光与健康：研究 设计 应用

光孕育生命，光守护健康，光与建筑共生。

人类为了克服自然光的时空局限性，不断地探索和改进人工光照明。从油灯发展到白炽灯、荧光灯、LED 灯，现代人在夜间延续使用建筑和城市空间的能力有了无限的扩展。但是这些人工光环境的亮度、颜色和变化规律符合人的视力需求和身心健康吗？不良的光和色彩会对人产生哪些负面影响甚至伤害呢？这是照明技术和照明设计人员面临的一个深层次问题。

本书作者关注这一课题，并与医务工作者合作，出色完成了许多研究项目，其成果收录于本书。此外，作者在书中对国际上相关领域的研究成果和动向也做了广泛介绍。

本书的问世将对提高我国照明产品研究开发和照明设计水平产生深远影响。

                                              —— 清华大学建筑学院  詹庆旋教授

光是人类生命的源泉，在人类对自然的不断探索中，对光的研究也不断深入，既研究了光的物理性质，它的光谱组成、测量方法、颜色显示，也研究了光对人类健康的影响。

促进健康，提高生命质量，“光与健康”的研究，是一个很重要的课题。

众所周知，光在医学上有很多应用。近年来，关于人居健康研究越来越受到高度关注。本书系统介绍了光的基本物理性能，特别是光对人类健康的影响，光的健康效应、心理疗效。通过光环境来改善亚健康人群的健康状态。作者在“光与健康”领域做了很多探索性工作。

本书内容广泛，涵盖了人类生存中各种光环境的应用，是一本很有价值的参考文献。

       —— 浙江大学光电科学与工程学院  叶关荣教授

2002年，戴维· 布森发现第三类感光细胞。锥状细胞和杆状细胞负责视觉，而第三类感光细胞控制人的生理节律。2017年诺贝尔生理学或医学奖颁给三名科学家，表彰他们在控制生理节律机制研究中的成就。兼顾人的视觉和生理需求，成为健康照明的使命。作者郝洛西教授采用循证学的方法对各种场合（尤其是各类医院）下光的视觉和生理效应进行深入研究，积累了大量的数据，经科学分析从中提炼出宝贵的结果，使本书具有非常坚实的基础。郝洛西教授是分管国际照明委员会（International Commission on Illumination, CIE）出版工作的副主席，教学科研工作繁重，能和博士研究生曹亦潇合作完成这部大作，实属不易。感谢她们为健康照明所作的杰出贡献。  

—— 复旦大学信息学院光源与照明工程系  周太明教授

建筑技术是工程类学科，它密切配合人居活动多个方面（例如视觉、听觉、体感等）的需求，也涉及提高工作效率、改善环境、节约能源以及人类功效和健康等问题，学科交叉范围很是广泛。

本院郝洛西教授及其研究团队积十年之功，聚焦于光与健康的科学研究，总结了丰硕的设计实践经验，著成《光与健康：研究  设计  应用》一书。这是“研究、设计、应用和评估”密切结合的成果，反映了作者可贵的创新理念和求索精神，为建筑技术学科开拓了新的领域。

—— 同济大学建筑与城市规划学院  王季卿教授

近年来，建筑光环境的研究从视觉层面进入生理节律及情绪的健康层面，为人类更好地感知环境、利用环境提供了新的视角。郝洛西教授团队近十年专注于健康照明研究领域，结合其在人居空间的设计实践，将健康研究通过循证设计的研究方法应用于医养、学校、工厂等空间，连接起了基础研究与设计应用。本书是她的心血之作，也希望健康照明的理念通过这本书能够更加深入人心。建筑光环境作为建筑与城市规划中的重要一环值得更多学者的持续研究。

—— 同济大学建筑与城市规划学院  杨公侠教授

The nexus between light and health was known from ancient times but was forgotten by many designers as building technology disconnected people from outdoor world. Technology provided better shelter, greater safety and long-lasting buildings, and the invention of air-conditioning and mechanical ventilation, along with the electric lamp meant that there was no need for a human link with the outdoors. But humans are not machines and they need an intimate relationship with the environment for their wellbeing in the broadest sense. Modern technology, particularly solid-state light sources and electronics, can assist in restoring that symbiosis. This book explores the issues. Professor Hao has been a national, regional and international leader in research in the application of light for not only better and more enjoyable seeing conditions but also promoting wellbeing.

