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， 張惠平

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

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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， 張惠平

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式實現(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(3 000，5 600，6 500 K)LED光源，在3種照度(300，500，800 lx)水平下，對8名(5男，3女)受測者在實驗前后的脈搏和瞳孔進行測量。選擇同樣3種色溫LED光源，分別采用兩種調(diào)光方式添加藍光(464 nm，20 lx)實現(xiàn)300 lx的照明環(huán)境，對12名(8男，4女)受測者在實驗前后的脈搏和瞳孔進行測量。結(jié)果表明：兩種調(diào)光方式實現(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%。

非視覺效應(yīng)； LED； PWM調(diào)光； 生理參數(shù)； 色溫

1 引 言

LED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，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、道路照明、車前燈和消費電子等領(lǐng)域。在LED發(fā)光效率達到一定水平時，LED通過智能控制既可以實現(xiàn)色溫可調(diào)，又可以實現(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。為實現(xiàn)LED色溫可調(diào)，學(xué)者們對LED色溫可調(diào)技術(shù)進行了深入的研究，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)膜的第三類感光細胞-ipRGC(Intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，首次認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4 500 K、照度為500 lx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、平板和手機等光照對人體褪黑素抑制作用，發(fā)現(xiàn)在光照1 h和2 h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(543 nm，0.1～4 Hz)照射引起的持續(xù)瞳孔收縮反應(yīng)強度是連續(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人的非視覺光反應(yīng)。Katsuura等[11]研究了藍光脈沖對人體生理機能和主觀評價的影響，以鹵素?zé)糇鳛闃藴使庠?，?種光環(huán)境下使人眼處的輻照度相同(約12 μW/cm2)，結(jié)果顯示在藍光脈沖+白光脈沖(藍光占空比為10%，1 kHz)條件下，受測者雖然不認為該光照環(huán)境為淺藍光，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，150 lx)中添加低照度藍光(465 nm, 7 lx)可以提高人在夜間的覺察性，與沒有添加藍光的環(huán)境相比，受測者閱讀的準確率更高，KSS(Karolinska sleepiness scale)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，進而實現(xiàn)調(diào)光[15]。PWM調(diào)光具有LED色溫恒定性高，能夠進行精確控制等優(yōu)點[4,16]。模擬調(diào)光相對PWM調(diào)光具有電路簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，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??；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行照射比連續(xù)光方式能產(chǎn)生更強的非視覺效應(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)研究提供實驗數(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)光方式添加藍光對人體脈搏和瞳孔的影響。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗環(huán)境

在普通辦公室自行搭建實驗環(huán)境，利用內(nèi)壁鋪有白紙的實驗平臺(44 cm×44 cm×42 cm)內(nèi)形成的漫反射光進行照明。實驗時間為19∶00-22∶30，這段時間有利于排除天然光的影響，保證受測者每次實驗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，實驗環(huán)境溫度控制在21～22 ℃，實驗過程中保持安靜。受測者在實驗前均需在暗環(huán)境下靜候15 min進行環(huán)境適應(yīng)以穩(wěn)定生理參數(shù)。

實驗一：用不同調(diào)光方式實現(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作為實驗光源，其色溫分別為3 000，5 600，6 500 K。光源照度采用室內(nèi)照明中常用的3種照度，分別為300，500，800 lx。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電源模塊的輸出實現(xiàn)對LED光源的控制；PWM調(diào)光是利用FPGA實現(xiàn)的PWM信號和LED驅(qū)動模塊對LED進行控制，其頻率為1 kHz。用TES1336A照度儀對人眼處照度進行測量。

實驗二：在以LED為主要光源的光環(huán)境中，用不同調(diào)光方式添加藍光后，測試光環(huán)境對人體非視覺效應(yīng)的影響。

實驗環(huán)境光由白光和低照度藍光(464 nm，20 lx)組成，并使受測者人眼處照度為300 lx。白光為3種不同色溫的LED光，分別為3 000，5 600，6 500 K。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，藍光LED的調(diào)節(jié)采用和白光相對應(yīng)的方式進行。當(dāng)光源調(diào)光方式采用PWM方式時，白光和藍光占空比分別是80%和20%，其頻率為1 kHz。

