不同調(diào)光方式LED照射下的人體非視覺效應(yīng)周曉明;羅達(dá);張惠平【摘要】分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)LED光調(diào)節(jié).采用生理參數(shù)法，以在校大學(xué)生為研究對象，選擇3種色溫(3000,5600,6500K)LED光源，在3種照度(300,500,800lx)水平下，對8名(5男,3女)受測者在實(shí)驗(yàn)前后的脈搏和瞳孔進(jìn)行測量.選擇同樣3種色溫LED光源，分別采用兩種調(diào)光方式添加藍(lán)光(464nm,20lx)實(shí)現(xiàn)300lx的照明環(huán)境，對12名(8男,4女)受測者在實(shí)驗(yàn)前后的脈搏和瞳孔進(jìn)行測量.結(jié)果表明:兩種調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)的LED光環(huán)境對人體脈搏變化率和瞳孔收縮率的影響均沒有顯著性差異;在測試照明環(huán)境中添加藍(lán)光，可引起人體脈搏變化率和瞳孔收縮率增大，峰值處分別增加約6%和9%.【期刊名稱】《發(fā)光學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2016(037)007【總頁數(shù)】7頁(P892-898)【關(guān)鍵詞】非視覺效應(yīng)；LED;PWM調(diào)光;生理參數(shù);色溫【作者】周曉明;羅達(dá)漲惠平【作者單位】華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東廣州510640;華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院廣東廣州510640;華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院廣東廣州I510640【正文語種】中文【中圖分類】Q682;TU113.6LED光源是繼白熾燈、氣體放電燈之后的新型的固體照明光源，也常被稱作第三代照明光源，目前已成為光效發(fā)展最快的新光源［1］。LED光源與傳統(tǒng)光源相比，具有體積小、綠色節(jié)能、長壽命、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、道路照明、車前燈和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。在LED發(fā)光效率達(dá)到一定水平時，LED通過智能控制既可以實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)，又可以實(shí)現(xiàn)光通量和顯色性可控［2］，從而能夠滿足不同應(yīng)用場合的需求。為實(shí)現(xiàn)LED色溫可調(diào)，學(xué)者們對LED色溫可調(diào)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并提出了多種解決方案［2-5］。與此同時，LED光源對人體非視覺影響也越來越受到人們的關(guān)注。2002年，Berson等發(fā)現(xiàn)了哺乳動物視網(wǎng)膜的第三類感光細(xì)胞-ipRGC(Intrinsicallyphotosensitiveretinalganglioncell)，首次認(rèn)識到人眼除了視覺通路外，還存在非視覺通路，即在第三類感光細(xì)胞的作用下，光參與調(diào)節(jié)人體生理體征、激素分泌、晝夜節(jié)律和瞳孔大小等［6-14］。牛萍娟等［8］研究了不同LED光環(huán)境對人體光生物效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，在相關(guān)色溫為4500K、照度為500lx的照明環(huán)境下，學(xué)習(xí)效率最高，視調(diào)節(jié)力最好，生理參數(shù)最為穩(wěn)定。Figueiro等［9］通過研究電腦、平板和手機(jī)等光照對人體褪黑素抑制作用，發(fā)現(xiàn)在光照1h和2h后，其褪黑素抑制分別約為23%和38%，在青少年群體中，上述光照對人體褪黑素抑制作用更加顯著。Gooley等［10］的研究表明，低照度間歇綠光(543nm,0.1-4Hz)照射弓I起的持續(xù)瞳孔收縮反應(yīng)強(qiáng)度是連續(xù)綠光照射的2倍，利用間歇光反復(fù)刺激視錐感受器可以增強(qiáng)人的非視覺光反應(yīng)。Katsuura等［11］研究了藍(lán)光脈沖對人體生理機(jī)能和主觀評價的影響，以鹵素?zé)糇鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源，在4種光環(huán)境下使人眼處的輻照度相同(約12MW/cm2),結(jié)果顯示在藍(lán)光脈沖+白光脈沖(藍(lán)光占空比為10%,1kHz)條件下，受測者雖然不認(rèn)為該光照環(huán)境為淺藍(lán)光，但出現(xiàn)了明顯的非視覺效應(yīng)——瞳孔收縮。