徐代升：健康照明光環(huán)境相關(guān)問(wèn)題探討

　　隨著新一代照明光源LED光源技術(shù)和照明控制技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代照明早就不在只關(guān)注照亮環(huán)境了，而是朝著關(guān)注照明對(duì)人們健康的影響發(fā)展了。如何通過(guò)照明來(lái)構(gòu)建健康、舒適的光環(huán)境，已成為民生關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，2016年歐洲照明組織發(fā)布2025年戰(zhàn)略發(fā)展圖路線，明確“以人為本的照明”作為今后照明發(fā)展的核心。

　　健康照明是通過(guò)照明，改善并提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，促進(jìn)心理和生理健康，因此構(gòu)建健康的照明光環(huán)境是健康照明基礎(chǔ)。鑒于LED照明光源的諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是其可控性好這一點(diǎn)，使它必將成為構(gòu)建健康照明光環(huán)境的主要光源。要用LED照明光源構(gòu)建健康照明光環(huán)境，必須先明確健康照明光環(huán)境是怎樣的?在此筆者發(fā)表一點(diǎn)自己的淺見(jiàn)，就相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行一些探討。

　　1、健康光環(huán)境光源的光譜組成

　　人類(lèi)進(jìn)化的歷史長(zhǎng)河中，一直沐浴在太陽(yáng)光里。圖1給出了大氣層外及海平面太陽(yáng)光譜分布示意，從圖中我們可以看出，太陽(yáng)光譜主要包括紫外、可見(jiàn)及紅外(780nm~1mm)光譜。大氣層外太陽(yáng)全部輻射能中，波長(zhǎng)在150nm～4000nm之間的占99%以上，可見(jiàn)光區(qū)占太陽(yáng)輻射總能量的約50%，紅外區(qū)占約43%，紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能較少，只占總量的約7%。在地面上觀測(cè)的太陽(yáng)輻射的波段范圍大約為295nm～2500nm。短于295nm和大于2500nm波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射，因地球大氣中臭氧、水氣和其他大氣分子的強(qiáng)烈吸收，已基本不能到達(dá)地面。

　　圖1 大氣層外及海平面太陽(yáng)光譜輻照度分布

　　人類(lèi)在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，已經(jīng)適應(yīng)和習(xí)慣了太陽(yáng)光譜的照射，因此對(duì)人及自然界生物來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光譜是最健康的光譜。太陽(yáng)光譜中，紫外光具有殺菌消毒的作用，可以殺滅螨蟲(chóng)等微生物或病原體，促進(jìn)維生素D合成，對(duì)佝僂病和軟骨癥有預(yù)防和治療作用，還能預(yù)防老年人骨質(zhì)疏松癥，有消炎止痛、促進(jìn)局部血液循環(huán)、調(diào)節(jié)免疫力等作用;紅外光在人體組織代謝、血液循環(huán)、人體免疫功能增強(qiáng)等方面具有很好的治療作用;同時(shí)對(duì)于肌肉痙攣、肌肉勞損、軟組織損傷、身體組織消腫有治療作用;可見(jiàn)光讓我們感知五彩斑斕、色彩繽紛的大千世界，是視覺(jué)盛宴、精神愉悅的媒介。因此用人造光源LED來(lái)構(gòu)建健康照明光環(huán)境，自然組成健康照明光環(huán)境的光譜成分應(yīng)與太陽(yáng)光譜一致。

　　就正常人而言普通的人造(特別是密閉的空間)健康照明光環(huán)境的光譜應(yīng)與太陽(yáng)光譜一致，但對(duì)于特殊人群，譬如小孩、老人、病人等室內(nèi)活動(dòng)空間，光環(huán)境中是不是要有太陽(yáng)光譜里沒(méi)有的光譜、還是要去掉太陽(yáng)里的某些光譜，才是最健康的照明光環(huán)境，這些都值得進(jìn)一步研究。

