推动人本照明的发展，缺少不了相应标准，中国标准化研究院视觉健康与安全防护实验室的蔡建奇主任，在第四届云知光论坛上向我们分享了他们团队面向人本需求的光生物机理研究与标准研制成果，现在这里整理分享给大家，希望能对相关产品的生产起到一些指导作用。
蔡建奇
中国标准化研究院视觉健康与安全防护实验室主任
《照明工程学报》编委
全国眼面部防护标准化分技术委员会秘书长
CIE第六分部光生物与光化学分部委员
“光与近视”DR召集人
ISO TC274光和照明委员会WG4和WG5成员
ISO TC94/SC6眼面部防护委员会中国秘书处召集人
ISA TCS WG4健康照明工作组召集人员
今天我们谈的是人本照明也好，健康照明也罢，事实上都是一个概念，我认为人本照明是一种以光生物机理研究为基础，智能化应用为手段，通过对于光谱能量分布、光强及时间周期三者的有机变化，实现人体健康的照明方式。
因此，光对人体所产生的所有影响都来自这三者的联动关系。而从白炽灯到节能灯，因为光谱不可调，我们对于光的应用是被局限的，所以在当时，我们追求的所有事情都显得没有意义。但自从LED的出现，实现了光谱的可调性，使得光对于生理的干预，起到了基础的实现作用，才有了实现健康照明的可能。
所以，实现健康照明需要在几个层级上进行相关研究，第一是系统性的光生物机理研究。
第二是建立一套健康效果的评价系统和方法，因为传统的物理方法是针对产品的，它的主诉求是产品，它关注的也是产品的安全性和合格性、符合性的问题。但在健康照明时代，我们关注的是产品对于人所产生的效果，因此我们要建立的是包括表层客观生理评价以及微观生理系统一套评价体系。
最后，是将生理指标与物理指标建立明确的映射关系，从而指导产品的研发和设计。我觉得这才是健康照明需要做的事情，它最大的核心问题就是光生物机理研究。
1什么是光生物机理研究？
我们可以把光生物机理研究分成四个层级来看，首先是从原有的主观评价研究跨到客观生理指标研究，传统的主观评价历经了太长时间，它有优势之处，但存在的问题也很多。
其次是建立客观的生理指标评价，即从人的客观生理上实现定量化。然后再辅以细胞分子学和动物实验的微观研究，我们在蓝光方面的研究，就是通过细胞分子学和动物实验进行大量研究的。
最终通过蛋白质组学、细胞传导机制及神经环路研究，层层递进到微观的层级，我们才可以真正地系统化地把光生物机理的研究打通。但现在的研究，大都是处在第一层、第二层或在第三层浅尝辄止，第四层还没有相关的研究成果，所以这是未来需要去研究的。
我们团队从2011年开始进行光对人眼的视觉系统研究，主要研究的是三个方面，第一个方面是光对于我们人眼的前端，如角膜晶状体、睫状肌等的影响，这跟人的视疲劳相关。
第二方面是光对视网膜产生的影响，这其中有两类关系，一类是光安全，比如蓝光危害就是光对人眼的损伤问题，另一类是对人眼短中长三类细胞产生的色觉感知问题。
第三方面则是大脑层面的研究，目前主要研究的是光对视觉认知和脑力负荷的影响。照明对于脑力负荷的影响相对比较小的，反而是显示，特别是3D显示对脑功能的影响更大。
在我们的研究中，像脑部的背腹流研究，跟人的空间感知和平面视觉相关，对于大脑的负荷会产生比较显著的影响。除了3D的研究，在现有脑功能研究的基础上，我们延展出光对于人发育的影响，比如近视的发育，以及颜色感知等方面的问题。
今天给大家重点介绍的是光安全中蓝光对于人体的影响，以及国家关于近视防控的相关标准。
2蓝光对人体的影响
光损伤
很多人都知道蓝光是400-500纳米的波段，但谈到蓝光对于人体的影响，我们需要先知道光损伤是什么概念，它并不是指单独的一种损伤，而是分为三种损伤，分别是光化学损伤、机械损伤和热损伤。
光和人眼中的细胞产生化学反应，称之为光化学损伤，其中有两类是比较典型的，一类是紫外线导致晶状体浑浊产生的白内障；另一类是蓝光导致人眼的黄斑变性。
第二种机械损伤，一般大家很难碰到，它主要是由激光等强光源导致的损伤。
第三种热损伤是主要由红外热效应导致的损伤。我们的视网膜细胞正常存活温度是36±0.5度，当超过这个温度就可能会引起细胞活力的变化。而蓝光对于人体的影响，也并不局限于蓝光危害的问题，它对眼睛、皮肤和大脑三个方面都会产生影响。
短期损伤
近几年大家都在讲蓝光的危害，有些人甚至谈蓝光色变，这是因为他们还不够了解蓝光对于人眼的影响。