Lisdiani等［12］研究了藍(lán)光在夜間對人覺察性的影響，結(jié)果表明在夜間環(huán)境光(白光，150lx)中添加低照度藍(lán)光(465nm,7lx)可以提高人在夜間的覺察性，與沒有添加藍(lán)光的環(huán)境相比，受測者閱讀的準(zhǔn)確率更高，KSS(Karolinskasleepinessscale)水平更低，同時對EEG具有顯著性作用。LED常用的調(diào)光方式有脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光和模擬調(diào)光［4］。PWM調(diào)光是通過改變光源電流的通斷時間來調(diào)節(jié)光源亮度，也就是利用占空比改變平均有效電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)光［15］。PWM調(diào)光具有LED色溫恒定性高，能夠進(jìn)行精確控制等優(yōu)點(diǎn)［4,16］。模擬調(diào)光相對PWM調(diào)光具有電路簡單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但會使LED色溫發(fā)生變化［16］。有研究指出，兩種調(diào)光方式對LED色溫均有影響［15］：PWM調(diào)光較模擬調(diào)光的色溫偏差小；兩種調(diào)光方式對低色溫LED調(diào)節(jié)的色溫差異小，而對高色溫LED調(diào)節(jié)的色溫差異較大。單色光LED以間歇或脈沖方式對人進(jìn)行照射比連續(xù)光方式能產(chǎn)生更強(qiáng)的非視覺效應(yīng)［10-11］。因此，有必要分析在兩種調(diào)光方式LED照射下人體的非視覺效應(yīng)，進(jìn)而為基于非視覺效應(yīng)的LED動態(tài)照明系統(tǒng)研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。本文用3種不同色溫的LED作為光源，在室內(nèi)照明常用的幾個照度值下，以不同調(diào)光方式驅(qū)動LED，研究了LED光對人體脈搏和瞳孔的影響；并在3種色溫LED光環(huán)境下，測試了以不同調(diào)光方式添加藍(lán)光對人體脈搏和瞳孔的影響。2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境在普通辦公室自行搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用內(nèi)壁鋪有白紙的實(shí)驗(yàn)平臺(44cmx44cmx42cm)內(nèi)形成的漫反射光進(jìn)行照明。實(shí)驗(yàn)時間為19:00-22:30,這段時間有利于排除天然光的影響，保證受測者每次實(shí)驗(yàn)均處在相近的生理節(jié)律周期中［17］。同時，為減少其他因素干擾，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在21~22°C，實(shí)驗(yàn)過程中保持安靜。受測者在實(shí)驗(yàn)前均需在暗環(huán)境下靜候15min進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)以穩(wěn)定生理參數(shù)。實(shí)驗(yàn)一：用不同調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)的LED光對人體非視覺效應(yīng)的影響。采用3種不同色溫的歐司朗LED作為實(shí)驗(yàn)光源，其色溫分別為3000,5600,6500K。光源照度采用室內(nèi)照明中常用的3種照度，分別為300,500,800lx。LED亮度的調(diào)節(jié)分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式，其中模擬調(diào)光是通過調(diào)節(jié)DC-DC電源模塊的輸出實(shí)現(xiàn)對LED光源的控制；PWM調(diào)光是利用FPGA實(shí)現(xiàn)的PWM信號和LED驅(qū)動模塊對LED進(jìn)行控制，其頻率為1kHz。用TES1336A照度儀對人眼處照度進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)二：在以LED為主要光源的光環(huán)境中，用不同調(diào)光方式添加藍(lán)光后，測試光環(huán)境對人體非視覺效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)環(huán)境光由白光和低照度藍(lán)光（464nm，20lx）組成，并使受測者人眼處照度為300lx。白光為3種不同色溫的LED光，分別為3000，5600，6500K。