采光照明非视觉效应的评价方法综述

蒋靖才，吴 蔚

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

引言

自2002年美国Brown大学的Berson教授发现本征感光视网膜神经节细胞(ipRGCs)[1，2]后，采光照明非视觉效应成为国内外科学研究的热点和前沿方向[3]。大量研究发现非视觉效应对人的生理节律有着明显的影响[4，5],小到产生睡眠障碍，大到影响DNA修复从而诱发癌症[6]。目前采光照明非视觉效应的研究方向主要集中在司辰视觉对人的光生物效应、采光照明的治疗作用、健康采光照明环境的研究[7]。

人类非视觉系统对光刺激的反应不同于视觉系统，对光源的光谱分布、光照强度和光照时间等的反应与视觉系统大不相同[8，9],更为明显的是即使相同的光刺激在不同的时间引发的非视觉效应也不同，因此其评价标准也不同于一般的采光照明标准[10]。

1 非视觉效应光谱响应曲线的实验研究

采光照明非视觉效应的评价是建立在非视觉效应光谱响应曲线的基础上，其精度直接影响各评价方法的准确性，我们故首先对非视觉效应光谱响应曲线的实验研究进行回顾，分析各实验方法的优缺点。非视觉效应的光谱响应曲线是通过测量受试者暴露在不同的光环境下身体生理参数的变化推导而得[11]，根据采用生理参数的不同可分为三种：基于褪黑素的抑制作用、瞳孔大小的改变、人体其他生理参数的变化[12]。

1)基于褪黑素的抑制作用。非视觉感光系统中一条重要的通道是将光信号传递到松果体，松果体根据光信号的不同来控制褪黑素的分泌，调节人体生理节律[13]。正常情况下松果体分泌的褪黑素量呈昼夜周期性变化，其在血液中的浓度白天降低，晚上升高，但光照刺激会抑制褪黑素的分泌量。因而可通过测量光照对人体褪黑素分泌的抑制水平来研究非视觉效应光谱响应曲线[14，15]。

Mclntye等[16]通过实验测定在晚上五种不同强度的光照下对褪黑素分泌量的影响。在强度为3 000、1 000、500、350 lx和200 lx的光下照射1 h后，其褪黑素分泌受到的抑制水平分别为71%、67%、44%、38%和16%，得出在1 000 lx的光照足以抑制褪黑素的分泌水平使其和白天相当。同时，Mclntye等[17]也发现通过延长低照度的光照时间，并不能达到短时间内高照度的光照对褪黑素抑制作用效果。此外，2001年，Brainard等[18]基于光照对褪黑素的抑制作用实验，得出非视觉效应的光谱光视效率函数曲线C(λ)，其峰值在464 nm，对应的最大光谱光视效能Kmc为17 396 lm/W。

2)瞳孔大小的改变。非视觉感光系统另一条神经通路是通过接受光刺激来调节瞳孔大小：司辰细胞接受到外界的光刺激后，将光信号传递到顶盖前橄榄核(OPN)再到动眼神经副核(EW)，通过睫状神经节(CG)控制瞳孔括约肌来实现对瞳孔大小的调节[19]。通过测量受试者在不同光照条件下的瞳孔对光反射，同时基于非视觉感光系统中瞳孔收缩的相关研究，推导非视觉效应光谱响应曲线。

黄海静[20]通过模拟教室照明并利用眼动仪等装置测量不同的照度和光源光色下瞳孔大小和识别时间的变化，分析了不同的照度、光源光色与非视觉效应间的关系，对大学教室非视觉效应的照明进行评价分析；并提出教室照度标准值可从300 lx提高到500～750 lx，光源宜选用色温为4 000 K左右的荧光灯。吴卒[21]也用该方法对办公空间天然采光进行了相关研究。此外，2008年Berman等[22]基于瞳孔大小变化的实验，推导出C(λ)的峰值处在491 nm，其对应的Kmc为3 616 lm/W。

