不同調光方式LED照射下的人體非視覺效應

周曉明， 羅 達， 張惠平

(華南理工大學 物理與光電學院， 廣東 廣州 510640)

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不同調光方式LED照射下的人體非視覺效應

周曉明*， 羅 達， 張惠平

(華南理工大學 物理與光電學院， 廣東 廣州 510640)

分別采用模擬調光和PWM調光方式實現LED光調節。采用生理參數法，以在校大學生為研究對象，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，分別采用兩種調光方式添加藍光(464 nm，20 lx)實現300 lx的照明環境，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。結果表明：兩種調光方式實現的LED光環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； LED； PWM調光； 生理參數； 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，目前已成為光效發展最快的新光源[1]。LED光源與傳統光源相比，具有體積小、綠色節能、長壽命、可控性好等優點，被廣泛應用于室內照明、道路照明、車前燈和消費電子等領域。在LED發光效率達到一定水平時，LED通過智能控制既可以實現色溫可調，又可以實現光通量和顯色性可控[2]，從而能夠滿足不同應用場合的需求。為實現LED色溫可調，學者們對LED色溫可調技術進行了深入的研究，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注。

2002年，Berson等發現了哺乳動物視網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，光參與調節人體生理體征、激素分泌、晝夜節律和瞳孔大小等[6-14]。牛萍娟等[8]研究了不同LED光環境對人體光生物效應的影響，結果表明，在相關色溫為4 500 K、照度為500 lx的照明環境下，學習效率最高，視調節力最好，生理參數最為穩定。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，發現在光照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)照射引起的持續瞳孔收縮反應強度是連續綠光照射的2倍，利用間歇光反復刺激視錐感受器可以增強人的非視覺光反應。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，以鹵素燈作為標準光源，在4種光環境下使人眼處的輻照度相同(約12 μW/cm2)，結果顯示在藍光脈沖+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境為淺藍光，但出現了明顯的非視覺效應——瞳孔收縮。Lisdiani等[12]研究了藍光在夜間對人覺察性的影響，結果表明在夜間環境光(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常用的調光方式有脈沖寬度調制(PWM)調光和模擬調光[4]。PWM調光是通過改變光源電流的通斷時間來調節光源亮度，也就是利用占空比改變平均有效電流，進而實現調光[15]。PWM調光具有LED色溫恒定性高，能夠進行精確控制等優點[4,16]。模擬調光相對PWM調光具有電路簡單、容易實現的優點，但會使LED色溫發生變化[16]。有研究指出，兩種調光方式對LED色溫均有影響[15]：PWM調光較模擬調光的色溫偏差小；兩種調光方式對低色溫LED調節的色溫差異小，而對高色溫LED調節的色溫差異較大。單色光LED以間歇或脈沖方式對人進行照射比連續光方式能產生更強的非視覺效應[10-11]。因此，有必要分析在兩種調光方式LED照射下人體的非視覺效應，進而為基于非視覺效應的LED動態照明系統研究提供實驗數據支持。本文用3種不同色溫的LED作為光源，在室內照明常用的幾個照度值下，以不同調光方式驅動LED，研究了LED光對人體脈搏和瞳孔的影響；并在3種色溫LED光環境下，測試了以不同調光方式添加藍光對人體脈搏和瞳孔的影響。

2 實驗設計

2.1 實驗環境

在普通辦公室自行搭建實驗環境，利用內壁鋪有白紙的實驗平臺(44 cm×44 cm×42 cm)內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律周期中[17]。同時，為減少其他因素干擾，實驗環境溫度控制在21～22 ℃，實驗過程中保持安靜。受測者在實驗前均需在暗環境下靜候15 min進行環境適應以穩定生理參數。

實驗一：用不同調光方式實現的LED光對人體非視覺效應的影響。

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。光源照度采用室內照明中常用的3種照度，分別為300，500，800 lx。LED亮度的調節分別采用模擬調光和PWM調光方式，其中模擬調光是通過調節DC-DC電源模塊的輸出實現對LED光源的控制；PWM調光是利用FPGA實現的PWM信號和LED驅動模塊對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為主要光源的光環境中，用不同調光方式添加藍光后，測試光環境對人體非視覺效應的影響。

實驗環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亮度的調節分別采用模擬調光和PWM調光方式，藍光LED的調節采用和白光相對應的方式進行。當光源調光方式采用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，提取受測者左眼區域，然后調用OpenCV區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境對人體的非視覺效應的影響。

[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)瞳孔穩定收縮值，指給光后3～5 min內的瞳孔半徑平均值；

(3)瞳孔收縮率：

(2)

3 結果與討論

3.1 不同調光方式調節白光LED

在不同光照環境下，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測試環境下，受測者脈搏的改變約為3%～6%。兩種調光方式的光環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采用兩種調光方式對受測者瞳孔的影響也沒有明顯差異。對兩種調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境的影響較大。在500 lx和800 lx照度水平下，光環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有明顯的作用[6-7]。

圖2 不同光環境下的脈搏(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 不同調光方式添加藍光

在以不同色溫LED為主要光源的光環境中，采用兩種調光方式添加藍光(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，在采用兩種調光方式實現的光環境下，受測者的脈搏均較暗環境下為高。

圖3 添加藍光的測試環境下的脈搏變化

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，結果如表4和圖4所示。從表4和圖4可知，在不同測試環境下，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%。對兩種調光方式添加藍光的測試環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境(300 lx)。在以3 000 K色溫LED為主要光源的環境中，添加藍光對人體非視覺效應的影響最為顯著，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 論

采用生理參數法研究了兩種不同調光方式的LED光下的人體非視覺效應，對受測者在兩種調光環境下的脈搏變化率和瞳孔收縮率進行了統計分析。結果表明：在300，500，800 lx照度水平下，分別采用模擬調光和PWM調光方式實現的3種色溫LED光環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；以兩種調光方式添加藍光(464 nm，20 lx)實現的LED光環境(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，實驗結果也表明，在照明環境中添加藍光確實可以增強非視覺生物效應，導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，照明光環境中添加多少藍光才能達到預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年于華南理工大學獲得博士學位，主要從事物理場生物效應的研究。

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