根据文献记载, 早在公元前300多年, 亚里士多德提出自然光的本质就是一束白色的光, 颜色是因为光的亮暗程度不同所导致的。1672年牛顿发表了《颜色和光的新理论》, 其认为不是像亚里士多德所认为的那样, 自然光并不是一种单纯的白光, 而是由有着不同折射率的各种不同色光组合而成的混合体, 并在棱镜实验中证明了他的这一观点。1690年, 惠更斯提出“ 光可能是一种波” 的理论, 并以此理论解释了光的折射和反射现象。1864年, 麦克斯韦经过探究, 提出光是一种能被人眼感知的电磁波, 而且人眼所能看见的光波范围仅为380~780 nm, 我们通常将这一范围的光称为可见光。根据波长的不同, 可见光可分解成红光、橙光、黄光、绿光、蓝光等基本单色光。

人眼是在自然光下进化而成的感光器官。光线进入眼睛, 通过虹膜的自动调节作用调控瞳孔大小, 进而控制进入眼睛的光线量, 通过睫状肌的收缩和舒张效应改变晶状体的形态和屈光力, 从而实现视网膜的清晰聚焦成像。当光线进入人眼, 视网膜光感受器受到光刺激后, 把光能信号转变成电信号, 该信号通过视网膜上的神经回路逐级传递和处理, 再由视神经传送至视觉中枢, 最后分析形成视觉。

光线的亮度会影响人的色觉感观。颜色是由不同波长或光谱组成的光所引起的一种主观感觉, 对颜色的感知是大脑神经元对波长等物理参数的一种复杂的抽象感觉。颜色有3个主要特性：色调、明度和饱和度。在日常生活中, 极高能量的红外光从视觉角度而言, 对人眼是毫无意义的, 它并没有亮度, 因为视网膜光感受器对其不敏感, 没有产生亮的感觉。因此光的绝对物理能量与其产生的亮度感觉并无绝对关联性。颜色的亮度将受到光照强度的影响。1823年Purkinje观察到, 日光下明度相等的红花和蓝花, 黄昏时蓝花比红花要显得亮一些, 这种环境亮度降低时颜色明度发生变化的现象也被称为Purkinje现象^[1]。从此, 艺术家也巧妙地利用光与人眼的特殊感知关系, 来创造出吸引眼球并引发感想的艺术作品。

为了使不同距离和亮度的物体在视网膜上清晰成像, 人眼瞳孔、睫状体以及感光细胞将发生调节。但在过强、过弱或不稳定的光线下工作学习时, 眼睛的调节频率会变快、幅度会变大, 长期过快的调节频率和过大的调节幅度将导致眼睛过度调节, 进而引起视疲劳, 甚至视力下降。尽管人眼所能感知的亮度范围非常广（从百分之几尼特至几百万尼特）, 但是人眼不能同时感知这么大的亮度范围, 当人眼在适应了某一环境的平均亮度后, 视觉范围就有了一定限度。

从以上有关人眼与光及视觉变化的关系的阐述可以看出, “ 人眼-光-视觉及视觉反应-人眼调整-光的变化” 是一个非常敏感、错综复杂、极度精准、十分和谐的自动调控系统, 让人在自然环境状态下, 能和谐地循序发展。

人们认知“ 光” 后, 逐渐发明了煤油灯、汽灯, 一直到1801年第一台电灯才横空出世, 成为“ 人工照明” 时代的雏形, 人工照明实现了人们所期待的社会发展所必须的视觉功能的最大化, 从此该领域的发展一发而不可收。

学者们研究发现, 人们在室内白炽灯光下工作越久, 对视觉健康的影响将越大。由于日光灯光线的闪烁作用, 长期日光灯照明下工作将导致视疲劳。室内的白炽灯以及各式的电子产品也同样会导致视疲劳和其他严重的视觉健康问题。据调查表明, 超过83%的美国人每天使用电子设备的时间超过2 h, 其中32.6%有视疲劳症状, 22.7%有干眼症状, 22.0%甚至抱怨视觉模糊。有学者认为, 在光线刺激下感觉和神经反应的调制作用可以解释普通人工照明下的视疲劳症状。Rey^[2]发现相对于高频（100 kHz）, 在低频（50 Hz）荧光灯下工作将导致人眼知觉临界视觉闪烁频率（Critical fricker-fusion frequency, CFF）的大幅度下降, 并需要更长的反应时间。也就是说, 生活中低频闪烁的室内照明光线易导致视疲劳, 甚至更容易导致工作失误。