3)人体其他生理参数的变化。采光照明对人体生理节律的影响还表现在心率、血压和体温等生理参数的变化，通过测量人体生理参数的变化可直接评价非视觉效应的采光照明。

Cajochen 等[23]先让受试者待在黑暗中2 h，然后暴露在不同波长的光照下或黑暗中，并监视整个过程中受试者体温、心率和褪黑素等生理参数的变化，得出在波长为460 nm的光照1 h后，体温会显著升高，在光照结束后还会持续一段时间；而用波长为550 nm的光照，体温没有较大变化，和不用任何光照的效果相同。 同样在波长为460 nm的光照1.5 h后，人体心率也会加快；而用550 nm的光照则没有任何变化。2011年，居家奇[24]实测不同色温的白光和不同波长的彩光对人体心率、血压和体温等生理参数的影响，通过对实验参数进行统计分析，得到基于人体生理参数变化的光谱响应模型，并用来评价非视觉效应的采光照明。

4)分析与讨论。褪黑素分泌水平的变化与司辰细胞接受外界的光刺激有着直接的因果关系，通过实际测量不同的光照条件下褪黑素的浓度来评价非视觉效应的采光照明具有较高的准确性。但该方法测量步骤繁琐，需要较长的光照时间和较高的光照强度，对于实际照明场景不具有即时性，而且该方法在低照度情况下失效。同时在白天人体血液中褪黑素的浓度较低，会对测量精度产生影响。

用瞳孔大小的改变来评价非视觉效应的采光照明具有实时、快速、客观的优点，实验重复性也较好。但瞳孔对光反射是一个较为复杂的动态过程，可分为相应潜伏期、最大收缩期、逃逸期和恢复期这四个阶段，在持续给光过程中瞳孔的不完全收缩是受到司辰细胞、视锥细胞和视杆细胞共同调节的[25]，只有光照后瞳孔反应(PIPR)这一时段，有且仅有司辰细胞参与，因此通过测量瞳孔变化来评价非视觉效应的采光照明，应重点考虑撤光后的瞳孔恢复期[26]。

采光照明对人体的非视觉影响最终会体现在体温、血压和心理等生理参数的变化上，采用人体生理参数的变化来评价具有直观、便捷、快速的特点，测量精度易得到保障。但是人体生理参数变化是周围各项因素相互作用的结果，如环境的温度、湿度、风速等，采光照明只是其中的一个因素，故对实验条件的控制提出了较高要求。

这三种基于不同身体生理参数的变化推导出来的非视觉效应光谱响应曲线，其实验研究方法均具有一定的科学价值和理论基础，所有结果都显示出在短波蓝光部分，特别是450～500 nm之间会产生较为明显的非视觉效应，但同时三者在实际操作和适用性上也均存在不同的优缺点(见表1)。非视觉效应研究还处在一个起步阶段，三种不同的实验研究方法不仅可以提供大量的实验数据来支持后续研究，而且还能帮助解开非视觉效应研究起步阶段中种种的不确定性因素。

表1 非视觉效应光谱响应曲线的三种实验研究方法比较

2 采光照明非视觉效应的评价方法

在实际应用中，对一个空间的采光照明的非视觉效应进行评价，是不可能每次都通过实验的方法来测量人体的生理反应，特别是建筑的采光照明设计是一个前瞻性的活动，需要在实施之前就能对其产生的非视觉效应进行评判。基于非视觉效应的光谱响应曲线，目前对建筑中非视觉效应的采光照明评价方法主要可以分成两大类：一是对静态的光环境进行评价，这类评价方法主要用于评价人工光源或空间中指定点某一瞬间的非视觉效应，如节律影响因子C/P值、生物节律刺激因子CS值、光剂量