—— Warren Julian, Emeritus Professor, School of Architecture, Design, 
and Planning, The University of Sydney

前言

照明在人类文明发展中具有不可或缺的作用，具有赋予人们幸福感、获得感和安全感的功能。随着技术的进步、社会的发展，人们对照明的研究更加深入，特别是近年来健康照明的理念受到愈来愈多的重视，研究成果也已在不断融入实际应用之中。

地球上所有生命物种的诞生都源于太阳光的作用，所有生命物体的生长过程也都离不开阳光，因此，所有生命体内都蕴藏着与“光”紧密相关的“密码”。同济大学郝洛西教授所著的《光与健康：研究  设计  应用》就是关于如何破解这些“密码”，如何用光给人们带来健康的力作。

我们知道人类眼睛接收到可见光，经由视网膜的锥状细胞和杆状细胞产生视觉信号，传递到大脑, 产生客观世界的视觉图像，实现对周边的观察与了解。2002年, 美国布朗大学的戴维· 布森（David Berson）等发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞——内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGC），这类感光细胞能参与调节许多人体非视觉生物效应，包括人体生命特征的变化、激素的分泌和兴奋程度。光对人体非视觉通道的发现，推开了照明科学的又一扇大门，为照明科学注入了新的研究内容，把照明科学的重要性推向了一个新的高度。同时也对照明科学的研究方法提出了新要求，照明质量由原来单一的视觉效果评价过渡到视觉效果和非视觉效果的双重评价，前者注重视觉功能性，后者则与人体健康密切相关。

人类眼睛的非视觉光生物效应表明了光和照明与人类健康、精神状态、舒适度、警觉性、注意力、工作效率等有着密切的关系，随着照明科学、医学和生物学的深入研究，揭示了光可以通过刺激褪黑激素分泌起到调节人体生物节律的作用，从而可以通过控制照明参数和照明环境来创造符合人体健康的照明环境，还可以通过特别设计的照明环境来干预人的负面情绪，改善某些疾病病况。

特定的照明环境需要定制光谱、光亮度等参数，这在 LED 照明时代以前难以做到，但随着近年来 LED 照明技术的出现和发展，现在已经基本可以做到对照明光谱的精确控制，这为健康照明的研究注入了强劲动力。

郝洛西教授是光与健康研究领域的先驱者和领军者，近年来，郝教授在此领域的教学、科研与产业应用等方面都取得了令人瞩目的成就。非常荣幸能拜读郝教授的《光与健康：研究  设计  应用》书稿，该著作是郝教授近些年教学与科研生涯凝聚的精华，它既是一本非常好的专业教材，也是一本学术价值很高的科研用书，更可以作为实际应用设计的指导材料。在照明科技快速发展的今天，本书的出版非常及时，相信该著作的出版会对光与健康领域的教学与科研发展产生很大的推动作用，对指导相关产业的发展也具有深远的意义。本书可以说是目前光与健康领域成果的集大成者，内容系统全面，包含较多的专业和技术方面的知识增长点，该书适合大学生和研究生、技术开发人员，科研人员的学习，也可作为工程师、相关管理层人员的参考书。

就在我写以上文字的时候，一位从事光学研究的资深教授来到我办公室，他翻看我案头的这本书稿，爱不释手，连连问道在哪里可以买到此书。我笑着对他说：“你是慧眼识珠啊！不急，很快就会发行。” 在此，祝贺郝洛西教授又一力作的出版，感谢郝洛西教授将前沿的知识和她的经验和智慧与我们分享！

