照明環境、計量和非視覺響應

呂克·施蘭根，盧克·普萊斯 [著]

徐俊麗3，郝慧羽3，童蝶宏3 [譯]

郝洛西4，孔祥振1，汪統岳4，5 [校]

(1.埃因霍溫理工大學 智能照明研究所 人機交互設計組，埃因霍溫；2.英國公共衛生 輻射、化學和環境危害中心，迪德科特；3.蘇州大學 建筑學院，江蘇 蘇州 215031；4.同濟大學 建筑與城市規劃學院，上海 200092；5. 上海市養志康復醫院(上海市陽光康復中心)，同濟大學 附屬養志康復醫院，同濟大學 醫學院，上海 201619)

引言

光線對視覺至關重要，但從生命的最初幾周[1-5]開始，它也會驅動重要的非成像(NIF)效應，這些效應是決定睡眠[6]、晝夜節律[7]、警覺性[8，9]、情緒[10]和激素分泌[11]的重要因素。本文旨在為對光的非成像效應、時間生物學和健康方面感興趣的照明專業人員、決策者和研究人員提供參考。論文解釋并討論了一個標準化的光計量方法[12]，該方法基于五種類型的視網膜光感受器，每種具有不同的光譜敏感性，并可能有助于非視覺或非成像響應[13]。值得注意的是，視黑素蛋白是這五種光感受器類型中的一種功能性感光色素。

越來越多的證據[6，14-21]表明，視黑素蛋白的光譜敏感性是最成功和簡明的模型，可以預測中長期接受環境光的響應，如晝夜節律相移，或瞳孔大小、警覺性和褪黑素分泌的調節。然而，缺乏單一的作用譜或代替物可以完整地描述[13，22]實驗室環境中所有可測試的光強、作用時間、持續時長和光照模式變化的研究[23，24]。此外，現場環境中的光照效應通常被各種不確定因素所混淆，這些不確定因素包括非光照效應、個體對光敏感性的差異[25]、研究人群的差異以及現實生活環境中環境與行為控制的減少。在承認這些局限性的同時，我們將提供一些示例，說明基于視黑素蛋白的標準化光計量方法[12]已經可以在實踐中應用。

松果體分泌的褪黑素是一種重要、常用的晝夜節律標志物，光照對其夜間分泌的影響已得到證實[11，14，15，26，27]。人體的褪黑素有助于促進入睡和提高睡眠質量[28]，并且僅在習慣性睡眠期間分泌(達到可檢測水平)。夜間光照會急性抑制循環中的褪黑素水平[11]，但處于清醒或睡眠狀態本身對尿液中的褪黑素沒有直接影響[29]。在恒定的昏暗光線下，褪黑素水平在傍晚開始上升，并在夜間核心體溫(Core Body Temperature，CBT)達到最低點(表示為CBTmin)前2 h左右達到峰值，該最低點通常發生在(習慣性)覺醒時間前2 h[30，31]。

睡眠—覺醒周期與24 h褪黑素周期密切相關：習慣性就寢時間大約在褪黑素開始分泌后2 h(昏暗光線下)，而習慣性覺醒通常發生褪黑素開始分泌后10 h(昏暗光線下)，褪黑素開始分泌被定義為唾液褪黑素濃度增加并保持在4 pg/ml或其擬合振幅25 %以上的時間點[32，33]。在習慣性覺醒時間前后，褪黑素濃度下降，甚至在昏暗光線條件下也會降至無法檢測的水平。夏季在戶外生活一周，暴露在天然光下且沒有任何人工光時，通常褪黑素開始分泌的時間出現在日落前后，而結束分泌的時間發生在覺醒時間之前(日出之后)[34]。睡眠—覺醒周期的突然變化使褪黑素24 h曲線(幾乎)不受影響[35]，而一次適當作用時間和持續時長的實驗室光照可以將褪黑素節律的相位改變多達3 h[27，36]。然而，由蘇氨酸蛋白激酶(Salt Inducible Kinase 1，Sik1)調節的遺傳時鐘機制中的負反饋限制了光的相移效應[37]，在有時差反應的人類和大多數其他哺乳動物中，行為相移仍然限制在每天約1 h(一個時區)[38]。

光對24 h褪黑素曲線的影響如圖1 A～1 D所示。晨間光照會提前褪黑素分泌的時間，促進更早的就寢時間和入睡時間，而夜間光照會延遲褪黑素的分泌，從而導致就寢時間延遲[27]。晝夜節律系統認為發生在CBTmin之前的光照為夜間光照，而發生在CBTmin之后的光照為晨間光照[27]。日間光照可以增強夜間褪黑素的分泌[39]，增強生物鐘穩定性，并降低對深夜/夜間光照的敏感性[40-45]。即使在傍晚2.5 h的強光照射，也足以減少深夜光照對睡眠的急性破壞作用[46]。