法；另一类是利用计算机模拟的方法对建筑空间内动态的天然光环境进行评价，如加权的DA值、帽子图法、有效昼夜节律区域百分比CEA。

2.1 静态光环境的评价方法

1)节律影响因子C/P值。光学中由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的敏感度，为了更好的评价光源在低亮度水平下的视觉功效，引入S/P值。参考此方法，2004年Gall等[27]提出用节律影响因子C/P(即αcv)来评价采光照明非视觉效应的强弱，如式(2)所示。P表示明视觉下的光通量，C表示非视觉效应的等效光通量。

(1)

(2)

2006年Hubalek等[28]用该方法评价了某一时刻天然光的非视觉效应，2008年姚其等[29]用该方法对不同光源的非视觉效应进行了探讨，2009年居家奇等[30]用该方法比较了传统光源与LED在非视觉效应方面的差异，得出随着色温的升高，两者引发的非视觉效应均会明显提升。

2)生物节律刺激因子CS值。基于人眼中的感光色素和相关的神经解剖学的研究成果以及Brainad等[31]和Thapan等[32]提出的昼夜节律系统的光谱敏感性，2005年Rea等[33，34]提出了用计算生物节律刺激因子CS(Circadian Stimulus)，来评价光源对生物节律的影响，并在2012年进一步加以完善，CS是以百分比的形式来表达在该光照下暴露1 h对夜间褪黑素分泌的抑制作用，如式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

研究表明，在昼夜节律的光传导过程中有多种感光色素参与[35，36]。当波长超过500 nm时，光生物效应主要受司辰细胞的影响；反之，司辰细胞和蓝锥细胞(S-cone)会共同起作用。通过计算CLA时两个附加条件的判定，生物节律刺激因子CS很好的考虑到该方面的影响。2014年Bellia等[37，38]在对室内人工照明和办公室天然光环境的非视觉效应研究中，采用该光传导模型。2015年周晓明等[39]对该评价方法的准确度做了一些比较研究，发现该模型与实测额头温度变化结果的拟合相关度达到0.86。

3)光剂量法。采光照明引发的非视觉效应不但与光照强度和光谱分布有关，还受光照持续时间的影响。目前参考传统光度学理论发展出的对采光照明的非视觉效应评价，忽略了光照持续时间这一因素的影响，如上述中的节律影响因子C/P值和生物节律刺激因子CS值。针对此不足，2012年居家奇[12]提出用光剂量这一方法来评价非视觉效应的采光照明，即人眼在某一段时间内接受的等效光通量，其单位量纲与能量单位(焦耳)相对应，如式(5)所示。

(5)

在实际应用中，可首先通过光谱仪测出该点处光谱能量分布和照度值E，然后用公式(2)计算出C/P值，E乘以C/P值再乘以时间间隔，得出该测量时间段的等效光剂量密度，累加各测量时间段的等效光剂量密度，即可得到该照明环境下一定时间内人眼接受的等效光剂量。

2.2 动态光环境的评价方法

1)加权的DA值。非视觉效应的天然采光评价相对于静态的照明而言比较困难，其光照强度和光谱分布会随着时间、季节、天气、朝向等因素不断的变换，是一个动态的过程。虽然天然光的光谱分布在不断的变化，但其具有一定的规律。故在天然采光分析中，可以对天然光的光谱变化产生的影响做一定程度的简化，通过分析发现南方位的天空与CIE标准光源D65近似，北方位的天空近似于D75，对于东西方位的天空则是D55。基于Cajochen等[40]的光照强度与人类警惕性的相关性研究，可得出满足非视觉效应下D55的照度目标值210 lx，D65是190 lx， D75是170 lx。

不同朝向的建筑所受天然光的成分不同，如朝北的房间主要受到北方位的天空照射(D75)，其非视觉效应的天然采光目标照度值应为170 lx；东西朝向的为210 lx，朝南房间则为190 lx。全天然采光百分比DA(daylight autonomy)考虑到了全年气候和天空情况对建筑采光的影响，可以通过天然光动态模拟软件Daysim模拟出DA值，并借助加权来间接评价该房间天然光环境的非视觉效应。此外Daysim计算结果中输出全年照度文件(ILL)，可以利用MATLAB来生成光照时间分布图[41]，参考此图可定性的分析光照时间段和持续时间的这两因素的影响。