当人们在室内的时候, 应该尽量避免接触各类电子设备屏幕发出的LED灯光。LED发出的蓝光是可见光中波长较短的单色光, 它所携带的能量较大。在动物及一些在体研究中发现, 随着年龄的增长, 眼内视网膜色素上皮层的脂褐素堆积, 视网膜更易受到高能量蓝光的辐射损伤, 进而导致细胞凋亡, 促进年龄相关性黄斑变性等眼底病变的发生发展^{[3, 4, 5, 6]}。

人工照明也影响了眼睛的正常生长发育。有学者研究发现, 豚鼠长期暴露在一定时间规律频率的人工照明下将诱发眼球的过度扩张和近视屈光度的增加^[7]。通过人为改变照明频率, 可以打破豚鼠正常的正视化过程。同时在人的活体实验研究中, 有学者发现婴幼儿在2岁之前, 如夜间睡眠环境为日光灯照明时, 他们长大后更容易发生近视^[8]。因此学者认为打破正常的昼夜照明规律, 将影响人眼的生长发育, 过度的日光灯照明可能导致了眼轴的延长和近视的形成。

有学者认为过多的近距离工作将导致近视, 但截至今日, 众多研究并没有明确获得近距离工作和近视之间有确定相关性的结果^[9], 因此认为, 除了过多的近距离工作外, 近视的发生和发展可能还存在其他重要因素。

近几年, 人们开始关注“ 光” 与近视的关系, 已经有许多研究表明户外时间和近视有很大的相关性。户外时间越多, 近视发生的概率将越小。据调查表明, 儿童每周在户外的时间每增加1 h及以上, 其在儿童时期发生近视的风险将下降14%。

“ 户外活动时长” 是近视眼的独立保护因素, 得到了不同科学家重复性研究的证实。对于这研究结果我们一般会从2个方面来推测或进一步深化研究：①其保护作用与光照强度相关^[10]。因为太阳光的光照强度比室内光照强度一般高数十倍, 高强度光照一方面可使瞳孔缩小、景深加深, 模糊减少, 从而达到抑制近视发生的的作用。②与减少阅读有关或身体健康有关^[11]。因为增多户外活动, 相当于减少室内阅读时间。同时, 每天一定量的户外活动, 增进了全身性健康。但是, 针对第二点, 后续的实验室研究^{[12, 13]}又有了新发现：眼球在自然光的暴露下将产生多巴胺, 光照越强, 多巴胺的释放量越多。多巴胺是一种被认为能控制眼球正常生长和发育的化学物质。户外时间减少, 眼球暴露在自然光下的时间随之减少, 这将导致视网膜多巴胺释放减少, 促使眼轴延长, 进而形成视网膜离焦, 导致近视的形成。可见, 户外时间增加, 能有效控制和减缓近视进展的一大机制在于机体组织在自然光作用下, 实现了特定“ 物质” — — 多巴胺的产生。

自然光能激活人眼视网膜细胞中线粒体的色素氧化酶, 增加视网膜的抗氧化性能。随着年龄的增长, 线粒体DNA突变的逐渐积累, 减少了ATP的产生并增加视网膜氧自由基的含量, 从而诱发视网膜发生氧化应激和一系列的炎症反应^[14]。而自然光暴露的减少, 将导致细胞色素氧化酶缺乏, 从而诱发黄斑变性等眼底疾病的发生。有研究表明, 近红外光（670 nm）通过线粒体细胞色素氧化酶被吸收, 它对于线粒体的修复以及提高线粒体膜电位起到了很重要的作用, 能改善年龄相关性的视网膜炎症反应^[15]。

但自然光也存在一定的弊端。有文献报道长期暴露在太阳光下, 其中的紫外线不仅会诱发皮肤病的发生, 同时将诱发翼状胬肉、白内障及其他眼病的发生^[16]。自然光中的频率极高的蓝光, 也被认为是导致年龄相关性黄斑变性的一个主要原因。

以上的研究现象启发我们更多思考, 人眼对光的需求或依赖, 有“ 光谱” “ 光亮强度” “ 变化” 的节律等, 相信还有更多未知, 而这些自然中的重要元素和其变化的规律, 是经过几千年的演变选择性形成的, 人的机体与之相遇, 启动了自我调控有序程序, 包括物质的产生和增减, 而这种相互之间的作用与变化, 或许就是人体保持健康平衡并能不断在被打破平衡的情况下能维系成新平衡的功能。那么, 倘若这样的科学现象存在, 我们是否应该依返大自然时代?显然这是荒诞的想法, 但是, 倘若我们所依赖的人工照明能够接近自然光的特性, 或许就是进步中的合理回归。人工智能的技术产生, 为此提供了希望。

