不同调光方式LED照射下的人体非视觉效应

周晓明， 罗 达， 张惠平

(华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640)



不同调光方式LED照射下的人体非视觉效应

周晓明*， 罗 达， 张惠平

(华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640)

分别采用模拟调光和PWM调光方式实现LED光调节。采用生理参数法，以在校大学生为研究对象，选择3种色温(3 000，5 600，6 500 K)LED光源，在3种照度(300，500，800 lx)水平下，对8名(5男，3女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。选择同样3种色温LED光源，分别采用两种调光方式添加蓝光(464 nm，20 lx)实现300 lx的照明环境，对12名(8男，4女)受测者在实验前后的脉搏和瞳孔进行测量。结果表明：两种调光方式实现的LED光环境对人体脉搏变化率和瞳孔收缩率的影响均没有显著性差异；在测试照明环境中添加蓝光，可引起人体脉搏变化率和瞳孔收缩率增大，峰值处分别增加约6%和9%。

非视觉效应； LED； PWM调光； 生理参数； 色温

1 引 言

LED光源是继白炽灯、气体放电灯之后的新型的固体照明光源，也常被称作第三代照明光源，目前已成为光效发展最快的新光源[1]。LED光源与传统光源相比，具有体积小、绿色节能、长寿命、可控性好等优点，被广泛应用于室内照明、道路照明、车前灯和消费电子等领域。在LED发光效率达到一定水平时，LED通过智能控制既可以实现色温可调，又可以实现光通量和显色性可控[2]，从而能够满足不同应用场合的需求。为实现LED色温可调，学者们对LED色温可调技术进行了深入的研究，并提出了多种解决方案[2-5]。与此同时，LED光源对人体非视觉影响也越来越受到人们的关注。

2002年，Berson等发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞-ipRGC(Intrinsically photosensitive retinal ganglion cell)，首次认识到人眼除了视觉通路外，还存在非视觉通路，即在第三类感光细胞的作用下，光参与调节人体生理体征、激素分泌、昼夜节律和瞳孔大小等[6-14]。牛萍娟等[8]研究了不同LED光环境对人体光生物效应的影响，结果表明，在相关色温为4 500 K、照度为500 lx的照明环境下，学习效率最高，视调节力最好，生理参数最为稳定。Figueiro等[9]通过研究电脑、平板和手机等光照对人体褪黑素抑制作用，发现在光照1 h和2 h后，其褪黑素抑制分别约为23%和38%，在青少年群体中，上述光照对人体褪黑素抑制作用更加显著。Gooley等[10]的研究表明，低照度间歇绿光(543 nm，0.1～4 Hz)照射引起的持续瞳孔收缩反应强度是连续绿光照射的2倍，利用间歇光反复刺激视锥感受器可以增强人的非视觉光反应。Katsuura等[11]研究了蓝光脉冲对人体生理机能和主观评价的影响，以卤素灯作为标准光源，在4种光环境下使人眼处的辐照度相同(约12 μW/cm2)，结果显示在蓝光脉冲+白光脉冲(蓝光占空比为10%，1 kHz)条件下，受测者虽然不认为该光照环境为浅蓝光，但出现了明显的非视觉效应——瞳孔收缩。Lisdiani等[12]研究了蓝光在夜间对人觉察性的影响，结果表明在夜间环境光(白光，150 lx)中添加低照度蓝光(465 nm, 7 lx)可以提高人在夜间的觉察性，与没有添加蓝光的环境相比，受测者阅读的准确率更高，KSS(Karolinska sleepiness scale)水平更低，同时对EEG具有显著性作用。

LED常用的调光方式有脉冲宽度调制(PWM)调光和模拟调光[4]。PWM调光是通过改变光源电流的通断时间来调节光源亮度，也就是利用占空比改变平均有效电流，进而实现调光[15]。PWM调光具有LED色温恒定性高，能够进行精确控制等优点[4,16]。模拟调光相对PWM调光具有电路简单、容易实现的优点，但会使LED色温发生变化[16]。有研究指出，两种调光方式对LED色温均有影响[15]：PWM调光较模拟调光的色温偏差小；两种调光方式对低色温LED调节的色温差异小，而对高色温LED调节的色温差异较大。单色光LED以间歇或脉冲方式对人进行照射比连续光方式能产生更强的非视觉效应[10-11]。因此，有必要分析在两种调光方式LED照射下人体的非视觉效应，进而为基于非视觉效应的LED动态照明系统研究提供实验数据支持。本文用3种不同色温的LED作为光源，在室内照明常用的几个照度值下，以不同调光方式驱动LED，研究了LED光对人体脉搏和瞳孔的影响；并在3种色温LED光环境下，测试了以不同调光方式添加蓝光对人体脉搏和瞳孔的影响。

