人性化照明（HCL）设计：LED如何促进身心健康和提高工作效率

自地球历史的最早期起，太阳光一直影响着大多数生命形式的进化。植物进行光合作用，鸟类和动物建立白天或夜间行为模式，甚至鱼类和海洋无脊椎动物也对穿透海面的光线敏感。人类也不例外。在每天的24小时内，昼夜节律周期控制着我们的睡眠、觉醒和警觉性，而昼夜节律周期深受光线的影响。

睡眠对于保持身体健康、促进疾病痊愈、对抗感染、调节胰岛素和促进记忆的形成至关重要。睡眠不足会导致不健康的炎症、免疫反应降低和糖尿病。此外，疲劳还会降低我们进行学习、清晰思考和作出决定的能力。举例来说，在睡眠时间不足四小时的情况下驾驶汽车对反应能力和判断力的影响与人体血液酒精浓度为0.08时相同。¹

 

人性化照明需求

自工业革命以来，越来越多的日常生活在室内进行，包括学校、办公室、零售商店、娱乐场所、工厂和家庭。人工照明如今无处不在，并且经常取代了过去调节人类昼夜节律的自然光。糟糕的照明设计方案会扰乱我们的昼夜节律，不仅影响个人健康，还广泛影响工作效率和工作场所的安全。因此，了解如何为家庭、学校和工作场所提供适当的照明以更好地促进人类身心健康和提高工作效率至关重要。

近几十年来，关于光线如何影响人类警觉性、情绪、睡眠模式和工作效率的新研究与新型LED产品的开发几乎同步进行。这些新型LED产品可用于经过细致调整的照明方案，为广泛的人类活动提供最佳强度(亮度)和颜色(色度)的照明。人性化照明（HCL）是一门新兴的科学，专注于研究光线对我们产生哪些影响，以及如何设计适当的照明方案以支持和增强人体机能和健康。

人类理想的24小时昼夜节律周期：早晨的日光将我们唤醒，并在整个白天提高我们的警觉性和身体机能。傍晚的日落和较低光线水平则会触发我们体内褪黑激素的释放，这有助于我们的身体为睡眠作好准备并优化睡眠。干扰此昼夜节律周期的因素包括晚上过于明亮灯光的侵入，或者白天缺乏含有蓝色波长的明亮光线。

人类如何感知光线：明视与黑视视觉之比较

人眼中的视杆和视锥细胞接收光线，并将信号发送到我们的视觉皮层（位于大脑枕叶的图像处理中心）。此系统被称为人类的明视视觉。在过去的20年里，研究人员在人眼中发现了另一种光敏细胞，即视网膜神经节细胞（RCG），也称为光敏视网膜神经节细胞（ipRGC）。不同于视杆和视锥细胞，RCG细胞向大脑的下丘脑区域发送信号，即人类昼夜节律“时钟”的位置。下丘脑具有多种功能，包括控制褪黑激素（调节睡眠周期）的释放。此系统被称为人类的黑视视觉。

人性化照明科学正在帮助我们了解人类黑视视觉的工作原理以及人体如何对不同特性的光线作出反应。其中，一个重要的考虑因素是光源的波长分布或光谱功率分布（SPD）。人类的昼夜节律系统由光谱中青色/蓝色波长范围内波长的存在或缺失触发。这些波长普遍存在于白天的日光下，可以提高人类的警觉性和注意力，并改善我们的情绪。

自然光的光谱功率分布（SPD）：典型的正午阳光（左）包含大量青蓝色波长。相比之下，当光线穿过地球大气层的角度导致大部分光线为琥珀色/橙色/红色波长时，蓝光将会在日落时减少（右）。（图片来源：LED Dynamics）

相关色温（CCT）和人性化照明（HCL）概念

相关色温（CCT）是一种表征任何光源颜色外观的方法。白光是由可见光谱中所有颜色的各种组合产生的。每种波长的不同数量组合会导致光线看起来“更冷”（更多蓝色/青色波长）或“更暖”（更多琥珀色/红色波长）。
光源的相关色温（CCT）是指黑体轨迹上与光源色度坐标（称为“色温”）最接近（在感知上）匹配的点，以开氏度（K）为单位测量。较低的CCT 值（例如，1800-2700 K）被视为暖色调，中性白光的CCT值约为4000 K，5000 K及以上的较高CCT值则是最冷的光线色调。

有关相关色温（CCT）、CIE色彩空间、普朗克（黑体）轨迹、光谱功率分布（SPD）和相关概念的进一步说明，请参阅此博客文章。。此外，您还可以访问伦斯勒理工学院的照明资源中心，获取更多信息。