圖1 (A-D)光對24 h褪黑素曲線的影響示意圖。該曲線標記著晝夜節律和習慣性睡眠期。后者由水平的深色矩形表示，淺藍色的線表示個體在24 h昏暗光線條件下的相應褪黑素曲線。紅色三角形表示核心體溫在(習慣性)喚醒時間前約2 h達到最低點的時間。垂直矩形表示特定的光照。(A)晨間光照會提前褪黑素分泌的時間(即支持更早入睡和覺醒)。(B)夜間光照會延遲褪黑素分泌的時間。(C)習慣性睡眠期間的光照會急性抑制褪黑素的分泌。(D)日間光照增強了隨后夜間的褪黑素分泌。(E-H)復式圖顯示了不同光照導致的人類睡眠—覺醒(SW)周期模式，每種模式從16L∶8D的幾天開始，隨后幾天的光照受到限制。(E)早上覺醒時，光照限制為1 h。(F)深夜光照限制為1 h。(G)在完全黑暗(D∶D周期)中，由于人類晝夜節律的內在周期略微超過24 h，每天SW周期的時間逐漸推遲。(H)每天早晨和晚上都有足夠的光線來穩定SW周期的理論示例Fig.1 (A-D)Schematic representation of the effects of light on the 24 h melatonin profile. This profile marks the circadian rhythm and the habitual sleep period. The latter is indicated by the horizontal dark rectangle，the light blue line represents the corresponding melatonin profile for an individual in 24 h dim light conditions. The red triangle indicates the time at which the core body temperature reaches its nadir at about 2 h before (habitual)wake-up time. The vertical rectangles denote a particular light exposure. (A)Light exposure in the morning advances the timing of melatonin secretion (i.e.，supports earlier bedtime and awakening). (B)Light exposure in the evening delays the timing of melatonin secretion. (C)Light exposure during the habitual sleep period acutely suppresses melatonin secretion. (D)Daytime light exposure strengthens subsequent nocturnal melatonin secretion. (E-H)Double-plotted actograms schematically showing patterns of the human sleep-wake (SW)cycle resulting from different light exposures，each starting with several days in 16L∶8D and with light restricted on subsequent days. (E)Light restricted to 1 h in the morning on waking，(F)light restricted to 1 h in the late evening light. (G)In complete darkness (a D∶D cycle)，since the intrinsic period of the circadian rhythm in humans slightly exceeds 24 h，the timing of the SW cycle drifts later and later across days. (H)A theoretical example with sufficient light each morning and evening to entrain the SW cycle

圖1 E、1 F展示了晨間、夜間光照對睡眠—覺醒周期的影響。當明暗周期的振幅較低，即白天和黑夜之間的對比不足時，晝夜節律是自由運行的。一個人如果生活在持續昏暗的光線下，其睡眠—覺醒周期會在第二天緩慢地延遲。這在圖1 G中有所描述。這是由于在昏暗的光線下，晝夜節律在其內源性周期內自由運行，人類平均約為24.2 h[35，47-50]。早晚光照的正確組合可以穩定晝夜節律，使其與24 h的明—暗周期保持同步，如圖1 H所示。

美國有研究表明，現代社會的人們大約有90%的時間在室內度過[51-53]。典型的人類室內環境在白天提供的光線相對較少，特別是與室外的天然光相比，室外照度可能高出1、2甚至3個數量級。例如，歐洲工作場所照明標準[54]規定，辦公室內維持水平照度的最低值在200～750 lx之間，這取決于具體任務，而室外水平照度可高達150 klx[55]。在晚上和深夜，人工光和發光顯示設備的廣泛使用導致人們長時間暴露在光線下[56]。這些非自然的光照條件影響了晝夜節律，增強了夜晚型傾向[34]。此外，眾所周知，現代生活方式和(非自然的)光照會導致更多的“社會時差”，這會對睡眠、表現、幸福和健康產生負面影響[57，58]。進化使我們適應了生活在更明亮的白天條件而不是現代的室內生活。對一個健康的照明環境而言，具有正常晝夜活動模式(即以白天為導向，通常在夜晚睡覺)的人在白天需要明亮的白光，尤其是在晨間，同時應減少深夜的長時間光照，并盡可能避免夜間光照(另見CIE立場聲明[59])。

盡管引言集中在時間生物學，但應注意的是，時間生物學響應只是對光的非視覺響應的一部分。本文描述的非視覺計量工具以及下文提供的信息，也可應用于其他視網膜光感受器對環境光的響應。

1 視網膜光感受器

本世紀初，研究人員發現了一種新的視網膜光感受器，即內在光敏視網膜神經節細胞[60](intrinsically-photosensitive Retinal Ganglion Cell，ipRGC)。這種光感受器除了接收來自視桿細胞和視錐細胞的外部輸入信號外，還含有視黑素蛋白，從而產生內在的光敏感性，因此得名[13]。圖2 A顯示了參與非視覺光感受的五種光感受器(短波視錐細胞、中波視錐細胞、長波視錐細胞、視桿細胞和ipRGCs)的光譜敏感性[12]，以及眾所周知的V(λ)函數(明視覺光譜光視效率函數)。對人類來說，視黑素蛋白光感受發生在可見光譜420～560 nm之間的短波長范圍內，在體內的峰值靈敏度在490 nm[13]?；谝暫谒氐鞍椎男盘杺鲗П纫晽U細胞或視錐細胞信號傳導更緩慢、更持久[63-65]。哺乳動物視網膜中至少有六種ipRGCs亞型(M1-M6)已被鑒定(迄今為止，人類為M1-M5)[66-69]。與視桿細胞和視錐細胞不同，ipRGCs有光敏樹突，橫向延伸到整個視網膜。圖2B顯示了視桿細胞、視錐細胞和ipRGCs的相對密度與視網膜偏心率的函數關系?；谝暫谒氐鞍椎墓飧惺茴A測了一系列日常光照下的時鐘介導和急性非視覺響應[21]。時鐘介導的影響包括睡眠—覺醒周期調節和晝夜節律相移，而光的急性反應示例包括褪黑素抑制、警覺性控制和穩態瞳孔直徑[17，18，20，21]。

圖2 (A)用于非視覺計量的α響應作用譜[12]，sα (λ)；短波視錐體響應(α=sc)、中波視錐體響應(α=mc)、長波視錐體響應(α=lc)、視桿體響應(α=rh)或視黑素響應(α=mel)，其中srh(λ)定義為等于暗視覺光譜光視效率函數V′(λ)。還繪制了明視覺光譜光視效率函數V(λ)。(B)視桿細胞、視錐細胞和 ipRGCs 的相對密度與中央凹偏心角的關系[61，62]。中央視野中沒有ipRGCs，但在該視野之外，它們的密度下降到一個穩定值。ipRGCs的最大密度為：20～25個cells·mm-2，比視桿細胞或視錐細胞的最大密度低4個數量級Fig.2 (A)The α-opic action spectra for non-visual metrology [12]，sα (λ)； S-cone opic (α=sc)，M-cone-opic (α=mc)，L-cone opic (α=lc)，rhodopic (α=rh)，or melanopic (α=mel)，where srh(λ) is defined to be equal to the spectral luminous efficiency function for scotopic vision，V′(λ). The spectral luminous efficiency function for photopic vision，V(λ)，is also plotted. (B)The relative densities of the rods，cones and ipRGCs by angular eccentricity from the central fovea[61，62]. There are no ipRGCs in the central visual field，but outside this field their density falls off to a steady value. The maximum density of the ipRGCs is 20～25 cells·mm-2，4 orders of magnitude lower than the maximum densities of the rods or cones