2013年，我们用小鼠和豚鼠进行了相关实验，随后我们发现，虽然鼠类跟人的DNA相似度达到了75%，但是结构性差异还是很大，所以我们又通过人眼视网膜细胞和感光细胞体外培植的方式，最终绘制出了一个400-500纳米（光谱）的人眼视网膜耐受曲线。
通过这些实验，我们发现人的视网膜对445纳米以下的蓝光耐受性很低，在这个状态下，可能200-300 lux 的等效照度，在2-8小时内就会使视网膜产生光损伤。
但是现在 LED 的光谱峰值主要集中在450-460纳米的范围，440纳米以下的光谱能量分布相对较低的，基本上占比4%-20%，因此常规的环境以450-480纳米范围作为峰值光谱，其实是没有问题的。
只是目前还存在一些在420-430纳米范围做激发的光谱，就还有待商榷。因此，细胞分子学实验证明了 LED 在短期内不会对人眼造成损伤，但因为细胞最多只能存活七天，所以它能够明确的只是短期损伤。所以，2019年3月，我们参与的CIE 蓝光危害立场声明中明确的 LED 对于人眼无害，强调的也是短期损伤。
非视觉影响
光的非视觉问题在行业里面已研讨了很长时间，它主要涉及的是光对褪黑素和5羟色胺等的影响。而所谓的非视觉也只是光对于人体影响中的一部分，并没有达到大家所说的，能够彻底调节人体节律的程度，因为它并不是一个单纯的机制导致的。
我们团队在为ISO/CIE编制21783非视觉影响国际标准提供实验研究基础的时候，发现光对人体产生非视觉影响，跟光强有很大的相关性，但并不是在任何的光强下都可以触发的。我们的实验发现当光照达到400 lux以上光强的时候，被试者产生了较显著的非视觉影响。同时它会有性别差异，男性会产生相对显著的影响，从褪色素到皮脂醇都会产生响应，而女性的响应是较低的。后续我们也会进行更深入的研究，找到更深层次的机理。
对皮肤的影响
2017年，我们团队完成的一个从成纤维细胞到人体实验的全链条实验，其结果都表明 420±20 纳米的蓝光会对人的皮肤造成光老化和色素沉积，这两个影响目前也已经在国家标准里面有了体现。比如在2019年发布的《蓝光防护膜的光健康与光安全应用技术要求》国标里，我们对于那些宣称防蓝光的眼镜、手机膜、护肤品类都做了相关的指标和光健康要求。
▲光对皮肤的影响3为什么中国人这么容易近视？
近视的诱因
自从去年八月份习近平总书记做了防止近视防控的指导以后，这方面在照明圈已经成为爆点。近视最大的问题是高度近视，因为它有可能会造成人眼视网膜脱落、黄斑变性，或者视网膜水肿等一系列可以致盲的疾病，而且高度近视还有遗传的机率。
近视的诱因可以分为四种，第一种跟遗传相关。正常人的眼轴长度平均值在24.5毫米左右，超过26-27毫米的被称为高度近视，而眼轴长度每增长一毫米，就可能等效三百度的近视增加。
所以如果你的眼轴长度超过26毫米，同时你是600度以上的近视，那么你的下一代出现高度近视的几率也会相应增高。
第二种是人种差异，为什么中国人最容易近视？其实中日韩都是全球近视排名前三的国家。因为我们东亚蒙古人种眼睛的巩膜最薄，所以我们很容易形成眼轴增长，因此有些孩子出现高度近视后，医生会用浓度0.01%的阿托品治疗，因为通过阿托品人眼会产生一种M受体，从而加固巩膜。
第三种是人工光和自然光的差异。因为我们对于自然光的变化性是有适应性的，但我们现有的光却基本上是以恒定为主的，这就形成了差异。
同时，户外光其实是有部分光谱可以跟我们的人眼产生光化学反应，从而加固巩膜的，我们目前在做大量的研究，希望找出是哪个光谱的作用。
第四种是作业环境的改变，这又体现在四个方面上，一是从视远转向视近，因为人体的视觉系统真正是在大脑中成像的，如果大脑长期得到的指令都是以视近为主的，它的中枢神经就会使你的视物方式向视近的方向发展，这是很明显的现象。
二是从面检索转向点检索，屏幕像素不断提高，“精细化”的观视不断增加。
三是从静态检索向动态检索的转变，大部分人原来是静坐着看书的，现在就可能是在不断移动中看的，这样我们人眼接受到的光就在快速不停变化，而瞳孔及睫状肌也因光的不断变化而不断调节。
四是用眼时长的增加。
所以，在这四个诱因的叠加下，中国以及欧美国家的近视率都在大幅度上升。
视疲劳
而近视问题中很核心的问题就跟视疲劳相关，累积加剧了近视。但我们如何去评价视疲劳？
首先我们要了解视疲劳的产生机理：一个视觉信号到视网膜成像，首先会通过视神经进入视皮层，如果信号清晰，我们的视皮层就会直接处理，大脑中就产生了一个印象。
