周曉明， 劉丹丹

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院 亞熱帶建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510641)

不同年齡群體的光生物效應(yīng)評(píng)價(jià)方式

周曉明*， 劉丹丹

(華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院 亞熱帶建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510641)

研究了照明光環(huán)境對(duì)不同年齡人群的光生物效應(yīng)定量評(píng)價(jià)方式。從光照轉(zhuǎn)換角度提出了一種考慮不同年齡人眼透射譜、瞳孔直徑以及受光面積的節(jié)律因子模型，選取3種不同色溫(3 000，4 000，6 000 K)的白光LED光源，在同種照度500 lx下實(shí)驗(yàn)測(cè)試其光譜分布，并對(duì)提出的節(jié)律因子進(jìn)行計(jì)算，與之前標(biāo)準(zhǔn)中考慮年齡的修正因子方式進(jìn)行了線性擬合對(duì)比分析。結(jié)果表明：在相同色溫下，隨著年齡的增大，節(jié)律因子值逐漸減少；而對(duì)于相同年齡，隨著色溫的增大，節(jié)律因子是變大的，此種規(guī)律與其他研究人員得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。從線性擬合相關(guān)度上來看，三種色溫下兩種考慮年齡的節(jié)律因子的直線相關(guān)度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有較高的相關(guān)性。較之于標(biāo)準(zhǔn)中的考慮透光譜方式，本文提出了另外一種考慮不同年齡人眼差異的光生物效應(yīng)評(píng)價(jià)方式，嘗試對(duì)人眼模型的透射譜進(jìn)行絕對(duì)而不是相對(duì)效應(yīng)的考慮方式。

非視覺生物效應(yīng)； 節(jié)律因子； LED光源； 年齡

1 引 言

人眼視網(wǎng)膜包含3種不同類型的感光細(xì)胞：視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞和第三類感光細(xì)胞。對(duì)于明視覺，主要作用的感光細(xì)胞是視錐細(xì)胞；而在暗視覺下，主要作用的感光細(xì)胞是視桿細(xì)胞。以往一直認(rèn)為人眼中僅存在這兩種感光細(xì)胞，直到2002年Berson等[1]發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜的第三類感光細(xì)胞—ipRGC(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell)，使人們認(rèn)識(shí)到人眼除了視覺通路外，還存在非視覺通路，將照明領(lǐng)域的研究從視覺范疇拓展至非視覺領(lǐng)域。光生物效應(yīng)，亦稱為光的非視覺生物效應(yīng)，具體表現(xiàn)為在第三類感光細(xì)胞的作用下，光參與調(diào)節(jié)人體生理體征、激素分泌、晝夜節(jié)律和瞳孔大小等人體生物效應(yīng)，同時(shí)對(duì)人體的警覺性和興奮程度也有影響。隨著研究的深入，基于光生物效應(yīng)的照明評(píng)價(jià)也受到了重視，目前可以明確的是光照對(duì)人體生理節(jié)律確實(shí)產(chǎn)生影響，但是具體的影響還有待更深入的研究，如什么樣的光照對(duì)人體是最佳的，這不僅與照明環(huán)境有關(guān)，而且還與人體本身相關(guān)，仍然存在很多不確定性[2]。

對(duì)于光生物效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)和檢測(cè)，目前所有光學(xué)測(cè)量?jī)x器均難以實(shí)現(xiàn)，原因在于光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線與傳統(tǒng)的明視覺函數(shù)V(λ)存在較大差異，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究均表明，短波藍(lán)光部分(460～490 nm)的光生物效應(yīng)比較明顯。光源及照明環(huán)境的光譜能量分布在實(shí)踐應(yīng)用中將變得尤為重要，因?yàn)樗瑫r(shí)影響了照明的視覺效果和非視覺效果[3]。