2 实验设计

2.1 实验环境

在普通办公室自行搭建实验环境，利用内壁铺有白纸的实验平台(44 cm×44 cm×42 cm)内形成的漫反射光进行照明。实验时间为19∶00-22∶30，这段时间有利于排除天然光的影响，保证受测者每次实验均处在相近的生理节律周期中[17]。同时，为减少其他因素干扰，实验环境温度控制在21～22 ℃，实验过程中保持安静。受测者在实验前均需在暗环境下静候15 min进行环境适应以稳定生理参数。

实验一：用不同调光方式实现的LED光对人体非视觉效应的影响。

采用3种不同色温的欧司朗LED作为实验光源，其色温分别为3 000，5 600，6 500 K。光源照度采用室内照明中常用的3种照度，分别为300，500，800 lx。LED亮度的调节分别采用模拟调光和PWM调光方式，其中模拟调光是通过调节DC-DC电源模块的输出实现对LED光源的控制；PWM调光是利用FPGA实现的PWM信号和LED驱动模块对LED进行控制，其频率为1 kHz。用TES1336A照度仪对人眼处照度进行测量。

实验二：在以LED为主要光源的光环境中，用不同调光方式添加蓝光后，测试光环境对人体非视觉效应的影响。

实验环境光由白光和低照度蓝光(464 nm，20 lx)组成，并使受测者人眼处照度为300 lx。白光为3种不同色温的LED光，分别为3 000，5 600，6 500 K。白光LED亮度的调节分别采用模拟调光和PWM调光方式，蓝光LED的调节采用和白光相对应的方式进行。当光源调光方式采用PWM方式时，白光和蓝光占空比分别是80%和20%，其频率为1 kHz。

2.2 实验对象

受测者为12名(8名男性，4名女性)自愿参与实验的在校大学生，年龄介于23～25岁，平均年龄为24岁。每位受测者均身体健康，拥有正常视力，无吸烟、酗酒等不良嗜好，要求实验期间正常作息。实验一有8名受测者(5名男性，3名女性)参与,实验二有12名受测者(8名男性，4名女性)参与。

2.3 实验方法

2.3.1 脉搏测量

通过欧姆龙电子血压计对受测者在LED光照前后的脉搏进行测量。首先，在5 min暗环境下对受测者脉搏进行两次测量；然后，开灯5 min后再对受测者脉搏进行一次测量。受测者实验前后的脉搏变化率定义为：

(1)

实验前脉搏为受测者在暗环境下两次测得的脉搏平均值。

2.3.2 瞳孔测量

采用红外视频记录仪拍摄实验过程中受测者瞳孔的变化，实验视频记录的是受测者的左眼瞳孔。红外视频记录仪由红外摄像头和基于OpenCV开发的视频录制程序组成，其中红外摄像头帧频为25 frame/s。实验首先记录1 min暗环境下受测者的瞳孔大小，然后开灯记录5 min，总的拍摄时间为6 min，依次更换受测者。用红外数字图像处理方法[18]计算受测者瞳孔大小。该方法主要是分析实验视频的每帧图像，提取受测者左眼区域，然后调用OpenCV区域检测算法计算出瞳孔半径大小，单位为像素(Pixel)。本文同时也以瞳孔收缩率来评价光环境对人体的非视觉效应的影响。

[13]定义了以下几个变量：

(1)基准瞳孔半径，指给光前1 min的瞳孔半径平均值；

(2)瞳孔稳定收缩值，指给光后3～5 min内的瞳孔半径平均值；

(3)瞳孔收缩率：

(2)

3 结果与讨论

3.1 不同调光方式调节白光LED

在不同光照环境下，受测者实验前后的脉搏平均值如图1所示。使用Origin8.5对受测者实验前后的脉搏进行配对t检验(p=0.05)，除了3 000 K白光LED在300 lx水平下之外，在其余测试光环境下，受测者脉搏变化均具有显著变化(p<0.05)。

图1 不同光环境下的脉搏的变化。(a) 3 000 K色温LED；(b) 5 600 K 色温LED；(c) 6 500 K色温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.

实验过程中除了测量受测者实验前后的脉搏外，也用红外视频记录仪对受测者的瞳孔进行拍摄记录，并利用相关算法计算受测者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)计算受测者实验前后的脉搏变化率和瞳孔收缩率，结果如表1、表2、表3和图2所示。

表1 3 000 K色温 LED 不同光环境下的脉搏和瞳孔变化率

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

照度/lx调光方式脉搏变化率/%瞳孔收缩率/%300模拟-1．2248．04300PWM1．1548．34500模拟3．0052．09500PWM3．0552．08800模拟4．6354．28800PWM4．1354．77

表2 5 600 K色温 LED 不同光环境下的脉搏和瞳孔变化率

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

照度/lx调光方式脉搏变化率/%瞳孔收缩率/%300模拟4．1050．91300PWM3．6750．93500模拟4．8955．11500PWM5．3854．90800模拟5．4356．35800PWM5．6958．39

