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?

 

白天是选择较高色温,临近下班是逐渐降低色温。

 

▲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:

 

▲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:

 

▲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。