2.2 實驗對象

受測者為12名(8名男性，4名女性)自愿參與實驗的在校大學(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，要求實驗期間正常作息。實驗一有8名受測者(5名男性，3名女性)參與,實驗二有12名受測者(8名男性，4名女性)參與。

2.3 實驗方法

2.3.1 脈搏測量

通過歐姆龍電子血壓計對受測者在LED光照前后的脈搏進行測量。首先，在5 min暗環(huán)境下對受測者脈搏進行兩次測量；然后，開燈5 min后再對受測者脈搏進行一次測量。受測者實驗前后的脈搏變化率定義為：

(1)

實驗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驗過程中受測者瞳孔的變化，實驗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25 frame/s。實驗首先記錄1 min暗環(huán)境下受測者的瞳孔大小，然后開燈記錄5 min，總的拍攝時間為6 min，依次更換受測者。用紅外數(shù)字圖像處理方法[18]計算受測者瞳孔大小。該方法主要是分析實驗視頻的每幀圖像，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)境對人體的非視覺效應(yīng)的影響。

[13]定義了以下幾個變量：

(1)基準瞳孔半徑，指給光前1 min的瞳孔半徑平均值；

(2)瞳孔穩(wěn)定收縮值，指給光后3～5 min內(nèi)的瞳孔半徑平均值；

(3)瞳孔收縮率：

(2)

3 結(jié)果與討論

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，受測者實驗前后的脈搏平均值如圖1所示。使用Origin8.5對受測者實驗前后的脈搏進行配對t檢驗(p=0.05)，除了3 000 K白光LED在300 lx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)。

圖1 不同光環(huán)境下的脈搏的變化。(a) 3 000 K色溫LED；(b) 5 600 K 色溫LED；(c) 6 500 K色溫LED。

Fig.1 Pulse changes in different lighting environment. (a) LED with 3 000 K. (b) LED with 5 600 K. (c) LED with 6 500 K.

實驗過程中除了測量受測者實驗前后的脈搏外，也用紅外視頻記錄儀對受測者的瞳孔進行拍攝記錄，并利用相關(guān)算法計算受測者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)計算受測者實驗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。

表1 3 000 K色溫 LED 不同光環(huán)境下的脈搏和瞳孔變化率

Tab.1 Change rate of pulse and pupil in different lighting environment with 3 000 K

照度/lx調(diào)光方式脈搏變化率/%瞳孔收縮率/%300模擬-1．2248．04300PWM1．1548．34500模擬3．0052．09500PWM3．0552．08800模擬4．6354．28800PWM4．1354．77

表2 5 600 K色溫 LED 不同光環(huán)境下的脈搏和瞳孔變化率

Tab.2 Change rate of pulse and pupil in different lighting environment with 5 600 K

照度/lx調(diào)光方式脈搏變化率/%瞳孔收縮率/%300模擬4．1050．91300PWM3．6750．93500模擬4．8955．11500PWM5．3854．90800模擬5．4356．35800PWM5．6958．39

表3 6 500 K色溫 LED 不同光環(huán)境下的脈搏和瞳孔變化率

Tab.3 Change rate of pulse and pupil in different lighting environment with 6 500 K

照度/lx調(diào)光方式脈搏變化率/%瞳孔收縮率/%300模擬3．2852．69300PWM3．9555．08500模擬6．0855．56500PWM6．0155．46800模擬5．7659．12800PWM5．9760．82

從表1到表3可以看出，除了在3000 K色溫、300 lx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行配對t檢驗(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500 lx和800 lx照度水平下，光環(huán)境對受測者脈搏的影響明顯增強。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。這是因為高色溫光源中含較豐富的短波段藍光，而短波段的藍光對人體非視覺效應(yīng)有明顯的作用[6-7]。