2008年Pechacek等[42]在提出用加权的DA值评价非视觉效应的天然采光，并用该方法对医院病房非视觉效应的天然采光进行初步分析。此后Sharon等[43，44]用该方法对波士顿历史街区的居住建筑非视觉效应的天然采光进行模拟分析，并对该建筑的修复和再利用提出一些建议。

2) 帽子图法。2012年Andersen等[45，46]根据光生物学的相关研究成果，并参考用加权的DA值来评价非视觉效应的天然采光的方法，提出一个新的模拟模型，并在2014年进一步完善。该模型如图1所示，用帽子图的表达方法来预测并可视化建筑内一定时间段内的非视觉效应程度和分布情况。

图1 空间中某一点天然采光产生的非视觉效应的瞬时值和全年累积值[46]Fig.1 Instantaneous and cumulative annual non-visual effect by daylighting at a point in space

首先根据Pechacek等[42]描述的方法可将建筑内某点接收的天然光近似成来CIE标准光源D55、D65和D75，然后将D65光源和D75光源产生的照度值均转换成D55的非视觉效应等效照度值，接着参考Cajochen[47]和Pipps-Nelson[48]的研究，将此值转化成该点天然光所产生的非视觉效应值，最后依据光生物学中关于曝光的时间对昼夜节律相位影响的大小，将一天分成三个不同的时间段，用式(7)分别对各时间段的产生的非视觉效应进行全年累积计算得到值，并用帽子图的方法可视化表达出来。

(6)

(7)

在图1中使用渐变的色彩来表达全年某一点天然采光产生的非视觉效应的瞬时值(15 min每步长)，为了方便识别0%用黑色表示，100%用白色表示，当没有天然光照的时候，用灰色表示。在6：00、10：00和18：00处用3条水平线将全天分成三个时间段，每个时间段的非视觉效应全年累积值用帽子图不同的环和不同的颜色表示，此外每个1/4圆对应着不同的视看方向，一般是上北下南。

3)有效昼夜节律区域百分比(CEA)。2017年，Konis[49]提出“有效昼夜节律区域百分比”(circadian effective area，CEA)这一指标，该指标开拓性的考虑了感光史这一因素的影响，并在此基础上引申出一系列的图示以更直观全面的评价和预测建筑内天然采光产生的非视觉效应。

文献[50，51]中首先引入“有效昼夜节律”这一概念，简称CE (circadian-effective)，指若建筑内某点在7:00—10:00间有某一方向接收的天然采光的等效昼夜节律照明(EML)，平均值达到健康建筑标准(Well Building Standard)规定的非视觉效应的最小光照刺激标准250EML，即认为这一天在该点达到了有效的昼夜节律。考虑个人感光史的影响，长时间的不规律光照也会对昼夜节律产生影响，为了评价在指定时间段CE的有效性(以1周时间为例)，文献[50，51]中引入“刺激频率”这一指标，简称stim.freq (stimulus frequency)，根据该天和随后6天内达到CE的天数来判断该天维持昼夜节律的效果，并分成5个等级，等级越高效果越好。该指标的详细使用方法如图2所示。

图2 在一周内天然光达到的有效昼夜节律CE天数决定刺激频率(stim.freq)，左侧显示依据stim.freq可将该天维持昼夜节律的效果分为5个等级A、B、C、D、F[49]Fig.2 Hypothetical daily exposure scenarios leading to varying stimulus frequency outcomes. Shown on the left are the five grades (A, B, C, D, F) developed to differentiate levels of entrainment quality

