不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨

不同光源的人体视觉及非视觉生物效应的探讨
摘要：本文从明视觉、暗视觉及非视觉的三条光谱灵敏曲线出发，讨论不同视觉状态下，光源光谱对人体的作用。

通过测量各种常见光源的光谱，计算暗明比s/p 值和生物节律影响因子acv 值，对光环境进行评价。

另外，选取一天中自然光在各整点时刻的分布状态，计算acv值，
比较人工光源和自然光源的差异，从而得到色温对s/p 值和acv 值的影响，为高效、健康的光源选择提供依据。

关键词：非视觉生物效应s/p 值生理周期影响因子色温
1. 引论
人眼中有三种感光细胞。

最为人们熟知的是杆状细胞和锥状细胞。

锥状细胞在亮度水平大于3cd/m2 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0.001cd/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。

1924 年由国际照明委员会（简称C IE）承认的基于人眼对各种波长λ的光的相对灵敏度为光谱光视效率函
数。

明视觉光谱光视效率函数V(λ)，其最大值在555nm 处，暗视觉光谱光视效率函数V’(λ)，其最大值在507nm 处。

人眼的第三种感光细胞是对人体褪黑素抑制产生作用的一种细胞，对人体的生物周期起到调节作用。

褪黑素是松果体分泌的一种胺类激素，其分泌量随着年龄的增大而逐渐降低。

褪黑素作为一种光照周期的化学介质参与调节季节性繁殖活动，同时也是视网膜中重要的神经调质。

根据以往的研究，对于健康人体来说，446-477nm 的波长被认为是最可能对褪黑素分泌产生作用的范围[1]。

因此，具有高色温的光源相较于低色温光源对于褪黑素作用更强。

目前，褪黑素抑制作用光谱函数并没有达成共识，因此我们使用了由Gall 基于相关实验结果定义的c(λ)曲线[2]，明视觉曲线采用1978Judd-Vos 进行修正的2º视角光谱光视效率函数曲线，暗视觉曲线为1951 年CIE
暗视觉光谱光视效率函数曲线，如图1 所示。

c(λ)曲线相比于明暗视觉
曲线更加的向短波长偏移，其峰值在450nm 附近。

我们知道，各种不同的光源具有不同的光谱，而各类型光源的光谱又具有典型性。

由于人眼各种感光细胞的作用，不同光谱光源对人眼产生的作用也是不同的。

由此人们引入了s/p 值和acv 值两个参数。

光源光通量计算公式如式 1 所示，使用明视觉和暗视觉光谱光视效率函数可以分别求出明视觉下光通量和暗视觉下光通量。

因此，定义某种光源在暗视觉下的光通量与明视觉下的光通量的比值，为s/p 值，见式2。

其中683 为明视觉下最大光视效率值,1700 为暗视觉下最大光视效率值, V (λ)为明视觉下的光谱光视效率函数，V' (λ) 暗视觉下的光谱光视效率, P(λ)为已知光源的光谱能量分布。

由光通量Φ 的计算公式，我们类似的定义对c(λ)具有作用的通量c Φ ，如式3。

由于s/p 值和cv a 值分别是暗视觉V '(λ)和c(λ)的积分通量相应于V(λ)积分通量的比值，因此我们可以容易的得到cv a 值和s/p 值的关系，不考虑常数系数K ，两者比值即为暗视觉V '(λ)和c(λ)的积分通比值，如式5。

文中根据三种感光细胞的光谱效率曲线，使用s/p 值以及acv 值来衡量各种光源的作用。

我们知道，自然光是指大自然中固有的光源，日光和天空光是自然光最主要的光源。

由于宇宙运动的规律发生着地球自转运动，这样使自然光每时每刻都在发生着变化，它要受到时间、季节、气候、地理等条件的影响。

本文中，我们对一天的日光光谱分布也进行了测量，计算了相应的acv 值，拟得出自然光通常的光谱分布及光源色温对人造成的影响。

2. 不同光源与自然光光谱测量及结果
2.1. 不同光源光谱测量
实验中选取了卤钨灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯和LED 五种不同光源类型，对于荧光灯和LED 选取了几种不同色温。

因此，所选用的光源共有10 种，光谱测量采用如图2所示的设备测量，使用STC300 0 快速光谱仪，将探头连接到积分球，并将数据传输到计算机终端进行处理。

图3-图12 为实际测量光源的光谱分布或是所选用的光谱分布。

2.2. 结果
表 1 和表 2 分别列出了各光源s/p 值、光效和acv 值。

色温较高的光源，其s/p 值和acv值相应较高。

图13 给出了各种光源明视觉光效值和暗视觉光效值，基本上暗视觉光效都要高于明视觉光效，色温越高的光源其暗视觉光效高出的比例也相对越高。

所有光源中，只有色温为2200K 的高压钠灯暗视觉光效小于明视觉光效，其它光源暗视觉光效都相对更高；基本上同一种光源色温增加时，暗视觉光效增加比例也增加，计算中发现，只有11000K LED 的暗视觉光效比明视觉光效增加的比例相比于20000K LED 更高；高压钠灯具有高的明视觉光效，而在暗视觉下，高色温荧光灯，金卤灯和LED 都具有较好的光效值。