具有较低相关色温（CCT）值的白光光源在我们眼中呈现出一种我们描述为“暖色”的琥珀色调。具有较高相关色温（CCT）值的光线在我们眼中则呈现出一种蓝色调，我们将其描述为“冷色”，就人眼感知而言，更像是“纯白色”。CCT数值以开氏度（K）表示。

人性化照明（HCL）设计方法

早期的人性化照明（HCL）基本设计方法依赖于简单地增加某些环境（如学校、办公室）中存在的蓝色冷光光量，同时在其他场所（如餐厅、我们通常度过夜晚时光的住宅等）使用更温暖的琥珀色和红色波长光线。结合我们对人类黑视素视觉的最新理解，业界最近开发出了一种更先进复杂的方法用于精确地设计和调整人性化照明（HCL）方案。

数十年来，白炽灯泡（左）使我们能够利用其主要的琥珀色/红色波长为住宅（包括卧室）打造有利于褪黑激素分泌功能的暖光照明。然而，白炽灯泡并不节能，因此现已被LED灯广泛取代，LED灯的能效比白炽灯泡高75%，而且使用寿命更长。（图片来源：LED Dynamics）

照明专家现在会提到“黑视素比率”（MR），也称为黑视素/明视觉比率（M/P比率）。MR比率使我们能够通过光源的可见光输出（明视觉）及其刺激昼夜节律体系（黑视素）的程度来表征光源。MR比率比相关色温（CCT）更进一步，不仅可以表征色温，还能表征光源对人类身体机能的影响。

暖光灯泡通常具有约2200 K的相关色温（CCT）和较低的黑视素比率（MR），所发出的蓝色/青色波长光线较少，更适合晚上放松和准备睡觉时使用。相比之下，具有较冷相关色温（约6500 K）的光源往往具有较高的黑视素比率，所发出的蓝色/青色波长光线更多，从而抑制褪黑激素的产生，适合在白天使用，以提高我们在学校、工厂、办公室、控制室等场所执行任务时的警觉性和注意力。

举例来说，请考虑办公场所的照明。您希望员工保持警觉性和高效率，并且不对办公空间提供“过度照明”，避免显得过冷或者让员工产生不舒服的感觉。为实现这种平衡，办公照明方案的目标可能是提供相关色温（CCT）约4000K的总体照明环境，对于执行特定任务的区域，则提供相关色温（CCT）更高的光线。

如今的LED可以经过专门设计，以实现不同的亮度水平（强度）和不同的相关色温（CCT），确保实现所需的特定黑视素比率（MR）。传统型LED通常在青色波长区域呈现“减弱”趋势，但LED行业的最新创新成果推动了特种LED灯泡的开发，凭借精确的波长组合和青色区域的增强，这类灯泡可以促进人类昼夜节律机能。

实施人性化照明（HCL）方案：垂直勒克斯与水平勒克斯之比较

在为任何特定环境设计照明时，建筑师和设计人员通常使用勒克斯作为计算照明方案效果的关键指标（勒克斯是照度测量单位，即测量照射在表面上的光量，单位为流明/平方米(lm/m2)）²)。

然而，勒克斯的标准应用存在一些局限性。传统上，勒克斯计算仅考虑水平勒克斯，即仅测量照射在桌面或地板等平面上的光量。而人性化照明（HCL）设计方法还要求我们考虑垂直勒克斯，即测量在垂直面上照射并在视觉水平进入瞳孔的光线，该指标更直接地影响我们的黑视素反应。在设计人性化照明（HCL）方案时，我们需要将水平勒克斯转换为垂直（黑视素）勒克斯。

使用垂直/黑视素勒克斯（计算在垂直面进入眼睛的光线）取代传统的“勒克斯”计算方式，因为该方式仅考虑了水平勒克斯（照射水平表面的光线）。（图片 © Luminus Devices, Inc，经许可使用）。

正如行业标准所反映的，黑视素勒克斯如今正在取代勒克斯成为人性化照明（HCL）设计的关键标准。举例来说，“ 美国WELL建筑标准 (WBS) 以等效黑视素勒克斯（EML）为单位描述健康光线。EML公式是用于量化照明对人类的生物（黑视素）效应的方法。该公式进行了加权，以强调视网膜神经节细胞（ipRPG）的反应，而非视锥细胞的反应（传统勒克斯计算方式）。”²

其他纳入黑视素勒克斯的行业标准包括来自伦斯勒理工学院照明系统及应用研究中心的昼夜节律标准（CS）。最近，美国保险商实验室(UL)决定在其照明产品评估中采用伦斯勒模型。

