2024-11-05技术文章

节律照明-黑视素通量、M/P比率、黑视素等效日光效率（Mel、M/P、MDER）

节律照明（Circadian Lighting，又称人因照明Human-Centric Lighting）是现代健康照明的重要分支，通过调节人体昼夜节律（circadian rhythm）来改善健康和工作效率。根据CIE S 026:2018标准《光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统》，节律照明的核心参数包括黑视素通量（Melanopic Flux，简称Mel）、M/P比率（M/P Ratio，黑视素与明视比率）、黑视素等效日光效率（MDER，Melanopic Daylight Efficacy Ratio），以及380-780nm范围内以1nm为间隔的光谱能量分布。这些参数的精确测量需要使用专业的积分球光谱仪测试系统，如翊明科技SPM5000系列积分球系统，能够准确获取1nm间隔的高精度光谱数据，满足CIE S 026:2018标准和WELL Building Standard V2健康建筑标准的要求。

节律照明核心参数概述

  • 标准依据：CIE S 026:2018《光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统》（国际照明委员会标准）
  • 关键参数：黑视素通量（Mel，单位：黑视素流明）、M/P比率（无量纲，范围0.3-1.0）、MDER（黑视素等效日光效率，无量纲）
  • 测试要求：需要1nm间隔的光谱数据（380-780nm波长范围），使用积分球光谱仪系统进行精确测量
  • 应用标准：WELL Building Standard V2（健康建筑标准V2版本）要求工作照明最低180-240 EML（黑视素照度）
  • 测量设备：积分球配合光谱仪（如翊明科技SPM5000系列），能够测量完整光谱功率分布并计算所有节律照明参数

节律照明的三个核心参数（黑视素通量Mel、M/P比率、MDER）都可以通过1nm间隔的光谱能量分布Φe(λ)计算得出。将光谱数据输入CIE S 026 alpha-opic Toolbox计算工具，即可得到相应的节律照明参数数据。在实际应用中，翊明科技SPM5000系列积分球光谱仪系统为节律照明参数的测量提供了符合CIE S 026:2018标准的高精度光谱测试解决方案，广泛应用于健康照明产品开发、WELL建筑认证、医疗照明设计等领域。

黑视素通量（Melanopic Flux，Mel）详解

什么是黑视素通量？

黑视素通量（Melanopic Flux，简称Mel，单位：黑视素流明 melanopic lumens）表示光源发出的光对人体黑视素受体（ipRGC，intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，内在光敏视网膜神经节细胞）产生刺激的光通量，反映了光对人体生物钟（circadian rhythm，昼夜节律）调节的潜在能力。黑视素通量是节律照明中的核心参数之一，直接影响褪黑素（melatonin）合成和睡眠-觉醒周期（sleep-wake cycle）。

生理机制：ipRGC细胞是视网膜中负责非视觉光反应的特殊神经节细胞，它们对480nm左右的蓝光最敏感，通过视黑素（melanopsin）感光蛋白接收光信号，并将信号传递到下丘脑视交叉上核（SCN），调节褪黑素分泌和昼夜节律。

黑视素通量计算方法：

根据CIE S 026:2018标准，黑视素通量（Melanopic Flux，简称：Mel，单位：黑视素流明 melanopic lumens）通过光谱功率分布加权黑视素敏感曲线Smel(λ)（ipRGC响应曲线即为黑视素敏感曲线）积分得出。计算公式如下：

Mel = Kmel × ∫ Φe(λ) × Smel(λ) dλ

其中：

  • Kmel = 832 lm/W（黑视素函数前置系数，melanopic function prefactor）
  • Φe(λ)：光谱功率分布（单位：W/nm，spectral power distribution）
  • Smel(λ)：黑视素敏感曲线（ipRGC响应曲线，melanopic sensitivity curve）
  • 积分范围：380-780nm，需要1nm间隔的光谱数据

实际应用：一般来说，黑视素通量越高，灯具越能实现更高的黑视素照度（EML，Equivalent Melanopic Lux），直接作用于ipRGC细胞，进而影响褪黑素的合成。使用翊明科技SPM5000系列积分球光谱仪系统可以精确测量光源的光谱功率分布（380-780nm，1nm间隔），从而准确计算黑视素通量，满足CIE S 026:2018标准和WELL Building Standard V2的要求。