照明光的性能可用幾個(gè)主要參數(shù)表示：光照強(qiáng)度、光譜、空間分布、光照的時(shí)刻和照射的持續(xù)時(shí)間[4]。照明的非視覺生物效應(yīng)除了光源形成的外界光環(huán)境，也與人眼結(jié)構(gòu)有關(guān)，二者同時(shí)作用，共同決定光照下對(duì)人體產(chǎn)生的光生物效應(yīng)的程度。人類眼睛的特性并不是一成不變的，而是與年齡有著密切的關(guān)系。臨床研究表明，不同年齡人眼晶狀體的透射譜不同[5-6]，入射至視網(wǎng)膜的光與人眼透射率密切相關(guān)，而人眼透光率隨年齡的增長(zhǎng)而降低，具有統(tǒng)計(jì)意義上的規(guī)律性。在同一光照條件下，入射到不同年齡人眼視網(wǎng)膜上的光存在差異[7]，從而會(huì)影響其相應(yīng)的光生物效應(yīng)。此外，人眼瞳孔直徑的大小，以及視網(wǎng)膜的受光面積也與接收到的光量有關(guān)。關(guān)于人體褪黑激素抑制作用的研究表明，光照對(duì)青少年褪黑素抑制作用更顯著，如Figueio等人的研究[8]。居家奇對(duì)比了青年人和老年人在低照度彩光照明環(huán)境前后的心率變化[9]，發(fā)現(xiàn)在低照度彩光照明下能夠引起年輕人心率顯著變化，而并不能引起老年人的心率變化，說明同種光照對(duì)于不同年齡段人群產(chǎn)生的光生物效應(yīng)有所不同。因此，年齡、瞳孔直徑以及受光面積與光生物效應(yīng)之間應(yīng)該存在內(nèi)在聯(lián)系，在評(píng)價(jià)光照對(duì)人體的影響時(shí)，應(yīng)該將這些因素考慮進(jìn)去。

目前對(duì)人體褪黑激素抑制、瞳孔大小以及其他生理指標(biāo)方面的研究比較多，通過這些生理指標(biāo)在光照前后的變化率去定量評(píng)價(jià)光照對(duì)人體的影響，即光生物效應(yīng)的大小。從這些研究中，還得到了人體褪黑激素抑制率以及瞳孔收縮率與光照條件的定量關(guān)系[10-11]，其成果對(duì)于動(dòng)態(tài)調(diào)光提供了一定的依據(jù)。國(guó)際上對(duì)于如何定量評(píng)價(jià)光生物效應(yīng)的影響迄今尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有研究者提出光生物節(jié)律因子的概念去定量的評(píng)價(jià)光生物效應(yīng)，如Gall等[12]提出的acv模型，Rea等[13]提出的光譜靈敏度模型，Andrei等[14]提出的BioEq模型，居家奇[15]提出的光劑量概念等。有研究表明[16]，節(jié)律因子與實(shí)際生理變化具有一定的相關(guān)性。另外，在這些提出的評(píng)價(jià)模型中，acv模型和 BioEq模型在定量表征時(shí)都是只與光源有關(guān)，而與人體本身無關(guān)；光譜靈敏度CLA模型考慮了人眼特性，建立在已知的視網(wǎng)膜光敏色素和神經(jīng)解剖學(xué)與生理學(xué)的基礎(chǔ)上，但公式過于繁雜；光劑量模型考慮了時(shí)間因素，但與acv模型和 BioEq模型一樣不能反映不同年齡人眼的差異。

對(duì)于節(jié)律因子的研究表明，其與實(shí)際生理變化具有線性關(guān)系。本文在前人提出的節(jié)律因子的基礎(chǔ)上，將基于不同年齡人眼晶狀體透射譜以及瞳孔直徑對(duì)光生物效應(yīng)的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了分析，考慮了不同年齡段人眼統(tǒng)計(jì)意義上的差異性。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN V 5031-100: 2009[17]中給出了兩個(gè)關(guān)于人眼透射率以及瞳孔直徑的修正因子，本文中基于這兩個(gè)修正因子將Gall等人提出的節(jié)律因子評(píng)價(jià)模型acv進(jìn)行修正為acv(A)。另外本文考慮將通過人眼的光照進(jìn)行轉(zhuǎn)換，基于此提出一種新的節(jié)律因子模型M，并將這兩種節(jié)律因子對(duì)3種不同色溫白光分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性擬合比較分析。