　　2、健康光環(huán)境光源的光譜密度

　　希望健康照明光環(huán)境與太陽(yáng)光譜盡可能一致，但還必須對(duì)光譜密度進(jìn)行控制，無(wú)論紫外光還是紅外光，太強(qiáng)都會(huì)對(duì)人體有害，可見(jiàn)光太強(qiáng)至少會(huì)造成眩光，也叫人不舒服。

　　2.1 強(qiáng)紫外光照射引起的危害

　　紫外光照射主要引起光化學(xué)反應(yīng)和光免疫學(xué)反應(yīng)，長(zhǎng)波紫外線對(duì)人體健康的影響主要是皮膚、眼睛、免疫系統(tǒng)。

　　對(duì)皮膚的影響。UV-A激活已存在于上部皮膚細(xì)胞中的黑色素，UV-A滲透到更深的皮膚層，結(jié)締組織和血管等受到影響，UV-A使得皮膚逐漸失去彈性并開(kāi)始起皺，導(dǎo)致過(guò)早衰老。最近的研究強(qiáng)烈地表明它可能會(huì)促進(jìn)皮膚癌的發(fā)展，初步認(rèn)為UVA會(huì)增加細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激。黑色素瘤是最嚴(yán)重的皮膚癌，是15-29歲群體中最常見(jiàn)的癌癥之一，雖然黑色素瘤約占皮膚癌病例的3%，但它導(dǎo)致超過(guò)75%的皮膚癌患者死亡。強(qiáng)紫外光照射對(duì)皮膚危害如圖2所示。

　　圖2 強(qiáng)紫外光照射對(duì)皮膚的危害

　　對(duì)眼睛損害。眼睛占全身經(jīng)常接觸光的表面積不到2%，是唯一可以讓UV-A深入人體的器官。UV-A可以引起黃斑病變、光角膜炎和光合結(jié)膜炎，光角膜炎是角膜的炎癥，而光結(jié)膜炎是指結(jié)膜的炎癥。

　　對(duì)免疫系統(tǒng)的影響。迄今為止的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都集中在UVB上，因?yàn)樗坪醣萓VA更有效的引起免疫調(diào)節(jié)，然而，近幾年醫(yī)學(xué)研究對(duì)UVA對(duì)免疫系統(tǒng)的影響研究一直在增加，有研究表明，過(guò)量的UV-A會(huì)抑制免疫系統(tǒng)功能。UV-A輻射被皮膚中的分子吸收，將導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的一些關(guān)鍵分子和細(xì)胞的分布和活動(dòng)發(fā)生變化，通過(guò)細(xì)胞和抗體改變免疫反應(yīng)的平衡可能會(huì)降低身體抵御某些疾病的能力。人和動(dòng)物免疫系統(tǒng)能力下降，表現(xiàn)為容易患各種疾病。

　　2.2 強(qiáng)可見(jiàn)光照射引起的危害

　　照射可見(jiàn)光太強(qiáng)至少會(huì)造成眩光，叫人不舒服?？梢?jiàn)光波段對(duì)人體健康的影響主要是指高能可見(jiàn)光(HEV)，即波長(zhǎng)在400-490nm范圍的藍(lán)光，他會(huì)產(chǎn)生對(duì)人眼視網(wǎng)膜的損傷，醫(yī)學(xué)上把HEV稱(chēng)為藍(lán)光危害(BLH)。

　　長(zhǎng)期在HEV照明環(huán)境中，有一些個(gè)體會(huì)引起不可逆的視覺(jué)細(xì)胞損傷，老年后增加黃斑病變的風(fēng)險(xiǎn)，黃斑病變使人失去視力能力，因是不可逆轉(zhuǎn)的病變，將無(wú)法治療。圖3給出了藍(lán)光危害致視覺(jué)細(xì)胞損傷引起黃斑病變情形。