梁荣庆

                上海市照明学会  理事长

复旦大学信息学院光源与照明工程系  教授

写在开头的话

眼下新冠肺炎疫情在全球肆虐，人类正经历着一场前所未有的生存危机，这让所有人不得不重新审视和思考人类健康与地球环境的关系。联合国环境规划署执行主任英格· 安德森女士（Inger Andersen）在 2020 年世界环境日致辞中特别发出呼吁：“是时候听听地球的警告了！人类对自身赖以为生的生态系统和物种多样性已造成严重破坏，我们不仅失去了一个健康的自然界，更将人类未来暴露于更大规模流行病爆发的风险中。敬畏生命，保护地球，我们必须处理好矛盾中的两个指向关系命题：以人为本？抑或以自然为本？”

作为负责人，我曾经带领团队完成了“2010 上海世博园区夜景照明规划与设计”等诸多科研与工程实践，那个阶段的工作更多聚焦于建筑与城市光环境。2009 年，我在上海市第十人民医院心内科的一次住院经历，引发了我对光在建筑环境中疗愈效应的思考。在徐亚伟主任的热情鼓励和支持下，开启了光对射频消融手术心脏病患者的疗愈探索。经过数十年的深耕，研发出一套“情绪与节律改善的健康型光照系统 “，并进行了广泛应用。

过去的十年里，在国家自然科学基金及科技部国家重点研发计划的支持下，从心内科到妇产科，从急诊手术室到重症监护室，从眼科医院到血液科病房，从大学生心理健康中心到养老院，从大、中、小学教室到南极长城站、中山站。在今天，健康照明在国家政策的引导下，除了在医养、极地之外，我们还陆续开展了教室、城市等健康光照循证研究。

我与团队继承“光疗”先驱、诺贝尔奖获得者丹麦科学家尼尔斯· 吕贝里· 芬森（Niels Ryberg Finsen）的衣钵，努力去研究分析各类环境中人的负面情绪及心理产生的诱因，尝试用光与色彩进行非侵入式、非药物干预，缓解病患在就医期间的心理压力，促进康复并提高生命质量。

我做过多场关于“光与健康”主题的讲座，如“提升教学质量与学习绩效的儿童健康光照环境研究与设计”“面向 5G 时代的人居健康照明”“视觉残障人群的光健康循证研究与实践”“城市照明与人居健康”等。目前我们正在尝试用光去帮助那些整夜不能入睡、与我同龄的姐妹们。我深知女性睡眠障碍往往来自心理上的焦虑，期待能够用光引导睡眠，摆脱长期服用各类安眠药物带来的副作用。总而言之，面对民生疾苦，发挥专写在开头的话业作用，让光发挥健康的功效，是我的理想与目标。于是我时常关注航空航天、生命科学、医学睡眠、老年医学、神经认知和照明技术等不同领域的前沿动态。去年，我当选国际照明委员会副主席，负责出版工作，有了更多机会接触从事这个领域的国际学者。我们来自不同的大学院所、研究机构，采取不同的研究方法和技术路线，关注的学术问题也不尽相同，但都聚焦于光与健康的研究与实践。

从美国能源部节能建筑认证到 WELL 健康建筑认证的陆续出现，建成环境设计从追求建筑性能向关注人居健康转变。十年来，我们通过循证研究、医工合作，尝试更多先进的实验手段，获得了更多的客观实证数据，通过使用后评估（Post-Occupancy Evaluation, POE）与医疗机构、工业界共同研发了具有实效的产品和技术。我深知光与健康研究问题高度复杂，涉及人体、伦理、生命、光的科学，远超我个人的专业所及。十年过去了，解决这类问题，我依然做不到像完成一个工程项目那样思路清晰。研究对象和空间换了，问题也变了。但就是这样，我们一点点、一步步慢慢积累了研究经验，逐渐领悟形成了相对成熟的研究思路。今后对我来说，挑战的大概就是时间了，我需要更多的时间深入课题，需要更多的时间在现场身体力行，需要更多的时间去更为洞见地对问题整体把握和独立思考。

