别再空喊“设计以人为本”，黑视素照度(EML)了解一下？

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徐 庆辉

云知光联合创始人&首席产品官
复旦大学 光源与照明工程系
国家高级照明设计师
中国照明学会室内照明专业委员会委员
华人照明设计师联合会（CLDA）副会长
DIAL全球认证讲师
20年行业经验的资深照明工程师

我们不是标题党，首先用科学思维来拆解一下标题的几个关键词：以人为本、黑视素、照度。




以人为本




以人为本的设计是啥样的？让人舒服就是好设计么？


别急着点头，先举个反例：


坐沙发多舒服，你会不会在办公室设计沙发座椅？

▲图片来自sofasofa.uk



不如在工位设计一张床啊？那更舒服。

▲图片来自Casper


显然，这种绝对的“舒服”，并不适合人们工作，这时需要高效且健康的环境。所以，诞生了各种均衡舒适和高效的“人体工程学”桌椅：

▲图片来自interiordesign.net



回到照明，我们都学过关于光色的基本知识：低色温让人感觉舒适温馨，高色温令人清醒兴奋。

▲图片来自gel-usa.com

▲图片来自USAI


显然，设计师们会在办公室选用较高色温，而在卧室用较低色温。这就是“以人为本”的设计。


低色温暖洋洋的光，为什么会让我们觉得舒服呢？这就引出下一个关键词：




黑视素




人类从来都不是夜行性生物，18万年的狩猎采集，2万年的耕种群居，让人形成了白天工作、晚上睡觉的模式。


人脑的松果体会分泌一种激素：褪黑素melatonin，它是“天然安眠药”，是我们身体自发的“休息信号”。体内褪黑素含量较多时，我们会昏昏欲睡；而褪黑素含量少时，就会清醒精神。


褪黑素的分泌量与光线强弱有关，眼睛感知环境亮度，把信号传给松果体，控制褪黑素的分泌量：黑暗时多，强光下少。这就是为什么人在黑暗中比较容易入睡。


眼内的黑视素视网膜神经节细胞（ipRGCs）负责感应光线强度，将信号传递给松果体。

▲黑视素感光细胞对蓝光波长的光最敏感，最能抑制褪黑素分泌的是 450 - 470 nm的蓝色光


先祖们的“人工照明”只有火光，下图是火光的光谱图：色温2000K，蓝色光部分很少，红光很多。这种低色温暖洋洋的光，让人觉得舒适，从而加速进入睡眠状态。

▲图片来自云知光照明学院elicht.cn《徐工365问》视频截图


在工作环境中，蓝色成分较多的高色温光线可以防止白天的困倦；下班前，蓝光成分较少的暖色光让大脑发出“减少能量消耗、准备休息”的信号，令人放松，夜间睡眠会更好。

▲图片来自TRILUX



接下来先复习一下几个知识点：

1、人们在不同的需求下，需要不同的光线；
2、白光令人清醒兴奋，黄光令人放松舒适；
3、背后的本质是“天然安眠药”褪黑素的分泌；
4、蓝光刺激“黑视素感光细胞”，抑制褪黑素分泌。

以上这些都是定性分析，可能你也曾听说过。这也是最近十分流行的“人因照明”（Human Centric Lighting 简称HCL）的生理基础。


下面，我们将进一步解释：如何定量核算光对我们昼夜节律的影响？这就引出标题里的第三个关键词：




黑视素照度




在人造光源发明之前，太阳光是唯一光源，先祖们“日出而作、日入而息”。随着人造光源的普遍使用，人们拥有丰富的夜生活，夜间照明提供错误的时间信号，已经成为日益严重影响人类健康的问题。

▲现代人大量时间都“不见天日”，与先祖相比，白天光照不足，夜间光照过多。（图表译自atelier ten）


生物进化的阶梯以数十万年计量，而人类的文明史才一万年都不到。人类在心理、文化这些“软件”方面已经进入现代方式，但生理结构的“硬件”进化远跟不上变化。我们体内的“生物钟”，就是这样一个跟不上变化的“硬件”设施。生物钟紊乱直接导致睡眠问题，也会导致情绪变差，还会引起肥胖、糖尿病等代谢疾病。


但现在想要限制夜间照明是不太可能的，所以我们更应该思考：什么样的光照系统不会造成生物钟紊乱？




▲白天时选择较高色温，临近下班时逐渐降低色温（视频来自TRILUX）

▲卧室夜灯、洗手间照明，选用低照度暖色光，以免引起不必要的唤醒（图片来自hammacher）


我们希望设计出这样的照明系统：白天提供足够刺激，让我们保持清醒地工作。夜间照明既可以满足视觉需求，又不太抑制褪黑素分泌，不至于影响睡眠质量。


要做这个事情，需要一个定量衡量的参数，于是科学家们定义了这个全新的照度值：


EML （Equivalent Melanopic Lux）
等值黑视素勒克斯：用于量化光源对黑视素光响应的刺激程度的光测量
（定义引自WELL建筑标准）


在准备资料时，我们发现学界对Equivalent Melanopic Lux 有很多种翻译方法：等值黑视素勒克斯、黑色素照度、褪黑素照度……我们选择了WELL建筑标准里对Melanopic的翻译：黑视素，并与大家早已习惯的“照度”一词联用，称之为“黑视素照度”。


常规的照度值勒克斯（lx）用来衡量锥状细胞的感光，定量描述能让人眼看见物体的光。


黑视素照度值（EML）按ipRGCs对光的响应进行加权，转换光源的光谱刺激，以此定量描述光线对人的生物效应，以此为昼夜节律的健康提供支持。


EML较高的光会提高警觉度，EML较低的光会促进褪黑素分泌，降低警觉度。所以，不管是日出而作、还是昼伏夜出，工作、活动时应该选择 EML高的光照，放松时、睡觉前应该切换为EML低的光照。