2 原 理

2.1 光譜響應(yīng)曲線

光譜響應(yīng)曲線，又名光譜光視效率函數(shù)，是通過在一定的實(shí)驗(yàn)條件下(如不同的目標(biāo)張角、亮度水平)采用一定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行心理物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的。它反映的是一個(gè)由視覺系統(tǒng)接受光輻射能量并經(jīng)大腦信息處理后的一個(gè)心理物理量，受觀測(cè)者的主觀因素(心情、反映速度等)和客觀條件(年齡、健康狀況等)以及實(shí)驗(yàn)條件的客觀因素(亮度水平、目標(biāo)張角等)的影響[9]。

目前，對(duì)于明視覺的光譜響應(yīng)曲線V(λ)和暗視覺的光譜響應(yīng)曲線V′(λ)，國(guó)際照明委員會(huì)(Commission Internationale de L’Eclairage, CIE)已經(jīng)給出了明確的規(guī)定，中間視覺的模型在2010年CIE也給出了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于非視覺，其光譜響應(yīng)曲線C(λ)，由于其涉及的復(fù)雜性，在國(guó)際上至今還并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。研究者為此做出了大量的研究工作。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，非視覺光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)范圍主要在短波藍(lán)光區(qū)域。目前人們主要從3個(gè)方面建立非視覺光譜響應(yīng)曲線，分別是基于人體褪黑素分泌抑制作用、基于人眼瞳孔大小變化以及基于人體其他生理指標(biāo)變化，國(guó)際上普遍認(rèn)可的兩種非視覺生物效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線是前兩者。

明視覺光譜響應(yīng)曲線V(λ)峰值在555 nm，暗視覺V′(λ)峰值在507 nm。Brainard等[10]和Thapan等[18]從褪黑素抑制得到C(λ)的峰值分別為464 nm和459 nm。德國(guó)的Gall 等[19]基于Brainard與Thapan的褪黑素抑制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出一條光譜響應(yīng)曲線C(λ)，峰值在450 nm附近，此曲線被德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN V 5031-100:2009[17]所實(shí)施。Enezi等[20]提出了一條非視覺的光譜響應(yīng)曲線Vz(λ)，如圖1所示，它是通過基于單個(gè)視蛋白的數(shù)學(xué)模板所構(gòu)造，峰值在490 nm左右。Rea等[13]基于Brainard 等[10,21]和Thapan等[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了一條光譜響應(yīng)曲線并提出了一個(gè)結(jié)合多種感光細(xì)胞的CLA模型。Berman等[22]基于瞳孔收縮得到的峰值為491 nm。居家奇[9]從心率變化率得到峰值為497 nm的非視覺的光譜響應(yīng)曲線。

圖1 非視覺的光譜響應(yīng)曲線C(λ)[19]、Vz(λ)[20]、明視覺曲線V(λ)和暗視覺曲線V′(λ)。

Fig.1 Relative spectral sensitivity of the circadianC(λ)[19], melanopicVz(λ)[20], photopicV(λ) and scotopicV′(λ).

2.2 光生物節(jié)律因子acv

Gall等[12]提出光生物節(jié)律因子acv的概念，以此來量化評(píng)價(jià)光照對(duì)人體產(chǎn)生的非視覺生物效應(yīng)，表達(dá)式如下：

(1)

其中P(λ)是照射進(jìn)人眼的光譜功率分布,C(λ)是非視覺的光譜響應(yīng)曲線，V(λ)是明視覺的光譜響應(yīng)曲線。對(duì)于某一種光源acv是一個(gè)定值，但是對(duì)于不同年齡的人來說并沒有什么區(qū)別，也就是說沒有考慮年齡的影響。

在光度學(xué)測(cè)試中，我們通常用光通量Ф(單位:lm)來表征光量的多少，光通量是指單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小，光通量是說明光源發(fā)光能力的基本量，表達(dá)式如下：

(2)