在5歲之前，人眼中的晶狀體仍能透過短波可見光，甚至接近320 nm的紫外線輻射[70](Ultraviolet Radiation，UVR)。大約在5歲時，它對UVR變得不透明。隨著年齡的增加，晶狀體在可見光譜的短波長范圍(即紫色和藍色)的透射率降低。因此，在年長時，視網膜光感受器接收的光輸入較少，特別是短波長敏感的光感受器(視桿細胞、短波視錐細胞和ipRGCs)。盡管適應機制和神經可塑性可以補償年齡引起的實際到達視網膜的短波長光的減少，但超過50歲時ipRGCs的數量隨著年齡增長而下降[71]。這種ipRGCs損失的同時，伴隨著細胞形態的變化和ipRGCs分布模式隨機性的顯著增加。

研究表明，隨著年齡的增長，視黑素蛋白光感受能力的下降可能在睡眠和衰老的神經認知效應中發揮重要的負面作用[71]，包括那些與癡呆癥以及一般衰老相關的影響。非視覺的晝夜節律調節能力隨著年齡增長而衰退[72-74]，從而對睡眠產生負面影響。部分研究不僅證實了這一假設，還觀察到在中老年人群中，更零碎和更不穩定的睡眠活動模式與更高的全因死亡率(高達20%左右)有關，該死亡率與年齡無關[75]。

2 基于明亮感知的視角量化光

傳統照明實踐主要針對視覺性能、舒適度和視覺領域等方面來量化照明設計、安裝以及光照，使用光通量(以流明為單位)、照度(以勒克斯為單位)和其他視覺相關量。這些量描述了明視覺條件下(即亮度高于5 cd/m2[76])光源的明亮感受(本譯文中的明亮感受指luminous sensation)，由視錐細胞驅動人類視覺響應。當眼睛適應非常低的亮度(低于0.001 cd/m2)時，就會出現暗視覺。在暗視覺條件下，由視桿細胞驅動視覺響應。亮度和照度之間的轉換取決于以球面度為單位測量的表觀光源尺寸，因此，一般的暗視覺和明視覺閾值無法以勒克斯表示。

就個體而言，光感受器遵循單變量原理，這意味著它們不能區分強度和波長的變化[77]。因此，人類對明視覺和暗視覺明亮感受的光譜敏感性可分別由光譜光視效率函數V(λ)和V′(λ)描述，見圖2 A。例如，光的光譜功率可以通過將每個波長分別乘以V(λ)或V′(λ)來進行明視覺加權或暗視覺加權。將所有波長的結果(即明視覺加權或暗視覺加權光譜)相加，并將結果乘以相應的效能常數(分別為K(m)和K′(m))，就可以得到光度單位(如流明、勒克斯或坎德拉)，如下文所述。

根據定義，頻率為540×1012Hz的單色光(相當于標準空氣中的波長555 nm(1)為了便于閱讀，將用555 nm代替λd≈555.016 nm來表示光的波長，對應于標準空氣中光的頻率為540×1012 Hz。)的發光效率為683 lm/W[78]。由于V(λ)函數在555 nm處達到其峰值，因此明視覺最大光譜光視效能(以常數K(m)表示)等于683 lm/W。暗視覺最大光譜光視效能(由常數K′(m)表示)等于1 700 lm/W，可由K(m)×V(555 nm)=K′(m)×V′(555 nm)的關系得出。

使用暗視覺效率函數評估的(光源)光輸出與使用明視覺效率函數評估的光輸出之比稱為S/P比值。S/P比值是光的光譜分布特征，根據定義，對于頻率為540×1012Hz或波長為555 nm(在空氣中)的單色光，S/P比值等于1。S/P比值大于1表示，1流明的光源(明視覺)對視桿細胞的激活作用比1流明的555 nm單色光大。

當眼睛適應明視覺和暗視覺條件之間的光照水平時，會出現中間視覺。在這一范圍內，即在中間區域，視桿細胞和視錐細胞的聯合作用決定了人類的視覺響應。然而，ipRGCs與視網膜適應有關[79]，并可能參與調節中間視覺和明視覺的敏感性[80]。

Do等[81]對ipRGCs及其功能進行了廣泛回顧，包括它們在視覺響應中的作用。早在2002年，Hankins和Lucas就已經證明，人類主要視錐細胞視覺通路的適應性會隨著一天中的時間而變化。該變化由一種非視桿細胞、非視錐細胞的感光色素驅動，其光譜敏感性曲線與一種峰值在483 nm的視蛋白：維生素A的標準曲線相匹配。由此產生的曲線現在被廣泛接受為感光色素視黑素蛋白的原型作用譜，并描述了ipRGCs的內在光敏感性。視黑素蛋白可以驅動視覺感知的另一個證明來自一個關于盲人的案例研究，該盲人缺乏功能性視桿細胞和視錐細胞，能夠報告480 nm的單色光刺激是開啟或關閉，但對其他波長的刺激卻沒有這樣的發現[82]。

最近的研究表明，視黑素響應可能對視覺響應有進一步的影響。當光刺激具有較大的視黑素響應量，同時對視桿細胞和視錐細胞來說是同等亮度時，人類的亮度感知(本譯文中的亮度感知指brightness perception)可能更強[83]，進一步的實驗更詳細地量化了視黑素蛋白對亮度感知的影響[84，85]。視黑素蛋白效應可以將亮度感知增加10 %，尤其是對于涉及亮度、色調差異很小或沒有差異的亮度辨別任務[86]。最后，值得注意的是，視黑素蛋白光感受器還可以提高粗糙圖案的可檢測性[80]。這些結果表明，視黑素蛋白不僅與非視覺響應和視覺適應有關，還可能對進一步的視覺響應如亮度感知和模式識別做出貢獻。然而，正確論證視黑素對視覺的影響在方法上是復雜的，且面臨許多挑戰[87]。目前，基于視黑素蛋白的光感受與實驗室環境以外的亮度感知的相關性尚未確定，值得進一步研究。