白光LED亮度的調(diào)節(jié)分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式，藍(lán)光LED的調(diào)節(jié)采用和白光相對應(yīng)的方式進(jìn)行。當(dāng)光源調(diào)光方式采用PWM方式時，白光和藍(lán)光占空比分別是80%和20%，其頻率為1kHz。2.2實(shí)驗(yàn)對象受測者為12名（8名男性，4名女性）自愿參與實(shí)驗(yàn)的在校大學(xué)生，年齡介于23~25歲，平均年齡為24歲。每位受測者均身體健康，擁有正常視力，無吸煙、酗酒等不良嗜好，要求實(shí)驗(yàn)期間正常作息。實(shí)驗(yàn)一有8名受測者（5名男性，3名女性）參與，實(shí)驗(yàn)二有12名受測者（8名男性，4名女性）參與。2.3實(shí)驗(yàn)方法2.3.1脈搏測量通過歐姆龍電子血壓計(jì)對受測者在LED光照前后的脈搏進(jìn)行測量。首先，在5min暗環(huán)境下對受測者脈搏進(jìn)行兩次測量；然后，開燈5min后再對受測者脈搏進(jìn)行一次測量。受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏變化率定義為：實(shí)驗(yàn)前脈搏為受測者在暗環(huán)境下兩次測得的脈搏平均值。2.3.2瞳孔測量采用紅外視頻記錄儀拍攝實(shí)驗(yàn)過程中受測者瞳孔的變化，實(shí)驗(yàn)視頻記錄的是受測者的左眼瞳孔。紅外視頻記錄儀由紅外攝像頭和基于OpenCV開發(fā)的視頻錄制程序組成，其中紅外攝像頭幀頻為25frame/s。實(shí)驗(yàn)首先記錄1min暗環(huán)境下受測者的瞳孔大小，然后開燈記錄5min，總的拍攝時間為6min，依次更換受測者。用紅外數(shù)字圖像處理方法［18］計(jì)算受測者瞳孔大小。該方法主要是分析實(shí)驗(yàn)視頻的每幀圖像，提取受測者左眼區(qū)域，然后調(diào)用OpenCV區(qū)域檢測算法計(jì)算出瞳孔半徑大小，單位為像素(Pixel)。本文同時也以瞳孔收縮率來評價光環(huán)境對人體的非視覺交攵應(yīng)的影響。3.1不同調(diào)光方式調(diào)節(jié)白光LED在不同光照環(huán)境下，受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏平均值如圖1所示。使用Origin8.5對受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏進(jìn)行配對t檢驗(yàn)(p=0.05)，除了3000K白光LED在300lx水平下之外，在其余測試光環(huán)境下，受測者脈搏變化均具有顯著變化(p<0.05)。實(shí)驗(yàn)過程中除了測量受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏外，也用紅外視頻記錄儀對受測者的瞳孔進(jìn)行拍攝記錄，并利用相關(guān)算法計(jì)算受測者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)計(jì)算受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏變化率和瞳孔收縮率，結(jié)果如表1、表2、表3和圖2所示。從表1到表3可以看出，除了在3000K色溫、300lx照度水平下，受測者脈搏沒有受到顯著影響外，在其余LED測試環(huán)境下，受測者脈搏的改變約為3%~6%。兩種調(diào)光方式的光環(huán)境對受測者脈搏影響差異不大，兩者之差均小于0.7%。同樣，在3種照度水平下，3種色溫LED采用兩種調(diào)光方式對受測者瞳孔的影響也沒有明顯差異。對兩種調(diào)光方式下受測者脈搏變化率和瞳孔收縮率進(jìn)行配對t檢驗(yàn)(p=0.05),結(jié)果均沒有顯著性差異(p>0.05)。從圖2可以看出，脈搏和瞳孔受測試環(huán)境的影響較大。在500lx和800lx照度水平下，光環(huán)境對受測者脈搏的影響明顯增強(qiáng)。受測者的瞳孔收縮率隨測試照度的增加而增大。在同一照度水平下，測試光源的色溫越高，脈搏變化率和瞳孔收縮率的均值就越大。這是因?yàn)楦呱珳毓庠粗泻^豐富的短波段藍(lán)光，而短波段的藍(lán)光對人體非視覺效應(yīng)有明顯的作用［6-7］。3.2不同調(diào)光方式添加藍(lán)光在以不同色溫LED為主要光源的光環(huán)境中，采用兩種調(diào)光方式添加藍(lán)光(464nm,20lx)，并使受測者人眼處照度為300lx。圖3為受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏變化，其中橫坐標(biāo)為主要光源(白光LED)的色溫。使用Origin8.5對受測者實(shí)驗(yàn)前后的脈搏進(jìn)行配對t檢驗(yàn)(p=0.05)，結(jié)果顯示受測者的脈搏變化均具有顯著性(p<0.05)。