M/P比率（M/P Ratio）详解

什么是M/P比率？

M/P比率（M/P Ratio，Melanopic-to-Photopic Ratio，黑视素与明视比率）表征的是光谱中含有黑视素敏感成分的多少，是黑视素通量（Melanopic Flux）与光通量（Photopic Luminous Flux，明视光通量）的比例，用于评估光对人体生理节律（circadian rhythm）和视觉功能（visual function）的综合影响。M/P比率是节律照明设计中的重要参考指标，范围通常在0.3-1.0之间，无量纲。

M/P比率的物理意义和应用场景：

  • 高M/P比率（>0.7）：表示相同光通量下黑视素刺激越强，能够更有效地抑制褪黑素合成，提高警觉性和注意力，适合需要警醒的场合（如办公室、学习环境、工厂车间）
  • 中等M/P比率（0.5-0.7）：平衡节律调节和视觉舒适度，适合一般室内照明（如商场、餐厅、会议室）
  • 低M/P比率（<0.5）：黑视素刺激较弱，不会过度抑制褪黑素，适合需要放松的场合（如卧室、休息区、酒店客房）

M/P比率计算方法：

根据WELL Building Standard V2（美国健康建筑标准V2版本）附录L1第79页和CIE S 026:2018标准，M/P比率的计算公式如下：

节律照明M/P比率计算公式，CIE S 026:2018标准，WELL Building Standard V2，黑视素通量与明视光通量比值，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列积分球系统

其中：

  • 黑色素函数前置系数：832lm/W
  • 明视觉光谱V(λ)效能最大值系数：683lm/W
  • Φe(λ)：待测光源光谱曲线
  • V(λ)：明视觉光谱曲线
  • Smel(λ)：黑色素敏感曲线（ipRGC响应曲线）

在S026标准中，有定义类似的表征量，称为α视觉流明辐射效率(ELR)，对于黑色素敏感曲线来说，记为Kmel,v，其计算公式为：

节律照明Kmel,v计算公式，CIE S 026:2018标准，α视觉流明辐射效率ELR，黑视素敏感曲线，积分球光谱仪测试，黑视素通量测量，翊明科技SPM5000系列

在CIE S 026:2018标准中，定义了类似的表征量，称为α视觉流明辐射效率（ELR，α-opic Luminous Radiation Efficiency）。对于黑视素敏感曲线来说，记为Kmel,v，其单位为mW/lm。Kmel,v与M/P比率的关系为：

M/P比率与Kmel,v关系图，CIE S 026:2018标准，节律照明参数换算，黑视素与明视比率，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列积分球系统

实际应用指导：M/P比率越高，同样的光通量越能有效抑制褪黑素的合成，提高警觉性和工作效率。一般需要警醒的场合（如学习、工作、工厂车间）常需要灯具具有较高的M/P比率（>0.7）。通过翊明科技SPM5000系列积分球光谱仪系统测量光谱数据（380-780nm，1nm间隔），可以准确计算M/P比率，为节律照明设计和WELL建筑认证提供科学依据。

黑视素等效日光效率（MDER）详解

什么是MDER？

黑视素等效日光效率（MDER，Melanopic Daylight Efficacy Ratio，黑视素等效日光效率）衡量照明在模拟自然日光对人体节律调节效果方面的能力，反映了光源的黑视素通量（Melanopic Flux）与具有相同照度的标准日光（D65，CIE标准照明体）的黑视素通量的比值。MDER是评估节律照明效果的关键指标，无量纲，理想值约为1.0（表示与标准日光D65具有相同的节律调节能力）。

物理意义：

  • MDER = 1：表示与标准日光D65具有相同的节律调节能力
  • MDER > 1：表示比D65更强的节律调节能力（更警醒）
  • MDER < 1：表示比D65更弱的节律调节能力（更放松）

CIE选择标准日光D65作为参照光谱，按照公式

D65标准日光黑视素等效日光效率计算公式，CIE S 026:2018标准，标准照明体D65，节律照明参数，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列