图14 为光源的s/p 值和acv 值，横坐标按色温从低到高排列。

基本上随着色温增加，s/p 值和acv 值单调增加，但是色温同为3000K 的卤钨灯比金卤灯具有更高的s/p 值和acv 值，色温1100 0K LED 比20000K LED 有更高的s/p 值，而acv 值却比其低。

荧光灯为三基色光谱，其荧光粉配比的改变，使其色温变化，通常色温较高时，其450nm 波长附近光谱增多，由于荧光灯三个主要光谱带都较窄，因此随着色温变化，s/p 值和acv 值都是单调上升。

2.3. 自然光光谱测量
自然光光谱为选取2007.9.30 白天9：00-17：00，各整点时刻办公室窗口附近所测量的值，共9 种光谱分布，如图15-图23 所示。

测量仪器为STC3000 快速光谱仪.
表3 列出了不同时刻自然光acv 值。

由于测量时，天气晴朗有薄云，因此所测出的自然光的色温都比较高，一般在6000K 以上，所以其acv 值比较高。

图24 和图25 分别为9 时-17时acv 值变化情况和9 时-17 时色温及峰值波长变化情况。

对比两幅图，acv 值与色温变化较为一致。

相应地，色温最低的两个时刻13 时和17 量，其峰值波长在700nm 以上，其它时刻峰值波长在480nm 以下。

色温最高时出现在1 5 时，而此时acv 值也相应达到最大，最低值出现在17 时。

3. 结论与讨论
1）不同光源，通常色温越高时，s/p 值和acv 值呈递增趋势。

由三种不同的光谱响应曲线，V (λ)更多在长波长范围，V’(λ)和c(λ)偏向短波长范围，所以色温高时，相应的s/p 值和acv 值将会递增。

由此，在一些需要照明较暗的情况下，像道路照明或是住宅小区内的照明，可以使用色温较高的光源，这样在相同的照度水平（明视觉）下，将会达到更好的视觉效果；或者可以降低相应的照度水平，仍然可达到相同的视觉效果，保证节能。

同时较高的色温也能促进人神经的兴奋度，保证安全。

2）色温相同的光源，可以具有不同的s/p 值和acv 值。

色温相同的光源，其光谱分布可能不同，从而造成具有不同的s/p 值和acv 值，因此如果光源具有合理的光谱分布，即使其色温较低，也可以达到具有相对较高的s/p 值和acv 值。

文中，色温同为3000K 的卤钨灯和金卤灯s/p 值分别为1.72 和1.23，，前者为后者的1.4 倍，也就是说如果两种光源光效相同的话，那么在暗视觉的情况下，前者有效光效为后者的1.4倍；而acv 值分别为0.46 和0.35，前者是后者的1.
3 倍。

为此，我们在进行光谱最优化设计考虑到V’(λ)和c(λ)曲线的作用，可以进一步提高光源在某些应用上具有更好的性能。

3）自然光为连续谱，且相较于人工光源色温高。

由所测得一天中各时刻自然光来看，色温最低为6000K，高的达上万K，在一般情况下，日光的色温也在5000K 左右，而人工光源色温相对较低，且多为不连续光谱。

一些色温较高的人工光源，则通常会在某一短波长光谱附近特别丰富。

因此，可能人会比较适应自然光较高色温，但对
于较高色温的人工光源，需要进一步的研究。

4）合理使用不同acv 值可以对人体起到积极作用。

由c(λ)曲线，我们知道光源若具有较丰富的短波长光谱，则会有利于褪黑素的产生。

最近一些对于蓝光和褪黑素的研究表明，褪黑素对于睡眠、衰老及痴呆甚至是老年人记忆力提升都具有积极的作用，而使用蓝光（短波长光谱）照明有利于褪黑素的产生。

因此，适当使用高色温光源，即较高acv 值对身体具有积极作用。

但是，过多短波长光谱照明是否会产生副作用等，需要作进一步的研究。

自然光通常具有较高的色温，而其acv 值也相对比较高，同时这是一种人体长期适应的光，因此适宜的照射自然光是大有裨益的。

对于一些工作有特殊要求或是特定人群（年纪较大）所在工作场所，可以采用适宜色温光源，对于提高工作效率，维持人体生物周期等有益。

表 4 列出了一些光源的s/p 值和acv 值，在实际选用光源中可作为参考。

参考文献
[1] George C. Brainard, Ignacio Provencio. Photoreception f or the Neurobehavioral Effects of
Light in Humans. 2nd CIE Expert Symposium on “L ighting a nd Health”. 2006. pp: 6-21
[2] S Hubalek, etc. Ambulant recording of light for vision a nd non-visual biological effects.
Lighting Res. Technol. 38,4 (2006) pp. 314-324
[3] 章海骢. 照明科学中的新进展——眼睛的非视觉效应. 照明工程学报. 2006.9 pp:1-3
[4] 庞蕴凡. 视觉与照明. 中国铁道出版社. 1993.北京
[5] 姚其，林燕丹，陈大华. 从人眼视觉效应探讨绿色照明节能. 中国照明学会室内室外照
明专业委员会2006 年会暨照明节能研讨会论文集. 2006,12
[6] 张昱，卢明鸥. 褪黑素与睡眠、衰老及痴呆. 神经疾病与精神卫生. 2003 年第3 卷第4
期
[7] 宋萍，赵志奇. 褪黑激素的研究进展. 生命科学. 2000.8
[8] 侯桂芝等. 褪黑激素对老年人记忆力的影响. 实用老年医学. 2007.
2。