3 量化光的非視覺響應：α響應計量法

如上所述，ipRGCs中基于視黑素蛋白的光感受構成了非視覺響應的重要驅動因素。在工作中，許多照明設計師已經對光和照明的視覺、建筑和心理方面進行了廣泛了解。照明領域的專業人士越來越意識到，除了以視錐細胞響應為主導的指標如相關色溫(CCT)、照度和亮度外，還需要在規范、守則、建議和研究中考慮基于視黑素蛋白的光感受。這些指標都是量化或比較照明方案的有效工具，但它們不能取代一個經驗豐富的設計師對不同光效之間相互作用的整體理解。此外，NIF光感受與從各個方向到達眼睛的光線有關。這要求依據到達眼睛高度的光線來提出建議——例如，在垂直平面上垂直于視軸測量——而不是在水平面、墻壁或物體表面上的光線。

沒有單一作用譜或代替物可以描述所有眼部介導光的非視覺響應[13，22]。所有已知的五種光感受器都可以對非視覺效應做出貢獻，且每種光感受器的相對貢獻會隨著具體的非視覺響應，光照特性如強度、光譜、持續時長、作用時間(外部和內部/晝夜節律)，光照歷史和個體的睡眠剝奪狀態而變化。根據Lucas等[13]的綜述文章，國際照明委員會(CIE)——負責制定光和照明國際標準和報告的國際組織——發布了CIE S 026：2018“內在光敏視網膜神經節細胞受光響應的光輻射計量系統”[12]。這項新的國際標準定義了光譜靈敏度函數、量值和度量，以描述光輻射對每一種視網膜光感受器的刺激能力，這些光感受器通過ipRGCs對人類的非視覺效應和功能做出貢獻。

Lucas等[13]利用視蛋白模板和晶狀體透射率函數建立了五個作用譜，描述了已知的五種視網膜光感受器的光譜敏感性。CIE S 026[12]采用了與Lucas等[13]相同的視黑素蛋白作用譜；然而，采用了10°視錐細胞光譜靈敏度函數[88]和暗視覺光譜光視效率函數V′(λ)，分別描述視錐細胞和視桿細胞的作用譜，使其與現有標準和心理物理數據保持一致。

圖2A顯示了五種光譜加權函數或作用譜，sα(λ)。對于這五種(α響應)光感受器中的每一種，可根據(測試)光源的光譜輻射照度Ee，λ′，得到α響應輻射照度Eα′，見表1。測試光源的α響應輻射照度除以其照度Ev得到其α響應光輻射效能(α-opic ELR)。該α-opic ELR與標準日光(D65)的α-opic ELR的比值定義了測試光源的α響應日光(D65)光效能比(α-opic DER)。

表1 α響應計量術語表[12]，其中sα(λ)指圖2A中所示的α響應作用譜，Kα，v為“每流明的α響應刺激”，D65的Kα，v計算(即D65光源的為歸一化常數。計算α-opic DER有兩種方法：α-opic DER=α-opic ELR/α-opic ELR(D65)=α-opic EDI/照度Table 1 Glossary of α-opic metrology[12]，where sα(λ) refer to the α-opic action spectra shown in Figure 2A，Kα，v is the “α-opic stimulus per lumen，” Kα，v calculated for D65 (i.e.，the α-opic ELR for D65， is a normalization constant. There are two ways to calculate the α-opic DER：α-opic DER = α-opic ELR/α-opic ELR for D65 = α-opic EDI / illuminance

4 參考照明體、等效照度、S/P和M/P比值

日光是一種天然存在的刺激，人類在這種刺激下進化，因此它是評估和表達人類建筑環境中光照條件特性的重要參考。CIE S 026采用CIE標準照明體D65作為參考照明體，將五種α響應輻射照度的每一種表示為光度等效量(2)D65 代表色溫約為 6 500 K 的日光?？梢允褂闷渌麉⒖颊彰黧w(如標準照明體 A 或等能照明體 E)代替 D65 來定義等效照度，但應盡可能避免使用此類非標準的量。 Lucas等[13]在引入非視覺計量的“α響應等效照度”概念時，采用了等能照明體 (E)作為參考照明體[13，89]，但沒有明確提及所選擇的參考照明體。。這些量為五種α響應日光(D65)等效照度(α-opic EDIs)。每種α-opic EDI以lx表示，對應于為給定的α響應光感受器提供與測試光相等的α響應輻射照度所需的D65輻射照度。這里使用的術語“測試光”是指正在考慮的并區別于參考照明體的光。

CIE S 026中采用的光度等效概念不限于照度(單位lx)和亮度(單位cd/m2)。它也可以應用于其他量，如光照量(單位lx·h)，光能(單位lm·s)和發光強度(單位cd)(3)按照同樣的順序，與之相對應的光度量分別為α響應日光(D65)等效光照量 [lx·h]，α響應日光(D65)等效光能 [lm·s]和α響應日光(D65)等效發光強度 [cd]。。

在CIE S 026中，當描述測試光的光譜特性時，測試光的α-opic EDI與其照度之比定義了測試光的α-opic DER，見表1。換句話說，視黑素響應DER表示測試光的視黑素響應通量(M)與明視覺光通量(P)之比，這個無量綱的值可以有效地被認為是新的“M/P”。根據定義，對于參考照明體D65，該比率被歸一化為1。S/P比值是一個既定的照明度量。對于波長為555 nm的單色光，其S/P比值等于1，因為S/P比值有效使用了555 nm的單色光作為其歸一化參考照明體。如果視黑素響應EDI為30 lx，那么，測試光對ipRGCs的激活作用等效于30 lx的D65產生的效果。同樣，30 lx的暗視覺照度意味著，測試光對視桿細胞的激活作用等效于30 lx的555 nm單色光產生的效果。