其中，Km= 683 lm/W為明視覺下最大光視效率值；P(λ)為絕對(duì)光譜能量分布；V(λ)為明視覺光譜光效函數(shù)。

與此類似，光生物效應(yīng)的等效光通量為

其中C(λ) 是非視覺的光譜響應(yīng)曲線。

2.3 修正因子kbiol(A)

人眼的透射譜和瞳孔直徑都會(huì)影響非視覺生物效應(yīng)，德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)DIN V 5031-100: 2009[17]中提出了一個(gè)修正因子，將這兩種因素考慮了進(jìn)去，定義式如下：

(4)

其中A代表年齡，kbiol trans(A) 是對(duì)于人眼媒介基于年齡的修正因子，kpupil(A)是基于瞳孔直徑和年齡相關(guān)的修正因子。經(jīng)過修正之后，光生物效應(yīng)的等效光通量表達(dá)式為

(5)

修正因子kbiol trans(A)表達(dá)式為

其中τ(λ,A) 是人眼的透射率，在統(tǒng)計(jì)意義上隨著年齡的改變而改變，此修正因子利用的是對(duì)于年齡為25歲的一個(gè)相對(duì)效應(yīng)方式。在饒豐等人[23-24]關(guān)于不同年齡人群光生物效應(yīng)的研究中對(duì)于節(jié)律因子就是利用此修正因子。

kpupil(A) 是與瞳孔直徑和年齡相關(guān)的修正因子，表達(dá)式為

(7)

其中c=0.005 59。kpupil(A)是關(guān)于年齡A的一個(gè)函數(shù)，并隨著年齡的增大而減小，對(duì)于某個(gè)特定年齡通常被認(rèn)為是一個(gè)定值。

表1 不同年齡對(duì)應(yīng)的瞳孔直徑修正因子kpupil(A)

考慮上述因素后，評(píng)價(jià)因子可以修正為

(8)

2.4M因子

人體的眼睛是一個(gè)精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示[25]。光入射到人眼的眼角膜，然后集中到視網(wǎng)膜。進(jìn)入視網(wǎng)膜的光取決于瞳孔大小和眼組織的光譜透射。

圖2 人眼的組織結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的光譜能量分布是指照射到人眼眼角膜處的光照，記為Scor(λ)，可以通過下式轉(zhuǎn)換為視網(wǎng)膜上的光照分布

(9)

其中τ是人眼的透射率，如前所述，也是與年齡、波長(zhǎng)有關(guān)的一個(gè)因子；D是瞳孔的直徑(通常為2～8 mm)，本文中假設(shè)評(píng)估的是最大的可能的光生物效應(yīng)，光照下瞳孔擴(kuò)張到最大，取瞳孔直徑D為8 mm；Aret為視網(wǎng)膜上照明的區(qū)域面積[26-27]，本文中簡(jiǎn)化為與整個(gè)中央凹處相等，是個(gè)直徑為1.5 mm的圓形區(qū)域。

綜合上式以及acv公式，考慮到不同年齡段人眼的晶狀體透射譜存在統(tǒng)計(jì)上的差異性，本文提出一種改進(jìn)的節(jié)律因子，用以定量評(píng)價(jià)光照對(duì)不同年齡人員的光生物效應(yīng)大小，表達(dá)式為

(10)

其中為Sret(λ)為轉(zhuǎn)換至視網(wǎng)膜上的光譜分布，C(λ)為非視覺的光譜響應(yīng)曲線。

將式(10)與后述的式(11)和(12)結(jié)合，即可將M用于定量評(píng)價(jià)光環(huán)境對(duì)人體的光生物效應(yīng)大小。此評(píng)價(jià)模型將外界光環(huán)境與人眼本身因素相結(jié)合，考慮了光照入射至人眼處的光源本身的能量分布、人眼瞳孔直徑和受光面積、光照進(jìn)入不同年齡段人眼的透射率，綜合評(píng)價(jià)光照產(chǎn)生的非視覺作用的影響。

2.5 透射譜

人眼的透射率τ(λ,A)與光密度Dτ(λ,A)的關(guān)系式為

(11)

Van de Kraats 和 Van Norren[6]在年齡對(duì)于人眼透射率的影響方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。根據(jù)這些研究，他們基于人眼的散射和吸收光譜建立了一個(gè)對(duì)于人眼的光密度經(jīng)驗(yàn)公式，Dτ(λ,A)是波長(zhǎng)和年齡的函數(shù)。2012年CIE的技術(shù)報(bào)告[25]將這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式修改為下式，其中λ代表波長(zhǎng)，單位為nm；n代表年齡，單位為years。

(0.059+0.000186·A2)·11.95·exp(-{[0.021·(λ-325)]2})+

(0.016+0.000132·A2)·1.43·exp(-{[0.008·(λ-325)]2})+0.06.