黑视素照度值的规定




关于EML的定量规定，目前尚未有普遍适用的法规，查到较权威的资料是WELL建筑标准：

▲WELL建筑标准对工作照明的规定：75%以上工位的垂直照度（包含日光）每天09:00~13:00应达到200 EML以上；全部工位的人工照明垂直照度150 EML以上。

▲WELL建筑标准中对卧室、浴室照明的规定：在“就寝时间”之前2小时内，平均照度应低于50 EML。



EML的定量计算




现在我们知道了EML的作用和一些规定，怎么才能知道这个房间的EML呢？



有两种方法：①简单比率换算；②精确光谱换算。


我们有很多工具可以测量或计算常规的“标准视觉照度”值，例如照度计、DIALux模拟软件，然后用照度值换算成EML。不同光源，lx和 EML的换算比率不同：

CCT（K）	光源	比率
2700	LED	0.45
3000	荧光灯	0.45
2800	白炽灯	0.54
4000	荧光灯	0.58
4000	LED	0.76
5450	CIE E（等能量）	1
6500	荧光灯	1.02
6500	自然光	1.1
7500	荧光灯	1.11

▲表L1：黑视素照度换算比率（引自WELL建筑标准）


例如，如果白炽灯在某个空间内的照度为200 lx，则此时的黑视素照度为200×0.54=108 EML


当然，这个表格只是粗略地把光源分几大类，给出一个“粗暴”的换算值。但是，即使是同类光源、相近的色温，如果他们光谱分布不同的话，EML的数值也应该是不一样的。


照明护照光谱仪APP“光谱精灵”增加了“人眼感光色素”数据，其中就有“褪黑素照度（EML）”的测量值。

我对身边几个4000K左右的光源做了测量，结果如下：

光源	CCT（K）	照度lx	EML	比率
L1表LED	4000			0.76
办公室	4113	475	322	0.68
走廊吊灯	4099	502	288	0.57
普瑞ClassA	4014	470	369	0.79
普瑞Ra90	4019	460	343	0.75
BLV卤素灯杯	4181	483	419	0.87

▲在表L1里，4000K LED光源的建议换算比率是0.76，而我实测手边几个4000K左右的LED光源，他们的换算比率从0.57到0.75，相差最多的达25%


表格里最后一排是“BLV卤素灯杯”，色温4000K，换算比率0.87


这个光源，在表格L1里是查不到的，如果用这个光源做设计，那要怎么换算呢？

这时就需要用到第二种换算方法：精确光谱换算。


测出各个波长的相对强度，用指定的公式加权计算出准确的EML比率：

▲将光源的光谱放入表L2中进行计算，从而确定黑视素比率。鼓励建筑工程项目使用该方法获取更多精确结果。期刊文章的作者和IWBI都可使用电子表格辅助计算。（引自WELL建筑标准）


当然，如果光谱仪本身就内置了这个功能的话，就可以直接输出lx和EML结果，很容易得出准确的换算比率。然后，你就可以用这个换算比率去做设计了。


例如，我要在卧室使用BLV 4000K灯杯照明，在夜间应该调光到多少呢？


按照前面的规定：卧室夜间EML应低于50 ，那么，在DIALux模拟时，房间里的照度应该控制在50÷0.87=58 lx以下。


再例如，我用上述的“走廊吊灯”做办公照明时，垂直面的EML应大于200，做DIALux模拟时，就要计算出垂直照度高于这个值：200÷0.57=348 lx


好，到这里，“黑视素照度”或也可称为“褪黑素照度”的本质、来源、定量计算都讲完了。相信你已经对“以人为本”的照明设计有了一定的认识，进而能把这个概念用到设计中。


最后，放出两个好玩的……




结尾彩蛋




在前面的量测数据里，你可能留意到了这个参数：“设定年纪”，没错！EML的数值换算，和年龄有很大关系！前面引用的数据都是默认值32岁，我们看一下设置成10岁、32岁、50岁，会有什么结果？

▲可以看出：对年龄越小的用户，EML数值越高。



这方面的更多研究也是很有趣，我们今后再做科普。目前，你直接用照明护照光谱仪的量测结果就行了。


彩蛋2：你在晚上玩手机么？iPhone有个“Night Shift”功能，你有打开么？相关文章链接 → iOS 9.3健康新功能：Night Shift 抢鲜评测

▲图片来自Lighting Research Center


我对iPhone手机的Night Shift三种光色做了量测，来看看他们的黑视素照度对比：

上次我们只是分析了说“Night Shift功能让你睡觉更好一些”，现在，你有了EML的概念，再看看他们的数据，是不是更加清楚了呢？


参考资料来源：WELL建筑标准、TRILUX、philips、asensetek、atelier ten、fluxometer、知乎、维基百科。



本文内容稍偏学术，作者尽可能用浅显的“科普语言”循序渐进叙述，以便各层级读者阅读。如有任何疑问或不同见解，欢迎在留言区发言讨论。




结尾的第二个彩蛋，昨天晚上或者准确说今天凌晨，看到牟老师连发四个朋友圈，是跟业主一起试灯，我跟他说老师辛苦了，老师说，哈哈，从事的就是这个职业呀！


马上要五一国际劳动节了，照明人由于职业的特殊性，常常要在晚上加班，所以很惨的有木有！


but，劳动最光荣！so，大家尽情的把照明人的劳动照砸过来吧！咱们一起来攒个头条。

-end-

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