5 α響應的光度量和輻射度量

在國際單位制(SI)中，輻射度量學被描述為“與電磁輻射(包括可見光)特性物理測量相關的計量學領域”。輻射量可以不加權，但光生物量通常根據合適的作用譜進行加權，該作用譜將輻射的相對效率描述為產生效應時的波長函數。

物理學家通常使用基于能量的輻射度量學，而光生物學家和光化學家通常使用光子系統，光與照明領域的專業人士則傾向于使用光度學。光度學使用特殊的國際單位制(SI)，如cd、lm和lx。通過當前定義的SI基本常數Kcd(Kcd≈Km，見前文)和光度量發光強度相對應的SI基本單位坎德拉(Candela)，輻射度量學、光度學及其單位密切相關。在七個SI基本單位(及其定義常數)中，坎德拉及其定義常數Kcd是獨特的，它與人類視覺有關，而不是一個基本的物理現象。光子系統與輻射度量系統非常相似，能量單位由光子數量代替(需要對光譜加權函數和數量進行調整(4)單個光子的能量E取決于普朗克常數h、光速c、波長λ和介質的折射率(例如nair)，因此，對于給定波長的Np光子(在光子系統中表示)，相應的輻射能量為Ee=Np·h·c/λ·nair。當把作用譜從光子系統轉換到輻射能量系統時，或者反過來，一旦調整應用于每個波長，整個作用譜也必須被重新歸一化，使其新的最大值等于1。)，由于涉及的數字非常大，通常獲取對數后進行呈現。

圖3說明了這三種計量方法之間的深層聯系。光度學系統中的一組量(照度、光通量、亮度)對應著輻射度量系統中光度加權的類似量(輻射照度、輻射通量、輻射亮度)，對應著光子系統中光度加權的類似量光子(輻射照度、通量、輻射亮度)。這些類似量的單位分別為(lx、lm、cd/m2)，(W/m2、W、W/sr/m2)和(m-2·s-1、s-1、sr-1·m-2·s-1)。對于視黑素響應量——具有完全相同的單位——各自的量是[視黑素響應日光(D65)等效照度，視黑素響應日光(D65)等效光通量、視黑素響應日光(D65)等效亮度]，視黑素響應(輻射照度、輻射通量、輻射亮度)和視黑素響應光子(輻射照度、通量、輻射亮度)。同樣地，對于其他四個α響應量，也有同樣的關系。根據CIE S 026的定義，視黑素日光(D65)等效亮度可縮寫為視黑素響應EDL。

圖3 三種計量方法以及與這些方法相對應的α響應量Fig.3 The three approaches to metrology and the α-opic quantities corresponding to these approaches

6 α響應工具箱

為了計算輻射度量、光子和光度學系統中的α響應量，并將其從一個系統轉換到另一個系統，CIE發布了交互式ExcelTM電子表格“CIE S 026工具箱”[90]。在CIE網站[doi：10.25039/S026.2018.TB]上，不僅可以免費訪問該工具箱，同時還提供了介紹視頻和用戶指南。工具箱功能包括加權函數、光譜加權圖和簡明術語表。

用戶可以輸入光譜測量值，并計算所有與輻射照度和輻射亮度的類似量，包括該光譜的照度和α-opic EDIs(圖4 A)。即使沒有實測的光譜數據，用戶也可以從內置的五種CIE標準照明體(A、D65、E、FL11、LED-B3；圖4 B)的光譜分布中選擇，以熟悉三個系統之間的聯系。

圖4 CIE S 026工具箱的表示：在一個白色屏幕且最高亮度的手機上，采用視黑素響應量有關的數字表示“輸入”(藍色背景區域)和“輸出”(白色背景區域)，觀察者距離手機屏幕150 mm處。(A)基于已知亮度367 cd/m2，假設發射光譜符合CIE照明體LED-B3，(B)基于相同亮度的實際測量光譜輻射照度[91]Fig.4 Representations of the CIE S 026 Toolbox：“Inputs” (areas with blue background)and “Outputs” (areas with white background)with numbers relating to the melanopic quantities for a mobile phone with a white screen at maximum brightness and an observer at 150 mm from the screen. (A)Based on the known luminance of 367 cd/m2，assuming the emitted spectrum conforms to CIE illuminant LED-B3，and (B)based on the actual measured spectral irradiance [91]with the same luminance

7 示例

CIE已提議將“integrative lighting”作為健康照明的官方術語，用于綜合反映在科學研究中對人類產生生理和心理影響的視覺和非視覺效應[59，92]。在健康照明的語境下，重新審視人們在日常生活中所處的光環境。為了研究并表征與非視覺響應相關的潛在光照量，我們對熟悉的光源進行了一些測量，包括采用先前的研究成果。

α響應工具箱用于更詳細地評估這些光源的絕對和相對視黑素響應含量。綜上，受制于視黑素模型在預測光對NIF響應方面的潛在局限性(見引言)，這些信息為光和健康的相關建議提供了有用的背景和進一步的證據。

7.1 實驗方法

所有光譜數據均經過次級校準并可追溯至國家標準的設備組進行測量，在英國公共衛生部內部(英國，牛津郡，迪德科特)進行維護。這些數據與相同來源的可比較的替代測量結果進行了核對。光譜設備組包括TE冷卻光譜輻射計(美國，紐瓦克，必達泰克公司)，通過光纖(英國，迪德科特，紐波特光譜物理有限公司)耦合到光學擴散器(英國，雷丁，邊沁)。

所分析的日光特征包括一個晴天(2020年5月29日)和一個多云(2020月6月18日)天氣，并基于來自太陽監測實驗室(51.575° N，1.318° W，海拔125 m)的全球光譜輻射照度數據，使用英國公共衛生部的內部采集軟件以5 min的間隔在水平面上測量。