(12)

不同年齡段人眼透光率光譜分布通過Van de Kraats 和Van Norren[6]的模型計(jì)算得到。通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到從10歲到70歲之間的光密度，將其轉(zhuǎn)化為透光率數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 不同年齡人眼的透射譜

從圖3可知，隨著年齡的增長(zhǎng)，人眼的透射譜不斷下降，藍(lán)光部分隨年齡增長(zhǎng)的下降速度大于紅光部分。這些差異必然導(dǎo)致在相同的照明條件下，不同年齡人眼的視網(wǎng)膜照度不同，從而對(duì)人體產(chǎn)生的非視覺影響不同。圖3中的透射譜數(shù)據(jù)是通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到。而在一些文獻(xiàn)中，例如文獻(xiàn)[28] 通過32個(gè)40歲及更大年齡的人眼晶狀體中得到完全透射譜，透射譜的總體趨勢(shì)是一致的。需要指出的是以上均是從統(tǒng)計(jì)意義上來說，個(gè)體差異顯然是存在的。

3 計(jì)算與討論

3.1 光源的光譜分布

本研究選取不同色溫的白光LED光源為研究對(duì)象。采用杭州遠(yuǎn)方公司的SPIC-200B型光譜彩色照度計(jì)測(cè)量光源的光譜分布，測(cè)量時(shí)調(diào)整光源與光譜彩色照度計(jì)之間的距離，使得照度計(jì)處的照度值相等(均為500 lx)，得到其相對(duì)光譜能量分布如下圖所示。

圖4 3種白色LED光源的相對(duì)光譜能量分布

Fig.4 Relative spectral power distributions of the three white LED light sources

3.2 計(jì)算結(jié)果與比較討論

由式(6)計(jì)算3種色溫下不同年齡段的透射譜的修正因子見表2。

表2 3種色溫白光下不同年齡對(duì)應(yīng)的透射率修正因子kbiol trans(A)

根據(jù)光源光譜計(jì)算光照對(duì)于年齡為10、20、25、30、40、50、60、70的人群對(duì)應(yīng)的兩種節(jié)律因子見表3、表4。本文中計(jì)算時(shí)非視覺的光譜響應(yīng)曲線采用Gall提出的C(λ)，此曲線在德國(guó)的DIN V5031-100: 2009這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)施采用。

從表3和表4中可知，兩種生物節(jié)律因子的趨勢(shì)是一致的。無論何種色溫LED，隨著年齡的增加，節(jié)律因子值均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槿搜弁干渥V隨著年齡增加而降低的緣故。在同種色溫情況下，年齡越大，節(jié)律因子值相對(duì)變小，即光照對(duì)年長(zhǎng)者產(chǎn)生的光生物效應(yīng)較小。LED色溫越高，節(jié)律因子值減小得越快，此種情況主要是因?yàn)楦呱珳豅ED的藍(lán)光成分較多，從圖3也可知人眼的透射譜在藍(lán)光波段隨著年齡的變化比較明顯。對(duì)于年齡較小者，隨著色溫的不同，對(duì)應(yīng)的節(jié)律因子值差異較大；而隨著年齡的增大，這種差異呈逐漸減小趨勢(shì)，表明年輕人的光生物效應(yīng)受到進(jìn)入人眼的光照度與色溫的影響較大，而色溫對(duì)老年人影響相對(duì)較小。將本文結(jié)果與早期研究進(jìn)行比較可以相互佐證。例如Figueio等人[8]關(guān)于人體褪黑激素的抑制作用的研究表明，光照對(duì)青少年褪黑素抑制作用比其他人更顯著，饒豐等人[24]關(guān)于青年人與老年人的心率變化實(shí)驗(yàn)表明，青年人的心率變化率大于老年人，并且青年人在高色溫光源下的心率變化大于低色溫情況。