　　圖3 藍(lán)光危害致視覺(jué)細(xì)胞損傷引起黃斑病變

　　2.3 強(qiáng)紅外光照射引起的危害

　　近紅外光照射讓人體并沒(méi)有明顯發(fā)熱的感覺(jué)，許多人甚至感覺(jué)不到發(fā)熱，這使得近紅外線對(duì)眼睛和皮膚等敏感組織特別危險(xiǎn)。人的眼睛無(wú)法檢測(cè)到近紅外線，因此，不會(huì)發(fā)生眨眼或閉眼幫助預(yù)防或減少傷害。人長(zhǎng)時(shí)間在這種含有近紅外線光譜下工作，近紅外線會(huì)提高了眼睛的內(nèi)部溫度，不斷“烘烤”著人眼。

　　醫(yī)學(xué)研究表明，長(zhǎng)時(shí)間接觸紅外線會(huì)導(dǎo)致晶狀體，角膜和視網(wǎng)膜損傷，角膜潰瘍和視網(wǎng)膜灼傷，人眼長(zhǎng)期受到高強(qiáng)度紅外線輻射會(huì)產(chǎn)生玻璃體渾濁，對(duì)于一些體質(zhì)的人老年后容易產(chǎn)生白內(nèi)障。

　　近紅外線通過(guò)其熱輻射效應(yīng)使皮膚溫度升高, 毛細(xì)血管擴(kuò)張, 充血, 增加表皮水分蒸發(fā)等直接對(duì)皮膚造成不良影響。過(guò)量的紅外線輻射使得人體皮膚溫度升高, 毛細(xì)血管擴(kuò)張充血, 增加表皮水分蒸發(fā)等直接對(duì)皮膚造成不良影響，皮膚會(huì)過(guò)早衰老和色素紊亂，甚至出現(xiàn)紅色丘疹。圖4是強(qiáng)近紅外線輻射引起的人體紅色丘疹照片。

　　圖4 強(qiáng)近紅外線輻射引起人體紅色丘疹

　　2.4 各種光譜輻照度的合理值

　　圖5給出了一組自然可見(jiàn)光譜相對(duì)強(qiáng)度的分布情況。從太陽(yáng)光譜輻照度分布圖1和圖5可以看出，在可見(jiàn)光波段各光譜輻照度差別，除紫光部分小一點(diǎn)外，其他光譜輻照度差別不是很大，因此可在滿足GB50034-2013室內(nèi)照明指標(biāo)要求的條件下，對(duì)照可見(jiàn)波段太陽(yáng)光譜輻照度的比例，構(gòu)建健康照明光環(huán)境可見(jiàn)光譜部分輻照度大小。

　　圖5 一組自然可見(jiàn)光譜相對(duì)強(qiáng)度的分布

　　在IEC 62471:2006燈與燈系統(tǒng)的光生物安全標(biāo)準(zhǔn)[1]中，在標(biāo)準(zhǔn)文本P29~P42頁(yè)給出了從紫外到紅外輻射對(duì)皮膚、眼睛、視網(wǎng)膜傷害發(fā)射限值(Hazardexposure limits)，并將傷害的結(jié)果分成豁免級(jí)、低風(fēng)險(xiǎn)和中風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)，表1歸納總結(jié)了標(biāo)準(zhǔn)給出的結(jié)果。

　　表1 IEC62471:2006各種光譜傷害曝光限值要求

　　在IEC 62471:2006標(biāo)準(zhǔn)中，還將紫外、紅外、藍(lán)光對(duì)皮膚和眼睛的危害劃分為光譜輻照度和光譜輻亮度兩個(gè)大類(lèi)，具體參數(shù)見(jiàn)表2(原標(biāo)準(zhǔn)為表5.4)和表3(原標(biāo)準(zhǔn)為表5.5)。照度就是視光源為一個(gè)點(diǎn)光源測(cè)定其投射到單位面積上的能量;亮度是把人眼作為一個(gè)點(diǎn)去直視光源。

　　表2對(duì)皮膚表面和視網(wǎng)膜發(fā)射限量(照度值為準(zhǔn))