圖5 B中于2020年5月29日04：25拍攝的魚眼圖像是平行系列的一部分，也是使用Q24半球戶外相機(莫博蒂克斯股份公司，總部，德國)在同一地點以5 min的間隔拍攝。

圖5 晴天的日照特征(2020年5月29日，日出04：55，日落21：10，英國夏令時)，基于英國牛津郡迪科特太陽監測實驗室的水平全球光譜輻射照度數據。(A)明視覺照度(灰色虛線)、暗視覺照度(橙色線)和視黑素響應EDI(藍色線)，插入的半對數圖，從04：10開始到日出結束*。(B)晴天(藍線，如上圖2020年5月29日)和陰天(灰線，2020年6月18日，日出04：50，日落21：25)的相關色溫(CCT)，以及插入了一張04：25的2π魚眼天空圖像。(C)視黑素響應日光(D65)效能比(視黑素響應DER，或M/P比值，藍線)、S/P比值(橙色線)和太陽高度(灰色虛線)，與標準日光照明體D65的視黑素響應DER和S/P比值進行比較(彩色虛線)。垂直箭頭表示可能由于局部地平線略微升高而造成的偽影。(D)視黑素響應DER，或M/P比值，根據反向CCT軸繪制(用CCT標記)，太陽高度標簽位于選定的成對數據點的旁邊。還繪制了CIE標準日光照明體(D55、D65和D75；空心菱形)、燭光(1 930 K黑體；實心菱形)、智能手機(加號，詳情見實驗方法)、家用LED(實心圓，n=25，詳情見實驗方法)，選定的辦公室LED和選定的路燈LED[合并為空心圓，n=16，也取自[93]Fig.5 Daylight characteristics on a clear day (29 May 2020，sunrise 04：55，sunset 21：10，times in BST)，based on horizontal global spectral irradiance data from a solar monitoring laboratory in Didcot，Oxfordshire，UK. (A)Illuminance (dotted gray line)，scotopic illuminance (orange line)，and melanopic EDI (blue line)，with an inset semi-log graph spanning the end of twilight (04：10)and sunrise. (B)The correlated color temperature (CCT)on a clear day (blue line，as above from 29 May 2020)and a cloudy day (gray line，18 June 2020，sunrise 04：50，sunset 21：25)，with an inset 2π-fisheye image of the sky at 04：25. (C)The melanopic daylight (D65)efficacy ratio (melanopic DER，or M/P ratio，blue line)，S/P ratio (orange line)，and solar elevation (dotted gray line)，with the melanopic DER and S/P ratio for standard daylight illuminant D65 for comparison (colored dotted lines). The vertical arrow indicates artifacts likely to be due to the slightly elevated local horizon. (D)Melanopic DER，or M/P ratio，plotted against an inverse-CCT axis (labeled by CCT)，with solar elevation labels next to selected pairs of data points. Also plotted are CIE standard daylight illuminants (D55，D65，and D75；open diamonds)，candle light (1 930 K blackbody；filled diamonds)，a mobile phone (plus symbol，details given in Experimental Methods)，domestic LEDs (filled circles，n = 25，details given in Experimental Methods)，selected office LEDs and selected street light LEDs [combined as open circles，n = 16，also taken from [93]

先前兩項研究[91，93]中，在溫度可控的實驗室條件下測量了LED的光譜輻射照度數據：第一項研究，現代智能手機模型(從2016年開始，2021年仍在廣泛使用)，以全功率顯示白色屏幕，在150 mm的距離處測量[ID 13[91]]。第二項研究中，LED照明樣品，包括任何40 W等效的GU10(聚光燈)和任何60 W等效的BC22(卡口燈泡)普通服務照明產品類型，在2015年的10天內可以在線或通過當地和全國商店(在艾爾斯伯里、海威科姆和牛津界定的區域內)向英國零售消費者提供。后者樣本比較了一些具有不同配置的LED照明產品，但不包括顏色可調產品[93]。

燭光的發射光譜被簡化為來自色溫為1 930 K的普朗克輻射體[94]。

7.2 結果：日光

在理想的晴天，水平明視覺照度、暗視覺照度和視黑素響應EDI遵循平滑的鐘形曲線，且視黑素響應EDI值與明視覺照度值相似(圖5 A)。這種接近的結果是由于使用標準日光照明體D65對視黑素響應EDI進行了歸一化。圖5中的日光特性可能與高海拔、不同大氣條件以及不同視場測量時的日光不完全一致。視黑素響應EDI在黎明前1 h增加(見圖5 A所示)，但相對于視覺測量的照度來說，它是減少的。因此，在黎明過渡期間，視黑素響應DER(=視黑素響應EDI /照度)隨著太陽高度的增加而減少(見圖5 C和5 D)。相反，在黃昏期間，視黑素響應DER隨著太陽高度的減少而增加*。從日光光譜數據獲得的其他特征在晴天也表現平穩，但圖5 B說明了多云天氣帶來了波動性，這里使用視覺度量相關色溫(CCT)進行示例。相反，在晴天(通過魚眼照片驗證，如圖5 B插圖所示)，CCT在黎明前后的幾小時內迅速下降。最小的CCT出現在黎明后或日落前1 h，在大約太陽正午的時候，CCT略有增加，達到局部最大值。大氣條件可能導致太陽正午兩側的光譜特征不對稱。

先前研究分析了若干天內平均的光譜和/或視黑素響應的日光時間序列數據[21，95，96]。然而，我們對晴天的結果和視黑素響應日光(D65)的效能比特別感興趣，如前所述，可以將其視為是一種M/P比值，與S/P比值相似(見圖5 C)，兩者都是圖5 A所示量的比率。與CCT一樣，這些比率高度依賴于太陽高度，因此也取決于給定日期的太陽時(solar time)。當太陽高度高于10°時，該比率保持穩定(即一天中的大部分時間)。對于D65，其CCT為6 500 K，根據定義，其視黑素響應DER或M/P比值為1，S/P比值等于2.47。當太陽高度高于10°時，觀察到的M/P和S/P比值略低于1(見圖5 C)，這反映了觀察到的CCT與D65之間的差異(見圖5 B)。當太陽落下或在天空較低的位置時，高高的地平線會遮住天空或太陽最亮的部分。這樣，樹木、建筑物和景觀可能會導致與原本可以觀察到的平滑曲線的偏差。圖5 D顯示了晴天日光視黑素響應DER對CCT的依賴性。在下一節中，將它與白色LED照明進行比較。