圖2 不同光環(huán)境下的脈搏(a)和瞳孔(b)的變化率

Fig.2 Change rate of pulse (a) and pupil (b) in different lighting environment

3.2 不同調(diào)光方式添加藍光

在以不同色溫LED為主要光源的光環(huán)境中，采用兩種調(diào)光方式添加藍光(464 nm, 20 lx)，并使受測者人眼處照度為300 lx。圖3為受測者實驗前后的脈搏變化，其中橫坐標為主要光源(白光LED)的色溫。使用Origin8.5對受測者實驗前后的脈搏進行配對t檢驗(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)光方式實現(xiàn)的光環(huán)境下，受測者的脈搏均較暗環(huán)境下為高。

圖3 添加藍光的測試環(huán)境下的脈搏變化

Fig.3 Change of pulse in lighting condition with blue light

在實驗過程中，同樣也用紅外視頻記錄儀對受測者的瞳孔進行拍攝記錄并計算受測者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)算得受測者實驗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)光方式添加藍光的測試環(huán)境下的受測者脈搏變化率和瞳孔收縮率進行配對t檢驗(p=0.05)，結(jié)果均沒有顯著性差異(p>0.05)。

如圖5所示，在添加藍光的測試環(huán)境(照度300 lx)下，受測者的脈搏變化率和瞳孔收縮率要大于未添加藍光的測試環(huán)境(300 lx)。在以3 000 K色溫LED為主要光源的環(huán)境中，添加藍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。

表4 添加藍光的測試環(huán)境下的脈搏和瞳孔的變化率

Tab.4 Change rate of pulse and pupil in lighting environment with blue light

色溫/K調(diào)光方式脈搏變化率/%瞳孔收縮率/%3000模擬5．2857．423000PWM6．5657．605600模擬5．7956．545600PWM6．1258．306500模擬6．8757．266500PWM6．8058．67

圖4 添加藍光的測試環(huán)境下的脈搏(a)和瞳孔(b)的變化率

Fig.4 Change rate of pulse (a) and pupil (b)in lighting environment with blue light

圖5 有藍光和無藍光環(huán)境下的脈搏變化率和瞳孔收縮率的差值

Fig.5 Differences of change rate of pulse and pupil in lighting environment with and without blue light

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行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：在300，500，800 lx照度水平下，分別采用模擬調(diào)光和PWM調(diào)光方式實現(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)光方式添加藍光(464 nm，20 lx)實現(xiàn)的LED光環(huán)境(300 lx)對人體脈搏和瞳孔的影響同樣也沒有顯著性差異。此外，實驗結(jié)果也表明，在照明環(huán)境中添加藍光確實可以增強非視覺生物效應(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3 000 K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)境中添加多少藍光才能達到預(yù)期效果而不影響人們的身心健康，還有待更多的實驗研究和理論探索。

參 考 文 獻：

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周曉明(1963-)，男，湖南衡陽人，博士，教授，2004年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事物理場生物效應(yīng)的研究。

E-mail: zhouxm@scut.edu.cn

Human Non-visual Effects Under LED Light with Different Dimming Methods

ZHOU Xiao-ming*, LUO Da, ZHANG Hui-ping

(SchoolofPhysicsandOptoelectronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

By using the physiological parameters method, the human non-visual effects were researched with the college students as objects. The LED dimming method included PWM and analog. The experiment condition included three levels of color temperature (3 000, 5 600, 6 500 K) of white LED light source with three levels of illumination (300, 500, 800 lx). The pulse and pupil size of eight subjects (5 males and 3 females) were measured in black and white LED light with three levels of color temperature. Using the same three levels of color temperature white LED light sources and adding blue light (464 nm, 20 lx) to achieve lighting environment of 300 lx, the pulse and pupil size of twelve subjects (8 males and 4 females) were tested. The results show that the impact of lighting environment created by two dimming methods on human pulse change rate and pupil contraction rate have no significantly different, and adding blue light in testing environment can cause the pulse change rate and pupil contraction rate to increase for about 6% and 9%, respectively.

non-visual effects; LED; PWM dimming; physiological parameters; color temperature

2016-03-26；

2016-05-20

廣東省科技計劃(2015A010103005)資助項目

1000-7032(2016)07-0892-07

Q682； TU113.6

A

10.3788/fgxb20163707.0892

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhouxm@scut.edu.cn