從圖3可以看出，在采用兩種調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)的光環(huán)境下，受測者的脈搏均較暗環(huán)境下為高。在實(shí)驗(yàn)過程中，同樣也用紅外視頻記錄儀對受測者的瞳孔進(jìn)行拍攝記錄并計(jì)算受測者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)算得受測者實(shí)驗(yàn)前后脈搏變化率和瞳孔收縮率，結(jié)果如表4和圖4所示。從表4和圖4可知，在不同測試環(huán)境下，受測者的脈搏變化率和瞳孔收縮率整體變化不大，如脈搏變化率約為6%±0.8%，而瞳孔收縮率約為57.5%±1%。對兩種調(diào)光方式添加藍(lán)光的測試環(huán)境下的受測者脈搏變化率和瞳孔收縮率進(jìn)行配對t檢驗(yàn)(p=0.05)，結(jié)果均沒有顯著性差異(p>0.05)。如圖5所示，在添加藍(lán)光的測試環(huán)境(照度300lx)下，受測者的脈搏變化率和瞳孔收縮率要大于未添加藍(lán)光的測試環(huán)境(300lx)。在以3000K色溫LED為主要光源的環(huán)境中，添加藍(lán)光對人體非視覺效應(yīng)的影響最為顯著，其對人眼瞳孔收縮率的影響大于對脈搏變化率的影響。4結(jié)論采用生理參數(shù)法研究了兩種不同調(diào)光方式的LED光下的人體非視覺效應(yīng)，對受測者在兩種調(diào)光環(huán)境下的脈搏變化率和瞳孔收縮率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：在300,500,800lx照度水平下，分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)的3種色溫LED光環(huán)境對人體脈搏和瞳孔的影響沒有顯著性差異；高色溫光源對人體脈搏和瞳孔的影響較低色溫光源更為明顯；以兩種調(diào)光方式添加藍(lán)光(464nm，20lx)實(shí)現(xiàn)的LED光環(huán)境(300lx)對人體脈搏和瞳孔的影響同樣也沒有顯著性差異。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在照明環(huán)境中添加藍(lán)光確實(shí)可以增強(qiáng)非視覺生物效應(yīng)，導(dǎo)致脈搏變化率和瞳孔收縮率增大，這也與目前國際上的研究成果相吻合[11-12]，而且在以3000K色溫LED為主要光源的環(huán)境中，對脈搏變化率和瞳孔收縮率的影響最為顯著，分別使其增加約6%和9%。最后需要指出的是，照明光環(huán)境中添加多少藍(lán)光才能達(dá)到預(yù)期效果而不影響人們的身心健康，還有待更多的實(shí)驗(yàn)研究和理論探索。參考文獻(xiàn)：丙B樹奎，高杰.LED在照明工程中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010,21(5):101-108.BINGSK,GAOJ.TheapplicationofLEDintheilluminatingengineering[J].ChinaIllumin.Eng.J.,2010,21(5):101-108.(inChinese)倪凱凱，沈海平，江磊，等.LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2015,26(2):42-46.NIKK,SHENHP,JIANGL,etal..SpectrallytunableLEDlightingsystemanditsoptimizationalgorithm[J].ChinaIllumin.Eng.J.,2015,26(2):42-46.(inChinese)張航，喻璽，潘浩，等.白光LED光學(xué)仿真中的相關(guān)色溫計(jì)算[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2015,36(5):583-587.ZHANGH,YUX,PANH,etal..CalculationofcorrelatedcolortemperatureinopticalsimulationsforwhiteLEDs[J].Chin.J.Lumin.,2015,36(5):583-587.(inChinese)宋鵬程，文尚勝，尚俊，等.基于PWM的三基色LED的調(diào)光調(diào)色方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(2):285-292.SONGPC,WENSS,SHANGJ,etal..AdimmingmethodforRGBLEDbasedonthreechannels'PWM[J].ActaOpt.Sinica,2015,35(2):285-292.(inChinese)徐代升，陳曉，朱翔.