根据CIE S 026:2018标准，计算D65标准日光的黑视素视觉流明辐射效率（Kmel,v）：

D65标准日光黑视素视觉流明辐射效率值，CIE S 026:2018标准表A.1，Kmel,v=1.326mW/lm，MDER计算，节律照明参数，积分球光谱仪测试

CIE S 026:2018标准中的表A.1给出了D65的Kmel,v计算值，为1.326mW/lm。MDER的英文全称是Melanopic Daylight(D65) Efficacy Ratio（黑视素等效日光效率），其计算式为：

黑视素等效日光效率MDER计算公式，CIE S 026:2018标准，节律照明参数，黑视素通量与标准日光D65比值，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列积分球系统

其中：其分子表示待测光源抑制褪黑素的能力，分母表示标准照明体D65 抑制褪黑素的能力。

MDER与M/P之间的关系呈线性关系，如下计算公式：

黑视素等效日光效率MDER与M/P比率关系，CIE S 026:2018标准，线性关系公式，节律照明参数换算，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列

MDER与M/P比率的线性关系：MDER与M/P比率之间呈线性关系，计算公式为MDER = M/P比率 / 1.326，其中1.326是标准日光D65的Kmel,v值（mW/lm）。如果MDER比值大于1，说明与标准照明体D65相比，待测光源抑制褪黑素的能力更强（更警醒），反之较弱（更放松）。

MDER可以直接与建筑照明的照度进行换算，此时对于节律照明来说常用的参数为黑色素等效日光照度（Melanopic Equivalent Daylight(D65)Illuminance，简称：MEDI，记为Emel,D65）。在建筑照明对于有特定节律要求，抑制或不抑制褪黑素要求的情况下，可以规定在标准照明体D65对照下所需要的照度。灯光设计师根据光源的抑制褪黑素与D65抑制褪黑素的能力相比较，利用黑色素等效日光效率MDER可以直接计算出为满足照明标准要求，需选用多少照度的灯具，其计算公式为：

MEDI黑视素等效日光照度计算公式，CIE S 026:2018标准，节律照明设计，WELL Building Standard V2，黑视素照度EML计算，积分球光谱仪测试，翊明科技SPM5000系列

MDER的实际应用意义：黑视素等效日光效率MDER的实际意义非常明显。在建筑照明设计中，如果要实现与自然采光相同的警醒效果，对于MDER大于1的产品（如高色温LED，MDER>1），可以用更低的照度来实现，从而节省能源；反之，对于MDER小于1的产品（如低色温LED，MDER<1），则需要更高的照度才能达到相同的节律调节效果。在实际应用中，翊明科技SPM5000系列积分球光谱仪系统能够精确测量光源的光谱特性（380-780nm，1nm间隔），为节律照明设计、WELL建筑认证和黑视素等效日光效率的计算提供符合CIE S 026:2018标准的可靠数据支持。

参考文献与标准

  • [1] 康玉柱.节律照明表征参数的概念与计算[J].中国照明电器,2021,1(1)
  • [2] CIE S 026/E:2018标准《光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统》（System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light）
  • [3] WELL Building Standard V2（健康建筑标准V2版本），International WELL Building Institute
  • [4] CIE S 026 alpha-opic Toolbox计算工具，国际照明委员会（CIE）官方计算工具

节律照明应用案例

节律照明在实际应用中取得了显著效果：

  • 办公室照明：使用高M/P比率（>0.7）的LED灯具，提高员工警觉性和工作效率，减少午后疲劳
  • 医疗设施：在阿尔茨海默病病房使用高M/P比率照明，改善患者睡眠-觉醒周期
  • 学校教室：使用动态节律照明系统，上午使用高M/P比率提高注意力，下午逐渐降低M/P比率
  • 酒店客房：使用低M/P比率（<0.5）的暖白光LED，促进客人放松和睡眠