智能人工照明, 将给予我们更多的科学选择, 一旦我们科学发现自然光的哪些要素对人眼健康有利, 从理论上看, 是可以通过选择、组合、变化调控等来实现接近自然光的智能型人工照明。

光谱的组成是一重要元素。McColl和Veitch^[17] 的研究发现, 相对于冷白光光源, 电工在全光谱荧光灯照明的工作环境中视力更好。Berman^[18]提出的关于夜间视力敏感性, 也提示相对于冷白光光源和暖白光光源, 全光谱日光灯环境下人眼的夜间视力最好。

各不同色光在发出光线的光谱中所占的比例也很重要。蓝光易诱发年龄相关性黄斑变性及其他眼底病变。而S-视锥细胞和视杆细胞在蓝或蓝绿色环境中可达到视敏感性的顶峰, 这两种光感受器能帮助我们辨认蓝色以及在黑暗环境中的可视性, 因此蓝光对于正常的色觉形成和夜间视力又起到了很重要的作用。实验室研究表明, 通过使用防蓝光眼镜减少50%蓝光（430 nm）的透过, 将减少视网膜近80%的光化学损伤^[19]。利用人工智能照明调控照明光线中蓝光的比例, 寻找蓝光对于人眼视觉健康的平衡点。有学者也已经开始探究发明一种能模拟自然光而有效去除紫外光的人工智能照明, 可以使得人们即使在室内也可以享受到健康的“ 阳光浴” 。

人工智能照明的可调性特征将有益于不同年龄人群。有研究收录了18~30岁以及40~55岁的电脑使用者, 均配戴防蓝光眼镜, 结果发现防蓝光眼镜并没有明显影响40~55岁人群的夜间视力, 而18~30岁受试者仅察觉到了颜色的变化^[20]。因此人工智能照明的可调性适应不同年龄人群应用照明光谱的蓝光比例, 比如从蓝光的危害和对中老年人造成夜间视力改变的敏感性来说, 针对中老年人人工智能照明中蓝光的减少比例可以相对于青年人要多。更有研究表明, 在早晨未受到短波长可见光照射的学生, 他们体内褪黑素的量将会减少, 同时将导致每天晚上平均入睡时间比其他人晚30 min^[21], 这也说明了年轻人光照中的短波长光（如蓝光）的适宜比例存在的必要性。

人工智能照明可以实现光线亮度的强弱变化。日常生活对于光线的亮度要求低, 可接受的亮度范围大（> 75~100 lx）, 对光线的稳定性要求也不高。但是学习工作等长时间的近距离用眼, 对光线的要求较高, 且适宜亮度范围较小（一般为300 lx附近）。人工智能照明光线亮度的可调性将有益于不同的工作和生活的用眼照明需求, 亮度为800~1 000 lx的自然光还可以促进大脑分泌5-羟色胺, 从而使得人们在不使用烟草和咖啡的前提下, 大脑仍能保持活力^[22]。同时人工智能照明的亮度调整也尽可能地弥补了Purkinje现象所带来的色觉误差。

人工智能照明可模拟自然光24 h的节律特点。有研究表明, 在室内缺少自然光照明将增加人们的不适感, 而在适宜的时间和节律下暴露在自然光下可以缓解人们的不适感。不仅仅是白天的亮度, 夜晚时的黑暗对人体的健康也起到了至关重要的作用。人工智能照明在模拟自然光24 h节律改变的同时, 也关注外界光线的变化幅度和速度。在靠近窗口的地方, 白天从窗外入射的自然光会发生变化, 且变化幅度极大（几百~几万勒克斯）。上午和傍晚时分、多云和阴雨天气时, 光线变化尤其快, 这样的自然光将不利于工作和学习。因此人工智能照明的发展一方面遵循自然光源作为动态光源的特点, 另一方面又有效弥补了自然光由于天气等因素导致变化过大过快对人眼所造成的调节不适。值得我们注意的是, 自然光24 h的节律性变化, 甚至是季节性变化, 都对人们的身体健康起到了至关重要的影响。

进入现代社会后, 人们已经无法摆脱人工照明所营造的一切便利和高效, 但我们可以基于人工智能技术的革命性发展, 让人工照明的各种特性朝自然光靠近, 即向“ 阳光” 靠近。

向“ 阳光” 靠近并不是简单地回到太阳光原始的光谱组成和亮度变化, 而是基于阳光与人眼的健康关联的研究基础, 建立人与自然更友好的关系。

志谢 感谢吕帆教授和叶捷博士对本文提供了重要文献、基本观点素材, 同时为本文的文字进行了编辑