但当信号不清晰的时候，我们的视神经就会反向控制晶状体和睫状肌，让它不断的调节，在调节过程当中，我们人眼的高阶像差，调节传递函数以及睫状肌的调节能力都会产生很大的变化，从而造成乳酸的堆积，最终产生视疲劳。
所以，基于对于视疲劳机理的分析，我们建立了一套评估光对于人眼视疲劳影响的体系。
它主要通过5项生理指标来进行评价，一是基于人眼的成像特性，其中调制传递函数（MTF）和高阶像差两个参数可以表征晶状体的成像质量，睫状肌调节力——人眼实现成像，需要通过睫状肌不断牵拉晶状体，使晶状体产生形变。
人眼的晶状体就像玻璃球一样，被人眼边缘的八悬韧带拉动，使它变凹或凸的形态，才使得我们可以看清楚东西。因此我们把这三类生理指标和眼轴长度、角膜屈光这5项指标建立了一套理想的光学系统。
角膜屈光提供了人眼80%的基础屈光，就像是照相机的前镜头一样，眼轴长度是焦距，前面三个生理指标则是变焦镜头的特性，通过这种方法，我们可以定量评价出光对于人眼视疲劳的影响。
视觉舒适度（VICO）评价指标
由此，我们也通过人因实验建立了一套关于视觉舒适度的体系，它主要按照一定的屈光梯度进行评价。
人因实验是通过测量一个人在视前视后的视功能变化来进行，首先我们会要求被试者休息二十分钟，使他的眼睛恢复到相对的最佳状态，接着给他测量前面所说的五类共五十多项的人眼生理指标，随后被试者会进入一个额定的光环境中，完成45分钟的视觉作业后，我们会再次测量他的生理指标，从而得出变化量，并以此最终评判出产品对于人眼视功能的生理影响。
这个实验的整个算法模型是基于我们的数据库所建立的一套神经网络，我们团队从2011年开始，通过近9年的人眼视功能实验，累计完成了15000人次以上的人眼视功能数据，其中包括了被试者从45分钟视觉作业到最长4个小时视觉作业的眼睛生理变化数据，这也是视觉舒适度（VICO）评价模型的重要基础。
产品评价小于指标中的“3”即为合格，但是运用在教室里的照明产品我们建议VICO值小于“2”，而目前我们测试的产品中，最好的产品 VICO 值也还没有达到1.5以下的。
通过以上各种生理实验和物理实验，我们最终建立了生理指标和物理指标之间的映射模型，即光品质模型。这些光品质的模型的建立，指导了很多LED照明、平板显示及VR眼镜生产企业的发展。青少年眼轴长度问题严重
我们团队对3700个学生进行的视功能生理实验研究发现，目前最大的问题在于我国青少年眼轴增长非常快速。
我们随机抽了一个小学班级进行实验，这里面都是9岁的儿童，但其中达到成年人24.5毫米眼轴长度的人数已经超过1/3。儿童从青春期到成年人的成长过程中，眼轴会增长1-1.5毫米，也就是说正常情况下儿童在青春期之前的眼轴长度应该是在23.5mm左右，但现在大量的小学生眼轴长度已经达到了24.5mm。
而根据我们在2011年和2019年做的小学生眼轴长度实验数据对比，2011年三年级学生的眼轴平均长度是22.93mm，到了2019年它变成了23.52mm，相差约为0.6毫米，原有的远视储备已经几乎没有了。所以说儿童青少年的眼轴长度问题已经是极度严重的问题了。
而目前我们团队在朝师附小、绵阳中学通过眼镜的验配、光环境的改造和视环境的跟踪等方法，在近视防控上也取得了一定的控制效果，但真正要改变光对人眼的近视影响，还是需要我们通过蛋白质组学和细胞传导环路的研究，找到不同的光谱对于眼轴M受体的具体影响，只有找到这个了，才能通过光真正有效地抑制近视。
国家近视防控标准
最后重点介绍两个近期由我们团队主导编制的国家标准，一个是《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》国家强制标准，里面规定了与近视防控相关的教辅材料、普通教室照明、读写台灯和教学多媒体等儿童青少年学习用品的卫生要求及检测方法。
另一个是《信息化教学环境视听健康设计要求》行业标准，里面规定了教学环境的音响、照明、显示及信息化教学内容物的要求。
结合两项标准的制定和我们的研究，我们建议未来更好的照明方式可能是非直接的照明方式。因为通过我们大量的人眼视功能实验，我们发现间接照明的方式，或者是非直接的照明方式对于人眼来说更优。其次是对于蓝光的规定，后续的相关标准都允许LED照明应用于教室照明场所，但对于蓝光会统一要求，教室照明灯具和书写板照明灯具都为RG0。
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