表3 3種色溫白光下不同年齡對(duì)應(yīng)的修正后的光生物節(jié)律因子acv(A)

Tab.3 Modified biological rhythm factoracv(A) for different ages in three white LED light sources with different color temperatures

acvacv(10)acv(20)acv(25)acv(30)acv(40)acv(50)acv(60)acv(70)3000K0.31120.39710.34070.31120.28170.2250.17390.13010.09444000K0.44130.56730.48460.44130.39830.31470.24030.17730.12686000K0.70830.91460.77940.70830.63720.50040.37890.27630.1951

表4 3種色溫白光下不同年齡對(duì)應(yīng)的光生物節(jié)律因子M(A)

對(duì)于計(jì)算出的acv(A)與M(A)值做散點(diǎn)圖并做線性擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：3種色溫下兩種節(jié)律因子的直線相關(guān)度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，存在線性相關(guān)，表明本文提出的M節(jié)律因子與DIN標(biāo)準(zhǔn)中提出的考慮年齡的修正因子在評(píng)價(jià)光生物效應(yīng)時(shí)有很高的擬合度，M節(jié)律因子適用于作為不同年齡人群非視覺效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)方式。

圖5 3種不同色溫白光下兩種節(jié)律因子的擬合。(a) 3 000 K；(b) 4 000 K；(c) 6 000 K。

Fig.5 Linear fitting of two kinds of rhythm factor for three different color temperature white LED light sources. (a) 3 000 K. (b) 4 000 K. (c) 6 000 K.

4 結(jié) 論

目前在光生物效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)方面還沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)用較多的acv模型等均沒有將不同年齡的人眼透射率情況考慮進(jìn)去，事實(shí)上對(duì)于不同年齡人群，光照對(duì)于其影響是不同的。DIN V 5031-100: 2009標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于年齡提出一種修正因子，考慮人眼透射譜是相對(duì)于25歲年齡的相對(duì)效應(yīng)。本研究中提出了一種考慮人眼透光譜、瞳孔直徑以及受光面積的光生物效應(yīng)的評(píng)價(jià)方式，按照人眼結(jié)構(gòu)從光照轉(zhuǎn)換的角度建立節(jié)律因子M模型。選取了3種色溫的白色LED光源，對(duì)提出的節(jié)律因子進(jìn)行計(jì)算，并將兩種節(jié)律因子進(jìn)行了線性擬合。結(jié)果表明：在相同色溫下，隨著年齡的增大，節(jié)律因子值逐漸減少；對(duì)于同種年齡，節(jié)律因子隨著色溫的增大而變大。從線性擬合相關(guān)度來看，3種色溫下兩種考慮年齡的節(jié)律因子的直線相關(guān)度分別為0.958 08，0.958 33，0.957 22，具有較高的相關(guān)性。

目前對(duì)于老年人、色弱色盲等特定人群的照明方面的研究還比較少。不同年齡段人群的非視覺效應(yīng)是不一樣的，在照明需求上應(yīng)該有所區(qū)別。不同于DIN V 5031-100: 2009標(biāo)準(zhǔn)中的修正因子相對(duì)效應(yīng)的方式，本文將進(jìn)入人眼的光照進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化，提出了一種考慮不同年齡人眼的光生物效應(yīng)的評(píng)價(jià)方式，對(duì)于評(píng)價(jià)光環(huán)境對(duì)不同年齡人體產(chǎn)生的實(shí)際的影響提供了一定的依據(jù)，為不同人群選擇更加適合的健康照明生活環(huán)境提供了一定的指導(dǎo)。

[1] ERSON D M, DUNN F A, TAKAO M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock [J].Science, 2002, 295(5557):1070-1073.