LED促进更人性化的照明设计

如今，先进的LED提供更高的精度和能效，并对人类健康和工作效率产生积极的影响，可促进人性化照明设计的实现。现在，用户可以量身定制LED，以产生广泛的相关色温（CCT）范围，支持多种照明应用所需的黑视素比率（MR）。

多款LED产品（经过专门设计，以产生特定的相关色温(CCT)）的光谱功率分布（SPD）示例。如今的先进LED可以量身定制，以支持各种不同照明应用和环境所需的黑视素比率。举例来说，底部图片是专为白天的人性化照明所设计LED的SPD，在青色区域有所增强；它显示了黑视素（蓝色）曲线与明视觉（绿色）曲线的重叠，以供参考。（图片 © Luminus Devices, Inc，经许可使用）。

LED技术领域的最新创新成果是“可调光”灯泡。用户可以调节这种照明系统，以在一天中的不同时间提供不同的相关色温（CCT）。举例来说，在养老院进行的一项实验中，上午提供明亮的蓝白光，然后在下午调整为更温暖的光线，在晚上则变更为更深的琥珀色调，并且强度较低，最后在睡前进一步降低强度。所产生的效果是，住户的睡眠质量得到改善，睡眠时间延长，并且“烦乱情绪”减少。³

新型可调光LED产品提供全天候调节照明相关色温（CCT）和强度的功能，以针对不同的时间段和活动提供最佳照明，比如在这家疗养院内的应用。（图片来源：太平洋西北国家实验室）

LED测量和表征

在开发和装配LED和灯具时，制造商们需要测量光输出和色度，以确保产品符合规格。建筑师和设计人员依靠所公布的产品规格执行有时较为复杂的必要计算，以确保照明方案提供所需的勒克斯水平，并满足行业标准（如上文提及的WBS标准），以创建所要求的室内环境。

除黑视素勒克斯、黑视素比率（MR）、相关色温（CCT）及其他人性化照明（HCL）因素外，设计人员还必须考虑光束角度、能效等。对于所使用的每个照明组件（LED灯泡或灯具），均需要仔细考虑如何适应整个照明计划的要求。

人性化的现代LED办公照明方案示例，包括嵌入式天花板灯，可提供整体漫射光，营造明亮、舒适的氛围，并在办公桌上方提供更直接、更明亮的工作照明，以帮助员工集中注意力。（图片来源）。

为帮助LED制造商和照明设计工程师测量和验证照明组件的输出，瑞淀提供一系列一体化解决方案，适用于在研发阶段和生产线环境下测试各种光源的强度、照度、亮度、主波长和相关色温（CCT）。在研发阶段，用户可以将紧凑型测角仪系统（将光作为角度因素进行测量）与成像技术和应用软件搭配使用，以经济实惠的方式快速获取全面的数据，用于3D照明建模。

瑞淀的测量系统使照明工程师们能够优化产品设计，并轻松生成标准输出文件，包括IES、EULUMDAT或瑞淀光源模型™（RSM）格式，用于任何主流光学设计软件包。
在封装型LED或基于LED的光学组件生产过程中，一个关键环节是将光学元件与LED芯片对位。对位不正确将会改变LED的输出（包括光线发射角度和强度），并将影响使用该LED的设备系统的整体性能。

在生产线上，瑞淀的ProMetric^®成像色度计和亮度计解决方案及测角系统从LED光源的所有输出角度采集完整的发光强度数据，使设计人员能够定义最佳系统性能客观标准，并确保在整个生产过程中维持该标准，并且最终产品将符合所公布的黑视素比率（MR）和相关色温（CCT）规格要求。

测角仪示例（左），其采用成像系统测量给定角度下大型光源的完整空间输出。测量图像（右）显示了光源角度发光强度分布的雷达图（伪彩色标度）和突出显示强度图横截面的极坐标图。

 

引用文献

1. American Academy of Sleep Medicine Board of Directors; Watson, N.F., et al., "Confronting Drowsy Driving; the American Academy of Sleep Medicine Perspective." Journal of Clinical Sleep Medicine, vol. 11, no. 11, pp. 1335-6, November 2015.
2. Jory, T., Lai, Y., and Sims, P., Lighting for Health: Human-Centric Lighting, white paper published by LED Professional, July 9, 2021.
3. “Measuring Light Exposure and its Effects on Sleep and Behavior in Care Center Residents.” Report by Pacific Northwest National Laboratory, prepared for the U.S. Department of Energy, November, 2019.