本书合著者曹亦潇博士生从硕士阶段起便协助我进行教学、科研工作，我们朝夕相处、谋划探索，她的孜孜不倦以及她对前沿热点问题的高度敏锐和深度把握，成就了本书的框架结构，除了对她工作的感谢，我亦深深地祝福她！感谢团队的“设计总监”邵戎镝高工，为全面推进系统研发和工程落地所付出的巨大努力，她在硕士期间曾负责世博园区夜景照明规划的文本统筹，其博士生论文选题是“光照对心境障碍患者的干预作用研究”。感谢硕士生李一丹、王雨婷、管梦玲，博士生汪统岳、冯凯，博士后曾堃为本书所作出的贡献。此外，梁润淇博士对本书进行了专业知识的校对，博士生代书剑、王燕妮、李娟洁以及硕士生张淼桐、李仲元协助绘制本书的插图，本书的前期排版由硕士生罗路雅、罗晓梦完成，一并致谢！

感谢我所在的同济大学建筑与城市规划学院提供的坚实科研平台和自由探索的学术氛围，让光健康研究付诸实践。

感谢同济大学出版社以及本书的责任编辑张睿，让光与健康的研究思路和实践经历成为了一种记录，与大家一同分享。

光，作为对人体为重要的健康授时因子，我们的研究才刚刚开始。

郝洛西

2020年10月22日

于同济大学文远楼

人居健康的时代全面到来，光作为物理环境的主要构成要素，除了照亮空间，更具有“视觉—生理—心理”的多维度主动健康干预作用，是驱动人居健康发展的重要变革力量。本书立足国计民生、聚焦科学前沿、突出应用导向，解析了对人体视觉发育、视力健康、生物节律、情绪认知、新陈代谢、免疫调节等产生广泛影响的光照视觉与非视觉健康作用机制；围绕面向全龄与生命全周期的健康关键过程，以及住宅、办公、医养、地下、极地等各类建成环境的人居健康要求，阐述了光与健康研究、设计和应用实践的开展思路；立足于和谐、生态、宜居城市建设，对城市夜景照明发展进行了思考与展望；介绍了开展光与健康研究实践的重要理念“循证研究与设计”和”医工交叉协作”的科学实践方法，并展示了作者团队近12年来在南极科考站、医院、养老机构等建筑环境完成的光健康示范应用工程。旨在为建筑与照明行业从业者与爱好者提供学习参考和创新引导，为行业发展提供富有前瞻性与可持续性的视野和指导。

郝洛西 教授，博士生导师，任教于同济大学建筑与城市规划学院。担任国际照明委员会（CIE）副主席、中国照明学会特邀副理事长、上海照明学会副理事长。长期从事光、视觉、颜色、建筑与城市光环境的教学、科研和工程实践工作。近年来着重开展了人居健康光环境的循证研究和设计应用。曾主持国家自然科学基金面上项目、国家“十三五”重大研发计划课题、国家863高技术课题、上海市科技创新行动计划等重要科研工作。在城市照明规划与设计、建筑与室内照明设计中完成了以2010上海世博园区夜景照明规划设计为代表的诸多工程实践。开展了中国南极科考长城站和中山站、上海市第十人民医院心内科导管手术室和CICU重症监护室、温州医科大学附属眼视光医院等健康照明的循证研究与创新设计。

曹亦潇 同济大学建筑与城市规划学院建筑技术科学方向博士研究生。自2014年起，作为骨干成员跟随郝洛西教授开展了面向全龄的光与健康研究、设计与应用工作，主要负责团队的人因健康实验设计以及主动式健康光照干预系统研发。曾获得第11届亚洲照明大会“设计论文奖”。