[2] 徐嘉彬. 基于生理體征的光生物效應(yīng)照明研究 [D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2015. XU J B.TheResearchofLightingBasedonThePhysicalSignsofBiologicalEffectsofLight[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015. (in Chinese)

[3] AMUNDADOTTIR M L, LOCKLEY S W, ANDERSEN M. Unified framework to evaluate non-visual spectral effectiveness of light for human health [J].Light.Res.Technol., 2016:1-24. doi: 10.1177/1477153516655844.

[4] REA M S,
FigUEIRO M G, BULLOUGH J D. Circadian photobiology: an emerging framework for lighting practice and research [J].Light.Res.Technol., 2002, 34(3):177-190.

[5] KESSEL L, LUNDEMAN J H, HERBST K,etal.. Age-related changes in the transmission properties of the human lens and their relevance to circadian entrainment [J].J.CataractRefract.Surg., 2010, 36(2):308-312.

[6] VANDE KRAATS J, VAN NORREN D. Optical density of the aging human ocular media in the visible and the UV [J].J.Opt.Soc.Am. A, 2007, 24(7):1842-1857.

[7] LUCAS R J, PEIRSON S N, BERSON D M,etal.. Measuring and using light in the melanopsin age [J].TrendsNeurosci., 2014, 37(1):1-9.

[8]
FigUEIRO M, OVERINGTON D. Self-luminous devices and melatonin suppression in adolescents [J].Light.Res.Technol., 2016, 48(8), doi: 10.1177/1477153515584979.

[9] 居家奇. 照明光生物效應(yīng)的光譜響應(yīng)數(shù)字化模型研究 [D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2011. JU J Q.ResearchonDigitalizedModelofSpectralResponseforBiologicalEffectsofLighting[D]. Shanghai: Fudan University, 2011. (in Chinese)

[10] BRAINARD G C, HANIFIN J P, GREESON J M,etal.. Action Spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor [J].J.Neurosci., 2001, 21(16):6405-6412.

[11] 徐蔚. 基于瞳孔收縮的非視覺感光系統(tǒng)的研究 [D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2011. XU W.ResearchonNon-visualPhotosensitiveSystemBasedonPupilContraction[D]. Shanghai: Fudan University, 2011. (in Chinese)

[12] GALL D, BIESKE K. Definition and measurement of circadian radiometric quantities [C].ProceedingsofTheCIESymposium2004onLightandHealth,Vienna,Austria, 2004:129-132.

[13] REA M S,
FigUEIRO M G, BIERMAN A,etal.. Modelling the spectral sensitivity of the human circadian system [J].Light.Res.Technol., 2012, 44(4):386-396.

[14] ALADOV A V, ZAKGEIM A L, MIZEROV M N,etal.. Concerning biological equivalent of radiation of light-emitting diode and lamp light sources with correlated colour temperature of 1 800 K up-10 000 K [J].LightEng., 2012, 20(3):9-14.

[15] 居家奇, 陳枕流, 梁榮慶, 等. 使用光劑量評(píng)價(jià)照明的非視覺生物效應(yīng) [J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2012, 23(5):1-3. JU J Q, CHEN Z L, LIANG R Q,etal.. Evaluating the non-visual biological effects of lighting by light dose [J].ChinaIllumin.Eng.J., 2012, 23(5):1-3. (in Chinese)

[16] 周曉明, 徐嘉彬, 邵志棟. 光生物節(jié)律因子計(jì)算模型的研究 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(2):0217001-1-4. ZHOU X M, XU J B, SHAO Z D. Research of the calculation model of light biorhythm factor [J].ActaPhoton.Sinica, 2015, 44(2):0217001-1-4. (in Chinese)

[17] DIN V 5031-100 Opticalradiation physics and illuminating engineering-part 100: non-visual effects of ocular light on human beings-quantities, symbols and action spectra [S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2009.

[18] THAPAN K, ARENDT J, SKENE D J. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans [J].J.Physiol., 2001, 535(1):261-267.

[19] GALL D. Circadiane lichtgr??en und deren messtechnische ermittlung [J].Licht, 2002, 54(11-12):1292-1297.