基于冷暖白光LED的可調(diào)色溫可調(diào)光照明光源[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(1):218-224.XUDH,CHENX,ZHUX,etal..AdimminglightingsourcebasedoncoldandwarnwhiteLEDs[J].ActaOpt.Sinica,2014,34(1):218-224.(inChinese)BRAINARDGC,HANIFINJP,GREESONJM,etal..Actionspectrumformelatoninregulationinhumans:evidenceforanovelcircadianphotoreceptor[J].J.Neurosci.,2001,21(16):6405-6412.BERMANSM.Anewretinalphotoreceptorshouldaffectlightingpractice[J].LightingRes.Technol.,2008,40(4):373-376.牛萍娟，方晶璐，田會娟，等.基于光生物效應(yīng)的LED辦公照明環(huán)境研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014,24(4):23-28.NIUPJ,FANGJL,TIANHJ,etal..StudyontheinfluenceofLEDofficelightingenvironmentbasedonphotobiologicaleffect[J].ChinaIllumin.Eng.J.,2014,24(4):23-28.(inChinese)FIGUEIROM,OVERINGTOND.Self-luminousdevicesandmelatoninsuppressioninadolescents[J].LightingRes.Technol.,2015,0:1-10.GOOLEYJJ,MIENIH,HILALIREMA,etal..Melanopsinandrod-conephotoreceptorsplaydifferentrolesinmediatingpupillarylightresponsesduringexposuretocontinuouslightinhumans[J].J.Neurosci.,2012,32(41):14242-14253.KATSUURAT,OCHIAIY,SENOOT,etal..Effectsofbluepulsedlightonhumanphysiologicalfunctionsandsubjectiveevaluation[J].J.Physiol.Anthropol.,2012,31(1):1-5.LISDIANINI,YASSIERLI.Bluelightexposureimprovesawarenessduringmonotonousactivitiesatnight[C].SoutheastAsianNetworkofErgonomicsSocietiesConference,Langkawi,Malaysia,2012:1-5.MEIJDENWPVD,LINDERTBHWT,BIJLENGAD,etal..Postilluminationpupilresponseafterbluelight:reliabilityofoptimizedmelanopsin-basedphototransductionassessment[J].Experiment.EyeRes.,2015,139:73-80.LUCASRJ,PEIRSONSN,BERSONDM,etal..Measuringandusinglightinthemelanopsinage[J].TrendsNeurosci.,2014,37(1):1-9.劉祖隆，郭震寧，胡志偉，等.調(diào)光方式對LED色溫和光通量的影響[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,34(1):14-17.LIUZL,GUOZN,HUZW,etal..EffectofdimmingonLEDcolortemperatureandluminousflux[J].J.HuaqiaoUniv.,2013,34(1):14-17.(inChinese)田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)[J].電機(jī)工程，2012,29(4):465-468.TIANLD,ZHOUJJ,QINHB.DesignofPWMdimmingLEDdriver[J].J.Mechan.Electric.Eng.,2012,29(4):465-468.(inChinese)魯玉紅，王毓蓉，金尚忠，等.不同波長藍(lán)光LED對人體光生物節(jié)律效應(yīng)的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2013,34(8):1061-1065.LUYH,WANGYR,JINS乙etal..InfluenceofdifferentwavelengthblueLEDo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