7.3 結果：白色LED照明

圖5 D顯示了顏色不可調的白光LED照明(2015年零售產品)的視黑素DER對CCT的依賴性，所有這些都基于藍色LED加黃色熒光粉，GU10和BC22家用LED作為一個單獨的系列顯示。對于家用LED(n=25)，CCT解釋了87%的視黑素響應DER差異，而CCT加上CRI(顯色指數，Ra)解釋了95%(多元線性回歸)。圖表顯示，常見LED技術的白光LED照明樣本與晴天日光，兩者的視黑素響應DER對CCT依賴不一致。此外，圖5 D中所有LED照明的視黑素響應DER明顯低于晴天日光，對于6 500 K的CCT來說，通常低25%左右。在其他CCT值中，相對于日光的視黑素響應DER更加不足，即使在調整了日光和LED視黑素響應DER系列中的CCT依賴性后，仍很顯著。換言之，這支持了一種觀點，即對于給定的CCT和光通量組合，該樣本中的所有LED燈在產生視黑素響應光時效率相對較低。先前也有報告稱，白光LED照明相對于天然光的視黑素響應效率較低[97，98]。除了降低照度外，較低的視黑素響應DER可能適合在夜晚和設計為休息的空間內使用，而在活躍的工作場所，較高的視黑素響應DER和較高的照度可能會產生一個更健康的日間環境。

7.4 結果：智能手機屏幕—工具箱示例

為進一步說明α響應計量和S 026工具箱，我們將考慮一個典型的現代智能手機產生的視黑素響應EDI(以lx表示)(圖5 D中以綠色十字表示)。人們對睡前使用顯示屏設備，包括在床上使用智能手機和平板電腦，對睡眠的影響存在一些擔憂。因為這些設備發出的光可能會對睡眠質量產生一定的影響[45，99，100]。因此，在此提出的數據將提供一個相關且有用的示例，將α響應量顯示在圖中。事實上，一些小組已經直接研究了不同光照量對睡眠的影響[25，26，100]。

工具箱中有兩種執行計算的方法。第一種是使用五種內置標準照明體(A、D65、E、FL11、LED-B3)光譜的簡化方法。第二種方法要求用戶輸入所考慮的測試光的實際光譜數據。選擇這兩種方法是為了說明為什么使用簡化方法(即從標準化的光譜分布中歸納結果)并不總是合適的，并且可能會導致錯誤。

7.4.1 簡化方法

選取一個LED全功率背光的白色手機屏幕，亮度為367 cd/m2[91]。如果光譜數據未知，假設該手機發出的光符合工具箱中內置的CIE照明體LED-B3，則可以使用工具箱。在此基礎上，可使用工具箱計算視黑素響應輻射亮度、視黑素響應日光(D65)等效亮度(視黑素響應EDL)和視黑素響應光子輻射照度(見圖4 A)。當觀看距離為150 mm，屏幕與人眼形成約五分之一立體角時，可以通過以下方式獲得視黑素響應輻射照度、視黑素響應EDI和視黑素響應光子輻射照度：

視黑素響應輻射照度 = 視黑素響應輻射亮度×立體角≈308 mW/sr/m2×0.2 sr = 61.6 mW/m2

視黑素響應EDI=視黑素響應EDL×立體角≈232 cd/m2×0.2 sr = 46.4 lx

log10視黑素響應光子輻射照度/(cm-2·s-1)≈13.88+log10(0.2)≈ 13.18

然而，我們可能無法依賴上述估算。假設智能手機的光譜符合LED-B3，這可能會導致問題，因為智能手機的光譜可能具有更高的藍光含量，并且與LED-B3不同，它是由三個或更多的單色LED產生的，而不是使用藍色LED與黃色熒光粉的組合。為了用準確的數字代替上述估算，需要使用實際的光譜數據。

7.4.2 光譜數據方法

當使用工具箱為選定的LED屏幕[ID 13[91]]收集光譜輻射照度數據時，工具箱輸出表(見圖4 B)給出了以下結果：

視黑素響應輻射照度≈85 mW/m2

視黑素響應EDI≈64.3 lx

log10視黑素響應光子輻射照度/(cm-2·s-1)≈13.32

該光譜分析表明，假設手機發出的光符合LED-B3的簡化方法導致對視黑素響應輻射照度和EDI被低估了近30%。

對于兒童和年輕人來說，距離手機屏幕(全功率白色屏幕)150 mm觀看，可能是最壞情況，但屏幕不太可能僅在最亮的設置下使用。屏幕上顯示的明暗混合的圖像會降低空間上平均的屏幕亮度，以及在用戶眼睛處測量的時間上平均的視黑素響應EDI。使用合適的應用程序也可以在晚上降低亮度和藍光發射的功率。最后，將手機保持在較遠距離，通過減少屏幕所占據的“視覺”區域來減少入射到眼睛處的平均視黑素響應EDI。