[20] ENEZI J, REVELL V, BROWN T,etal.. A “melanopic” spectral efficiency function predicts the sensitivity of melanopsin photoreceptors to polychromatic lights [J].J.Biol.Rhythms, 2011, 26(4):314-323.

[21] BRAINARD G C, SLINEY D, HANIFIN J P,etal.. Sensitivity of the human circadian system to short-wavelength (420-nm) light [J].J.Biol.Rhythms, 2008, 23(5):379-386.

[22] BERMAN S M. A new retinal photoreceptor Should affect lighting practice [J].Light.Res.Technol., 2008, 40(4):373-376.

[23] 饒豐, 朱錫芳, 徐安成, 等. LED背光顯示器對(duì)不同年齡人視網(wǎng)膜照度、節(jié)律效應(yīng)和藍(lán)光危害的影響 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2015, 44(5):0417003-1-6. RAO F, ZHU X F, XU A C,etal.. Effect of retina illuminance, circadian rhythm and blue light hazard of LED backlight display on the human of different ages [J].ActaPhoton.Sinica, 2015, 44(5):0417003-1-6. (in Chinese)

[24] 饒豐, 徐安成, 朱錫芳. LED照明節(jié)律效應(yīng)隨年齡的變化 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2016, 37(2):250-255. RAO F, XU A C, ZHU X F. Change of the circadian effect of LED lighting with age [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(2):250-255. (in Chinese)

[25] CIE 203: 2012 incl. Erratum 1: a computerized approach to reflection transmission and absorption characteristics of the human eye [R]. CIE, 2012.

[26] VANNORREN D, GORGELS T G M F. The action spectrum of photochemical damage to the retina: a review of monochromatic threshold data [J].Photochem.Photobiol., 2011, 87(4):747-753.

[27] REBEC K M, KLANJEK-GUNDE M, BIZJAK G,etal.. White LED compared with other light sources: age-dependent photobiological effects and parameters for evaluation [J].Int.J.Occup.Saf.Ergonom., 2015, 21(3):391-398.

[28] ARTIGAS J M, FELIPE A, NAVEA A,etal.. Spectral transmission of the human crystalline lens in adult and elderly persons: color and total transmission of visible light [J].Invest.Ophthalmol.Vis.Sci., 2012, 53(7):4076-4084.

周曉明(1963-)，男，湖南衡陽人，博士，教授， 2004年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事物理場(chǎng)生物效應(yīng)的研究。

E-mail: zhouxm@scut.edu.cn

Evaluation of Photobiological Effects in Different Age Groups

ZHOU Xiao-ming*, LIU Dan-dan

(StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SchoolofPhysicsandOptoelectronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

This paper performed quantitative evaluation of the effects of light illumination environment on photobiological response of different age groups. From the perspective of light conversion, a biological rhythm factor model is proposed considering the ocular transmittances of different ages, pupil diameter and the illuminated area in the retina. Three kinds of white LED light sources (3 000, 4 000，6 000 K) with different color temperatures were selected and their spectral distributions were measured at the same illumination 500 lx. Then we calculate the rhythm factors, and make the linear fitting with the evaluation model which use the modified factor proposed in the former standard. The result shows that under the same color temperature, the biological rhythm factor value decreases with increasing age. For the same kind of age, the biological rhythm factor values increases with the increase of the color temperature. These results are consistent with some researcher’s conclusion. In addition, according to the result of linear fitting, the linear correlation of two age-related rhythm factors in three different color temperatures were 0.958 08, 0.985 833 and 0.957 22, respectively, with a high correlation. Compared with the way in the standard, this article proposed another evaluation model considering difference in human eye age, and attempt to use absolute rather than relative effects of the transmittance.

non-visual biological effects; biological rhythm factor; LED light source; age

1000-7032(2017)06-0721-08

2016-11-21；

2017-01-22

廣東省科技計(jì)劃(2015A010103005)； 亞熱帶建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(20115ZB17)資助 Supported by Science and Technology Project of Guangdong Province(2015A010103005)； Foundation of The State Key Laboratory of Subtropioal Building Science(2015ZB17)

Q682

A

10.3788/fgxb20173806.0721

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhouxm@scut.edu.cn