常见问题

1. 黑视素通量（Mel）、M/P比率和MDER有什么区别？如何选择？

答：这三个参数从不同角度评估节律照明效果，相互关联但含义不同：

  • 黑视素通量（Mel）：绝对量，表示光源发出的黑视素刺激总量（单位：黑视素流明 melanopic lumens），直接反映对ipRGC细胞的刺激强度
  • M/P比率：相对量，表示黑视素通量与明视光通量的比值（无量纲，范围0.3-1.0），反映光谱中黑视素敏感成分的比例
  • MDER：相对量，表示与标准日光D65的节律调节能力比值（无量纲，理想值≈1.0），反映光源模拟自然日光的能力
  • 关系：MDER = M/P比率 / 1.326，三者相互关联，可以通过积分球光谱仪测量光谱数据后计算得出
  • 选择建议：办公室选择高M/P比率（>0.7）和高MDER（>0.7），卧室选择低M/P比率（<0.5）和低MDER（<0.5）

2. 如何选择节律照明灯具？不同场景的参数要求是什么？

答：根据应用场景和WELL Building Standard V2标准要求选择：

  • 办公室、学习环境：选择高M/P比率（>0.7）、高MDER（>0.7）、高色温（5000K-6500K）的灯具，提高警觉性和工作效率，满足WELL标准最低240 EML要求
  • 卧室、休息区：选择低M/P比率（<0.5）、低MDER（<0.5）、低色温（2700K-3000K）的灯具，促进放松和睡眠，避免过度抑制褪黑素
  • 医疗设施：根据治疗需求选择，可能需要动态调节M/P比率（如阿尔茨海默病治疗需要高M/P比率，抑郁症治疗需要动态调节）
  • 商场、餐厅：选择中等M/P比率（0.5-0.7）、中等MDER（0.5-0.7）的灯具，平衡节律调节和视觉舒适度
  • 测量方法：使用积分球光谱仪系统（如翊明科技SPM5000系列）测量光谱数据，计算M/P比率和MDER参数

3. WELL建筑标准对节律照明有什么要求？如何满足认证？

答：WELL Building Standard V2（健康建筑标准V2版本）对节律照明有明确要求：

  • 工作照明要求：最低180 EML（黑视素照度，Equivalent Melanopic Lux）用于日光照射，最低240 EML用于人工照明，在工作时间内（通常为上午9点至下午5点）维持最低EML要求
  • 测量方法：使用CIE S 026:2018标准计算EML，需要1nm间隔的光谱数据（380-780nm），使用积分球光谱仪系统测量
  • 认证流程：提交测试报告（包含M/P比率、MDER、EML等参数），证明符合WELL标准要求
  • 测试设备：使用符合CIE S 026:2018标准的积分球光谱仪系统（如翊明科技SPM5000系列）进行测量
  • 动态照明：WELL标准鼓励使用动态照明系统，根据时间自动调节色温和M/P比率

4. 如何计算黑视素照度（EML）？有哪些计算方法？

答：EML（Equivalent Melanopic Lux，黑视素照度）的计算方法：

  • 粗略换算：EML ≈ 0.7-0.8 × 明视照度（适用于典型白光LED，色温4000K-5000K），快速估算方法
  • 精确计算（推荐）：EML = 明视照度 × M/P比率，需要已知M/P比率值
  • 光谱计算（最准确）：需要1nm间隔的光谱数据（380-780nm），使用CIE S 026:2018标准计算，公式为EML = ∫ E(λ) × Smel(λ) dλ × Kmel，其中E(λ)为照度光谱分布
  • 测量设备：使用积分球光谱仪系统（如翊明科技SPM5000系列）测量光谱数据，使用CIE S 026 alpha-opic Toolbox计算工具计算EML
  • 应用场景：WELL建筑认证需要精确的EML值，建议使用光谱计算方法

5. 为什么需要1nm间隔的光谱数据？5nm或10nm间隔可以吗？

答：1nm间隔的光谱数据是CIE S 026:2018标准强制要求的，原因如下：

  • 标准要求：CIE S 026:2018标准明确规定需要1nm间隔的光谱数据（380-780nm范围），这是计算节律照明参数的先决条件
  • 精度要求：黑视素敏感曲线Smel(λ)在窄波长范围内（特别是480nm峰值附近）变化剧烈，需要高分辨率才能准确捕捉
  • 计算误差：使用5nm或10nm间隔会导致计算误差（通常误差>5%），无法满足WELL建筑标准和产品认证的精度要求
  • 设备要求：积分球光谱仪系统（如翊明科技SPM5000系列）可以提供1nm间隔的高精度光谱数据，满足CIE S 026:2018标准要求
  • 实际影响：低分辨率光谱数据会导致M/P比率、MDER和EML计算不准确，影响节律照明设计效果和WELL认证