　　表3 對(duì)視網(wǎng)膜發(fā)射限量(亮度值為準(zhǔn))

　　這個(gè)IEC 62471:2006被歐盟采納并加嚴(yán)了部分要求后變成了EN 62471:2008，并在EC/244/2009 EUP指令中要求強(qiáng)制執(zhí)行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 藍(lán)光危害項(xiàng)目，并強(qiáng)制執(zhí)行。國(guó)內(nèi)參照IEC62471:2006發(fā)布了GB/T 20145-2006，其次GB7000.1-2015也參照IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。在構(gòu)造健康照明光環(huán)境非可見(jiàn)光譜參數(shù)值時(shí)，我們有必要遵循上述標(biāo)準(zhǔn)給出的發(fā)射限量。

　　3、健康光環(huán)境光源的性能評(píng)價(jià)

　　構(gòu)造出了人造的照明光環(huán)境，到底這樣的光環(huán)境是不是健康照明光環(huán)境，還必須進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。如何評(píng)價(jià)，這也是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

　　3.1 健康光源光譜評(píng)價(jià)

　　圖6、圖7是用LightingPassport測(cè)量的某一天太陽(yáng)光和普通白熾燈的R1~R15的顯色指數(shù)，同時(shí)也算出了Ra、Re。從兩圖中可以看出，某一天太陽(yáng)光和普通白熾燈的R1~R15的顯色指數(shù)幾乎相同，甚至白熾燈還好一點(diǎn)。但如果來(lái)看它們的光譜相對(duì)強(qiáng)度分布圖8、圖9，很快發(fā)現(xiàn)某一天太陽(yáng)光和普通白熾燈的光譜相對(duì)強(qiáng)度分布圖相差很大。

　　圖6 某一天太陽(yáng)光的各種顯色指數(shù)(左)

　　圖7 白熾燈的各種顯色指數(shù)(右)

　　圖8 某一天太陽(yáng)光譜的相對(duì)強(qiáng)度分布(左)圖9 白熾燈光譜的相對(duì)強(qiáng)度分布(右)

　　大家一致認(rèn)同太陽(yáng)光譜是最健康的光譜構(gòu)成，因此營(yíng)造健康光環(huán)境的光源，不僅可見(jiàn)光波段與太陽(yáng)光譜R1~R15的顯色指數(shù)非常接近，而且相應(yīng)的光譜強(qiáng)度分布也應(yīng)大致相同，同時(shí)還要有紫外和紅外光譜，且其光譜強(qiáng)度也應(yīng)遵循2.4所述，并占比也與太陽(yáng)光大體一致?？梢哉J(rèn)為光源光譜強(qiáng)度分布圖與太陽(yáng)光光譜強(qiáng)度分布圖吻合度大的照明產(chǎn)品，同時(shí)又滿足顯色指數(shù)、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等指標(biāo)要求的照明產(chǎn)品應(yīng)該是健康照明產(chǎn)品。

　　因此，如果用積分球或LightingPassport測(cè)量某照明產(chǎn)品，其Ri(i=1~15)值與太陽(yáng)光對(duì)應(yīng)的Ri值每一個(gè)的差別都小于10的話，可認(rèn)為該產(chǎn)品在光譜上是滿足健康照明光源要求的。太陽(yáng)光譜的特殊顯色指數(shù)Ri(i=1~15)理論上都是100。

　　3.2 健康光源光譜相對(duì)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

　　對(duì)于太陽(yáng)光譜的分布參數(shù)，CIE有NO.20和NO.85兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。GJB/T 150.7A—2009[2]與GB/T2424.14—1995采用了國(guó)際照明委員會(huì)第20號(hào)出版物CIENO.20 的太陽(yáng)輻射光譜分布;GB/T1865—2009，GB/T14522—2008，GB/T 16422.1—1999則采用了CIE NO.85[3]出版物中的太陽(yáng)輻射光譜。