表3 6 500 K色温 LED 不同光环境下的脉搏和瞳孔变化率

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

照度/lx调光方式脉搏变化率/%瞳孔收缩率/%300模拟3．2852．69300PWM3．9555．08500模拟6．0855．56500PWM6．0155．46800模拟5．7659．12800PWM5．9760．82

从表1到表3可以看出，除了在3000 K色温、300 lx照度水平下，受测者脉搏没有受到显著影响外，在其余LED测试环境下，受测者脉搏的改变约为3%～6%。两种调光方式的光环境对受测者脉搏影响差异不大，两者之差均小于0.7%。同样，在3种照度水平下，3种色温LED采用两种调光方式对受测者瞳孔的影响也没有明显差异。对两种调光方式下受测者脉搏变化率和瞳孔收缩率进行配对t检验(p=0.05)，结果均没有显著性差异(p>0.05)。

从图2可以看出，脉搏和瞳孔受测试环境的影响较大。在500 lx和800 lx照度水平下，光环境对受测者脉搏的影响明显增强。受测者的瞳孔收缩率随测试照度的增加而增大。在同一照度水平下，测试光源的色温越高，脉搏变化率和瞳孔收缩率的均值就越大。这是因为高色温光源中含较丰富的短波段蓝光，而短波段的蓝光对人体非视觉效应有明显的作用[6-7]。

图2 不同光环境下的脉搏(a)和瞳孔(b)的变化率

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

3.2 不同调光方式添加蓝光

在以不同色温LED为主要光源的光环境中，采用两种调光方式添加蓝光(464 nm, 20 lx)，并使受测者人眼处照度为300 lx。图3为受测者实验前后的脉搏变化，其中横坐标为主要光源(白光LED)的色温。使用Origin8.5对受测者实验前后的脉搏进行配对t检验(p=0.05)，结果显示受测者的脉搏变化均具有显著性(p<0.05)。从图3可以看出，在采用两种调光方式实现的光环境下，受测者的脉搏均较暗环境下为高。

图3 添加蓝光的测试环境下的脉搏变化

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

在实验过程中，同样也用红外视频记录仪对受测者的瞳孔进行拍摄记录并计算受测者的瞳孔大小。利用式(1)和式(2)算得受测者实验前后脉搏变化率和瞳孔收缩率，结果如表4和图4所示。从表4和图4可知，在不同测试环境下，受测者的脉搏变化率和瞳孔收缩率整体变化不大，如脉搏变化率约为6%±0.8%，而瞳孔收缩率约为57.5%±1%。对两种调光方式添加蓝光的测试环境下的受测者脉搏变化率和瞳孔收缩率进行配对t检验(p=0.05)，结果均没有显著性差异(p>0.05)。

如图5所示，在添加蓝光的测试环境(照度300 lx)下，受测者的脉搏变化率和瞳孔收缩率要大于未添加蓝光的测试环境(300 lx)。在以3 000 K色温LED为主要光源的环境中，添加蓝光对人体非视觉效应的影响最为显著，其对人眼瞳孔收缩率的影响大于对脉搏变化率的影响。

表4 添加蓝光的测试环境下的脉搏和瞳孔的变化率

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

色温/K调光方式脉搏变化率/%瞳孔收缩率/%3000模拟5．2857．423000PWM6．5657．605600模拟5．7956．545600PWM6．1258．306500模拟6．8757．266500PWM6．8058．67

图4 添加蓝光的测试环境下的脉搏(a)和瞳孔(b)的变化率

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

图5 有蓝光和无蓝光环境下的脉搏变化率和瞳孔收缩率的差值

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

4 结 论

采用生理参数法研究了两种不同调光方式的LED光下的人体非视觉效应，对受测者在两种调光环境下的脉搏变化率和瞳孔收缩率进行了统计分析。结果表明：在300，500，800 lx照度水平下，分别采用模拟调光和PWM调光方式实现的3种色温LED光环境对人体脉搏和瞳孔的影响没有显著性差异；高色温光源对人体脉搏和瞳孔的影响较低色温光源更为明显；以两种调光方式添加蓝光(464 nm，20 lx)实现的LED光环境(300 lx)对人体脉搏和瞳孔的影响同样也没有显著性差异。此外，实验结果也表明，在照明环境中添加蓝光确实可以增强非视觉生物效应，导致脉搏变化率和瞳孔收缩率增大，这也与目前国际上的研究成果相吻合[11-12]，而且在以3 000 K色温LED为主要光源的环境中，对脉搏变化率和瞳孔收缩率的影响最为显著，分别使其增加约6%和9%。最后需要指出的是，照明光环境中添加多少蓝光才能达到预期效果而不影响人们的身心健康，还有待更多的实验研究和理论探索。

参 考 文 献：

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周晓明(1963-)，男，湖南衡阳人，博士，教授，2004年于华南理工大学获得博士学位，主要从事物理场生物效应的研究。

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

广东省科技计划(2015A010103005)资助项目

1000-7032(2016)07-0892-07

Q682； TU113.6

A

10.3788/fgxb20163707.0892

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