6. MDER和M/P比率有什么关系？如何换算？

答：MDER和M/P比率呈线性关系，可以相互换算：

  • 换算公式：MDER = M/P比率 / 1.326，其中1.326是标准日光D65的Kmel,v值（mW/lm，来自CIE S 026:2018标准表A.1）
  • 反向换算：M/P比率 = MDER × 1.326
  • 典型值示例：
    • 暖白光LED（2700K）：M/P比率 ≈ 0.4，MDER ≈ 0.30
    • 中性白光LED（4000K）：M/P比率 ≈ 0.6，MDER ≈ 0.45
    • 冷白光LED（5000K）：M/P比率 ≈ 0.7，MDER ≈ 0.53
    • 日光LED（6500K）：M/P比率 ≈ 0.9，MDER ≈ 0.68
  • 实际应用：如果已知M/P比率，可以直接计算MDER，无需重新测量光谱数据

7. 节律照明参数如何测量？需要什么测试设备？

答：节律照明参数（Mel、M/P比率、MDER、EML）的测量方法：

  • 测试设备：积分球配合光谱仪系统（如翊明科技SPM5000系列），能够测量380-780nm范围内1nm间隔的光谱功率分布
  • 测试步骤：
    1. 将待测光源放入积分球，稳定运行30分钟
    2. 使用光谱仪测量光谱功率分布Φe(λ)，确保1nm间隔
    3. 使用CIE S 026 alpha-opic Toolbox计算工具计算Mel、M/P比率、MDER
    4. 结合照度数据计算EML（黑视素照度）
  • 标准依据：CIE S 026:2018标准《光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统》
  • 测试报告：应包含光谱数据、计算参数、测试条件等信息，用于产品认证和WELL建筑标准认证

术语表

术语 英文 定义
黑视素通量 Melanopic Flux (Mel) 光源发出的光对ipRGC产生刺激的光通量（单位：黑视素流明 melanopic lumens），CIE S 026:2018标准核心参数
M/P比率 M/P Ratio (Melanopic-to-Photopic Ratio) 黑视素通量与明视光通量的比值（无量纲，范围0.3-1.0），反映光谱中黑视素敏感成分的比例
MDER Melanopic Daylight Efficacy Ratio 黑视素等效日光效率，与标准日光D65的节律调节能力比值（无量纲，理想值≈1.0）
EML Equivalent Melanopic Lux 黑视素照度，等效黑视素照度（单位：lux），WELL Building Standard V2要求工作照明最低240 EML
MEDI Melanopic Equivalent Daylight(D65) Illuminance 黑视素等效日光照度，记为Emel,D65，用于节律照明设计
ipRGC Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cells 内在光敏视网膜神经节细胞，负责非视觉光反应和节律调节，对480nm蓝光最敏感
节律照明 Circadian Lighting 通过调节昼夜节律（circadian rhythm）影响人体健康的照明方式，又称人因照明（Human-Centric Lighting）
黑视素敏感曲线 Melanopic Sensitivity Curve Smel(λ) ipRGC响应曲线，CIE S 026:2018标准定义，峰值在480nm左右
Kmel,v Kmel,v (α-opic Luminous Radiation Efficiency) α视觉流明辐射效率，对于黑视素敏感曲线，标准日光D65的Kmel,v = 1.326 mW/lm
CIE S 026:2018 CIE S 026:2018 国际照明委员会标准《光敏视网膜神经节细胞受光响应的光辐射计量系统》，节律照明参数计算依据
WELL Building Standard V2 WELL Building Standard V2 健康建筑标准V2版本，要求工作照明最低180-240 EML（黑视素照度）
标准日光D65 Standard Daylight D65 CIE标准照明体D65，相关色温6500K，用作MDER计算的参考光谱

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