“在合適的時間推薦合適的光照”的初步指南中，以及在沒有正式共識的情況下，CIE的立場聲明[59]最近建議使用視黑素響應EDI作為調節非視覺響應的臨時方法。關于這種方法的進一步指導，現在可以通過第二屆晝夜節律和神經生理光度學國際研討會(2019年8月在曼徹斯特舉行)的同行評審出版物的形式獲得。本譯文在末尾新增的“關于健康照明建議的附加評論”章節中進行了簡要討論*?？赡苄枰M一步的研究來調研在此類建議中使用視黑素響應EDI的潛在局限性，并更詳細地探討α響應量與非視覺響應之間的相關性。隨著這一領域的發展，并認識到引言中提出的考慮因素，視黑素響應作用譜可被視為預測褪黑素抑制反應的良好模型：低于4 lx的視黑素響應EDI導致最小響應(<25%的最大褪黑素抑制)，高于300 lx的視黑素響應EDI強烈抑制唾液褪黑素(>75%的最大值)，這取決于光照持續時間和實驗環境[21]。此外，劑量—反應關系受個體間巨大差異的影響，例如，據報道，基于95%的置信區間[25]，人類對褪黑素抑制的光敏感性(即產生50%最大褪黑素抑制所需的視黑素性EDI)的個體差異超過一個數量級。連同表2中的視黑素響應EDI值，這些發現提供了不確定的證據，即夜間智能手機發出的光引起的褪黑素抑制是否達到了引起實際關注的程度。然而，夜晚長時間使用室內人工光可能導致與褪黑素抑制相關的光照量的可能性仍然存在。

表2 現代智能手機的顏色、RGB、照度、暗視覺照度和視黑素響應EDI，屏幕在其最大亮度下設置為統一的顏色，并在150 mm的距離處查看(手機ID 13來自[91])

此外，盡管上述研究表明智能手機屏幕對睡眠具有統計學上的顯著影響，一項更具代表性的研究[99]表明，與印刷書籍相比，4 h的電子閱讀(連續五個晚上重復，早上6：00起床時間)僅導致夜間總睡眠時間平均減少5 min，快速眼動(Rapid Eye Movement，REM)睡眠時間平均減少12 min。因此，從實際意義上來說，光的這些影響可能不太顯著。在現代(室內)生活方式中，白天光照不足可能更值得關注，并且如前所述(見引言部分和圖1D)，白天光照會增加晝夜節律的穩健性，并減少夜晚光照造成的干擾。

8 結語

光環境的日常變化對人們的睡眠、福祉和長期健康非常重要。我們對于視網膜光感受器在驅動非視覺效應方面的貢獻和相互作用的了解正在逐漸成熟。盡管科學研究仍不完善，但以視黑素響應EDI表示的環境測量現在被認為具有生態有效性。因此，對未來建筑和照明標準的新建議預計將包括白天視黑素響應EDI的最低閾值和夜間視黑素響應EDI的最高閾值。這些建議應與現有照明規范中的視覺部分謹慎整合。限制夜間視黑素響應EDI的一種方法是推薦較暗的照明，同時降低視黑素響應DER(即降低M/P比值)會使這種方法更有效。另一個建議是，在人們夜晚睡覺的地方，要盡量營造無光的黑暗環境。CIE S 026工具箱的推出，一部分是為了支持這一預期的照明實踐轉變，另一部分是使研究人員能夠為未來的照明標準、指南和健康建議收集更多的科學證據。

圖5 D顯示，晴天日光的視黑素響應DER明顯大于最近抽樣的白光LED照明樣本(一系列CCT)中的視黑素響應DER。這支持了一種觀點，即在給定的CCT和光通量的組合中，抽樣的LED在產生視黑素光方面的效率相對較低，這與已有文獻的觀點一致[97，98]。新的照明產品，包括那些具有可調M/P比值的產品，可能有助于解決這一問題。與日光類似，較高的M/P比值被認為可能是白天室內環境的一個有益特征。在建筑環境中采用更多日光是實現這一目標的好方法。

如果目的是盡量減少視黑素響應光照量，那么夜間用于導航和安全感知的照明應采用較低的M/P比值。增加日間光照可以減少夜間光照的不利影響[39-46]，日間光照可能與睡前避免強光同樣重要。白天，室內人工光可以再現室外環境的視黑素響應光照量(和其他方面)，盡管這需要大大增加室內照度。然而，日光是一種極好的、自然的、節能的且富含視黑素的光線來源，公共衛生政策應鼓勵在白天尋求(自然)光線的生活方式，尤其在早晨醒來的前幾個小時，以及從出生后的最初幾天開始。

9 關于健康照明建議的附加評論

最近，一個關于晝夜節律和神經生理光度學的國際研討會發表了一組關于白天、晚上和夜間光照的建議，以促進健康的日間活動的成年人最佳身心健康和績效[101]。該研討會的結論是，在大多數實際情況下，晝夜節律和神經內分泌的光譜敏感性，以及其他對眼部光照相關的非視覺響應，可以通過ipRGCs基于視黑素蛋白的光譜敏感性來描述。因此，關于如何在室內環境中更好地支持人類生理、睡眠和覺醒，研討會建議采用在用戶眼睛位置測量(檢測器方向與主要的視線方向一致)的視黑素響應EDI來表示：

(1)在白天，建議眼睛位置處視黑素響應EDI的最小值為250 lx。

(2)在晚上，至少在睡前3 h開始，建議眼睛位置處視黑素響應EDI的最大值為10 lx。

(3)睡眠環境應盡量黑暗。建議眼睛位置處視黑素響應EDI的最大值為1 lx，如果夜間某些活動需要視力，則最大值為10 lx。

這些建議適用于有日?；顒影才诺慕】党赡耆?18～55歲)，并提供了成功實現健康照明解決方案所急需的額外考慮和指導。這些建議并不是取代與視覺功能、舒適和能源消耗等相關的現有準則和法規。

附加說明：作者(LS和LP)希望指出，圖5 A和圖5 D中的一些小錯誤已在譯文中得到更正。圖5 A插圖已加入了正確的明視覺照度，圖5 D中，-0.2度的太陽高度標簽已更改為0.2度。此外，在該譯文中，一些文字已被修改以減少潛在的歧義，用*表示。

數據可用性申明：支持本文結論的原始數據受英國皇家版權保護，通常由作者提供，無不當保留。

作者貢獻：所列作者均直接對這部出版物做出了實質性的原創貢獻，并同意出版。兩位作者都以無償志愿角色為這一主題的灰色文獻做出了重大貢獻，包括[12]、[59]、[89]、[90]。

致謝：感謝瑪麗娜·卡佐娃(Marina Khazova)對測量工作的慷慨幫助。