图3 每个月份教室内各测量点的stim.freq等级在空间上的映射分布和基于不同stim.freq等级下的CEA年度可视化叠加式表达[49]Fig.3 Combined performance visualization showing daily variation in Circadian Effective Area (CEA) based on varying entrainment quality grades surrounded by spatial mapping of monthly mean CEA within each of the five grades

评价一个建筑空间天然采光产生的非视觉效应是对该空间内所有的点的综合效果进行评价，其后Konis又引入了CEA[49]，表示一天中该空间内所有计算测量点中达到或超过设定的stim.freq的百分比。图3通过CEA这一指标可以较清楚的表示出建筑内天然光产生的非视觉效应，四周围绕的图片表示该月份平均的CEA值和各计算测量点的stim.freq等级在空间上的映射分布，中间的图表示基于5个不同stim.freq等级下的CEA年度可视化叠加表达。

2.3 分析与讨论

节律影响因子C/P值参考了光源在低照度下的评价方法(S/P值)，能较好地理解光源所产生的非视觉效应，但该评价方法仅考虑了非视觉效应中的光照强度和光谱分布的影响。在此基础上，居家奇提出的使用光剂量的方法，加入了光照时间长度的影响，有效的弥补了基于传统光度学理论发展出的非视觉效应评价方法中缺失的时间维度信息。

生物节律刺激因子CS值这一评价方法结合了神经解剖学、生理学、人眼视网膜中光敏色素的相关研究，具有较高的准确性。但由于该评价模型不是线性，需要对使用条件进行判定，还考虑了感光细胞之间的相互关系，较为复杂，故需要在精确度和方便性上做一定的折中，以方便实际应用。

加权的DA值这一方法虽然对天然光光谱分布变化的判定和天然采光照度目标值的设置过于简单，但是该方法综合考虑到了全年天然采光的动态分布，并将天空光划成不同成分分别考虑，这为以后非视觉效应的天然采光评价提供了思路。“帽子图”的方法就是在此基础上进一步完善的结果，不但综合考虑了天然光的光照强度、光谱分布，还考虑了光照时间段和光照持续时间对人产生非视觉效应的影响。此外，该方法以直观和简洁的方式显示出空间中某点指定视看方向累积的非视觉效应，具有较强的实用价值，建筑师可以参考“帽子图”来了解该空间在全年不同时间段的非视觉效应的特征，从而进行设计方案的调整。

有效昼夜节律区域百分比(CEA)则是可以在建筑设计的前期阶段对室内天然光环境的非视觉效应做出预测，并能具体分析该空间在每个月份内的天然光产生的非视觉效应。最重要的是该方法开拓性的提出了stim.freq等级概念，从而在一定程度上考虑了个人感光史这一重要影响因素。

采光照明引发的非视觉效应与人体对特定波长光的吸收特性有关，光源的光谱分布、光照强度、光照模式、持续时间和光照时间点都会对人体的昼夜节律系统产生影响，此外相关研究表明个人感光史也会影响到昼夜节律系统[52]。通过上文的比较分析可知，各种非视觉效应评价方法对这些影响因素的考虑也存在差异，优缺点也各不相同(见表2)，但这些评价方法之间都存在着一定的关联性，正是这些关联性促使了基于非视觉效应的采光照明评价方法不断发展和完善。

表2 采光照明非视觉效应的评价方法总结

3 结语

基于实验研究总结出的非视觉效应光谱响应曲线，推导出不同的采光照明非视觉效应的评价方法，这些评价方法有的还可以利用先进的计算模拟技术。尽管这些模拟技术可以对建筑采光照明实践产生相当大的便利，但均存在一定的缺陷，很少能全面考虑到影响采光照明非视觉效应的各个因素。

虽然目前采光照明非视觉效应的研究还不足以在建筑采光照明设计时给出一些满足人们非视觉效应需求的确切数值，但这些评价方法为我们衡量采光照明的非视觉效应提供了思路，并构建了一个可以持续发展的框架，当人眼非视觉系统的工作原理取得新的研究成果时，这些评价方法也会随之不断地更新和完善。