　　CIE NO.20標(biāo)準(zhǔn)中，太陽(yáng)輻射光譜波長(zhǎng)范圍設(shè)定為280～3000 nm，共劃分了19 個(gè)帶寬，紫外線和可見(jiàn)光區(qū)域間隔為40 nm，紅外線區(qū)域間隔大多為200 nm，總的輻照度為1120 W/m2。GJB/T 150.7A—2009 明確表示該光譜代表了海拔4～5 km 環(huán)境的光譜，且強(qiáng)調(diào)在海平面和高海拔地區(qū)都使用此光譜;GB/T 2424.14—1995 則籠統(tǒng)說(shuō)是地球表面環(huán)境。

　　CIE NO.85 提供了海平面的日光光譜輻照度，其大氣衰減參數(shù)：相對(duì)空氣質(zhì)量為1，水蒸氣含量為1.42cm 沉積水，臭氧含量為0.34 cmSTP，地表反射率為0.2，空氣溶膠消光厚度(在λ=500 nm 處)為0.1 或0.27。它提供的海平面光譜波長(zhǎng)范圍為305～2450 nm，104 個(gè)波長(zhǎng)太陽(yáng)光的輻照度值，紫外線區(qū)域波長(zhǎng)間隔為5～10 nm，可見(jiàn)光區(qū)域和紅外線區(qū)域波長(zhǎng)間隔為10～20 nm，紅外線區(qū)域最大波長(zhǎng)間隔達(dá)到90 nm，總輻照度因空氣溶膠消光厚度不同而不同。當(dāng)相對(duì)空氣質(zhì)量為1，空氣溶膠消光厚度(在λ=500nm 處)為0.1，0.27 時(shí)，總輻照度分別為1090.40 W/m2和 1074.91 W/m2。

　　為了比較不同光譜分布輻照度的大小，根據(jù)CIENO.20 和CIENO.85兩出版物的光譜分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相同帶寬的輻照度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示[4 ]。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差別并不特別明顯。但大氣環(huán)境中許多因素會(huì)降低太陽(yáng)光到達(dá)地面的光譜輻照度，因此CIE NO.85 波長(zhǎng)范圍較窄，光譜更準(zhǔn)確、更細(xì)致，更接近地面太陽(yáng)光照射情況。

　　表4 不同出版物日光光譜輻照度

　　CIENO.20 和CIE NO.85這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在健康光源光譜相對(duì)強(qiáng)度評(píng)價(jià)中如何參照及具體應(yīng)用，還有待筆者進(jìn)一步研究。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　健康照明已是照明領(lǐng)域的熱門(mén)話題。綜上所述，健康照明主要是指用于照明的人造光源光譜與太陽(yáng)可見(jiàn)光譜非常接近(即仿自然光照明)，R1~R15的顯色指數(shù)都大于90;光源有害光譜成分劑量在安全范圍內(nèi)的前提下，光譜強(qiáng)度分布盡可能與太陽(yáng)光譜的一致。

　　照明必須滿足場(chǎng)所的功能性要求和人們的心理要求，既要求燈光的舒適度，又要求燈光在色溫、亮度、光與影的和諧度方面滿足人們的心理情緒。期望人們對(duì)健康照明內(nèi)涵進(jìn)一步明確后，能給出健康照明光環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為健康照明光環(huán)境的營(yíng)造提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)：[1]Reference Number CEI/IEC 62471:2006,Phtobiological safety of lamps and lamp systems[R].[2]GJB/T 150.7A—2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第7 部分: 太陽(yáng)輻射試驗(yàn)[S][3]Commission Internationale del'Eclairage. CIE Publication NO.85 Solar Spectral Irradiance[R]. Paris: 52 Bd Malesherbes, F-75008, 1989.[4]趙立華, 唐其環(huán).太陽(yáng)輻射試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的太陽(yáng)光譜分布[J].裝備環(huán)境工程. 2017,14(11):65~70.