單位面積上所接受可見光的光通量，用來表示光照的強(qiáng)弱和物體表面積被照明程度的量，單位為勒克斯(lx)，是用來進(jìn)行光學(xué)性能評(píng)估的重要指標(biāo)。
在現(xiàn)有的國標(biāo)中，對(duì)于桌面水平照度的要求基本為> 300lx，該指標(biāo)是基于ISO 8995-1：2002《工作場(chǎng)所照明要求第一部分：室內(nèi)照明》的照度要求。但是不可忽視的是 ISO8995-1 對(duì)于照度的要求是基于白種人即高加索人種的生理特征制定的，而屬于東亞蒙古人種的中國人群在生理特征上與高加索人種存在著顯著的差異，高加索人種的瞳孔大小約為6mm~8mm，而中國人的瞳孔大小約為3mm~5mm，此外作為黃種人的中國人色素耐光性遠(yuǎn)高于白種人的色素耐光性，因此我們眼瞳孔的入光量相較于白種人的需求更高。
我們的研究發(fā)現(xiàn)，500 lx~750 lx 的桌面照度是最適于中國人眼的生理特性的。視覺的形成過程是人眼在接收到視覺信號(hào)后，在視網(wǎng)膜成像，刺激視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，沿著視神經(jīng)傳到大腦皮層的視覺中樞，經(jīng)視皮層識(shí)別和處理。
視疲勞源自視覺信息處理期間視覺系統(tǒng)各器官的協(xié)同性功能響應(yīng)，當(dāng)視覺成像不清晰時(shí)，大腦會(huì)發(fā)出指令通過視神經(jīng)控制睫狀肌進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行視覺作業(yè)時(shí)，照度/ 光強(qiáng)的不均勻會(huì)導(dǎo)致人眼需要進(jìn)行額外的調(diào)節(jié)，使人眼視疲勞加劇，因此桌面照度的水平均勻度應(yīng)不低于0.8。
2亮度
亮度是指單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度，單位是坎德拉/ 平方米(cd/m2)，是包含光強(qiáng)度和光方向的光度學(xué)指標(biāo)，指人眼從一個(gè)方向觀察光源，在這個(gè)方向上的光強(qiáng)與人眼所“見到”的光源面積之比， 因此，相較于照度而言，亮度更能準(zhǔn)確地反應(yīng)光照入眼的情況。
在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)桌面亮度大于80cd/m2 以上時(shí)，人眼的視覺健康舒適度更優(yōu)。視覺作業(yè)時(shí)的觀看角度是多種多樣的，為了有效地緩解視疲勞，保障視覺健康，應(yīng)保證亮度的均勻度不低于0.8。
3色溫范圍
當(dāng)某一光源的色品與某一溫度下的完全輻射體(黑體)的色品完全相同時(shí)，該完全輻射體(黑體)的絕對(duì)溫度為此光源的色溫度，單位為開爾文(K)。色溫對(duì)于人體的影響主要跟作業(yè)效率相關(guān)，看起來“偏冷光”的燈或高色溫的燈相對(duì)于“偏暖光”或低色溫的燈而言可能會(huì)含有更多的藍(lán)光成分，可以更好地保證工作、學(xué)習(xí)時(shí)的效率和警覺性。
但過高色溫如 6000K 以上，在高照度的情況下，可能存在440nm 以下的藍(lán)光輻射過高，對(duì)人眼產(chǎn)生光損傷，因此建議選擇色溫為 4000K~6000K 的照明燈具。
健康照明作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，目前我國與國際先進(jìn)水平的差距微乎其微，通過嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、求真、務(wù)實(shí)的研究的不斷努力，我國有望在這一新興領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，逐步實(shí)現(xiàn)我們所希望的——降低視覺疲勞、抑制近視發(fā)育、防止眼底損傷、調(diào)整生理節(jié)律、減緩皮膚老化、提升鈣質(zhì)吸收、改善代謝循環(huán)等各種以人為本的需求。
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