光生物节律因子计算模型的研究

通过实验测量额头温度拟合光生物节律因子-额温差曲线,对现有评价光生物效应作用大小的BioEq模型和CLA模型的计算结果进行分析比较.利用不同图片LCD屏幕的光谱计算节律因子,发现两种模型对于绿色波段的光抑制较强,而对红色波段的光则与实际不相符.通过对九种不同颜色的LED光源测试额头温度,比较模型计算结果与实际光生物效应的作用,发现光生物节律因子与生理体征变化线性递增,其中对BioEq模型的直线拟合相关度达到0.95.

不同波段LED对人体非视觉的影响

采用生物节律因子模型,评价可控发光二极管(light-emitting diode,LED)光源对人体生理节律等非视觉的影响.计算9种颜色LED光的生物节律因子,在红绿蓝3种光环境下,记录人体的心电图参数及9种颜色LED光开灯前后的额头平均温度差,结果发现,不同的颜色光对应着不同的生物节律因子,蓝光的生物节律因子最大,红光的最小;在红绿蓝3种颜色光环境下测得的心电图数据显示,在蓝光环境下心室率及QTc时间等参数变化较大,在红光和绿光环境下则基本变化不大;在9种颜色的光环境下,蓝光开灯前后额头平均温度差最大,红光的较小,白光的最小,生物节律因子与开灯前后额头平均温度差总体呈正相关,不同生物节律因子对人体非视觉效应存在不可忽视的影响.

不同年龄群体的光生物效应评价方式

研究了照明光环境对不同年龄人群的光生物效应定量评价方式。从光照转换角度提出了一种考虑不同年龄人眼透射谱、瞳孔直径以及受光面积的节律因子模型,选取3种不同色温(3 000,4 000,6 000 K)的白光LED光源,在同种照度500 lx下实验测试其光谱分布,并对提出的节律因子进行计算,与之前标准中考虑年龄的修正因子方式进行了线性拟合对比分析。结果表明:在相同色温下,随着年龄的增大,节律因子值逐渐减少;而对于相同年龄,随着色温的增大,节律因子是变大的,此种规律与其他研究人员得出的实验结论一致。从线性拟合相关度上来看,三种色温下两种考虑年龄的节律因子的直线相关度分别为0.958 08,0.958 33,0.957 22,具有较高的相关性。较之于标准中的考虑透光谱方式,本文提出了另外一种考虑不同年龄人眼差异的光生物效应评价方式,尝试对人眼模型的透射谱进行绝对而不是相对效应的考虑方式。

基于MOSFET电路的非视觉感光系统建模及其照明应用

目的为合理解释非视觉感光系统响应量与光照之间的关系,探讨LED照度光环境对学习者学习效率及疲劳度的影响。方法首先利用等效类比的方法建立了基于MOSFET电路的非视觉感光系统模型,然后利用Multisim 12.0软件进行了MOSFET电路仿真,并验证了非视觉感光系统与MOSFET电路模型一致性。最后结合新型学习工具——平板显示器,通过改变光环境照度,采用安菲莫夫字母表测试了6名学习者的学习效率与疲劳度。结果结果显示,学习效率随着照度增加而增加,照度在700 lx附近达到最大,视疲劳与脑疲劳较小。结论利用本文所建立的基于MOSFET电路的非视觉感光系统模型,较好地解释了光感受系统作用机制,并综合考虑学习效率、视疲劳和脑疲劳三方面因素,提出合理照明建议:在多数学习任务情境下,应尽可能选择700 lx附近LED光源作为光环境照度。

不同手机屏幕对青少年生理节律和蓝光危害的影响

针对市场上三款常见的不同材质的手机屏幕(LED背光LCD、OLED、SUPER AMOLED),在黑暗中、屏幕距离瞳孔15 cm处4种不同色温的条件下,研究不同手机对青少年生理节律和蓝光危害的影响。在充分考虑年龄、人眼受光面积、透射率的情况下,改进传统计算蓝光危害因子的公式,并计算节律因子和蓝光危害因子。结果表明,不管何种手机,节律因子和蓝光危害因子都随色温升高而增大,并且均呈现出良好的线性关系。在7 425～9 201 K色温下,节律因子由大到小依次为:OLED> SUPER AMOLED> LED背光LCD;而蓝光危害因子由大到小依次为:LED背光LCD> SUPER AMOLED> OLED,由此可以根据不同需求,选择相对更健康合适的手机。

基于LED电流、温度光谱模型的照明系统研究

电流、温度的改变都会影响LED光谱分布,从而影响光源的视觉和非视觉参数。文中从基于LED芯片发光材料中光子能级分布规律的光谱模型出发,对RGBY四色LED建立电流、温度模型,拟合的R-square可达到0.99。在此基础上,通过遗传算法对昼夜节律因子和辐射发光效率进行多目标优化,在照度为300 lx时,设计8组兼顾视觉参数(显色指数和蓝光危害效率)以及非视觉参数(昼夜节律刺激)的照明方案,通过这些方案验证了该模型的可行性。接着,探究两种非视觉参数和温度的关系,结果表明昼夜节律因子均随温度的增加而升高,但昼夜节律刺激却随温度的增加而减小。这种情况的原因是两种参数受照度的影响不同,对照度补偿后,发现两种非视觉参数均随温度的升高而增大,二者呈现一定的正相关性。该研究从光源光谱的角度入手,为LED照明光源设计中非视觉效应的考量提供参考依据。

生物节律因子的调光计算

针对光生物效应重要性及复杂性问题,提出一种生物节律因子的调光计算方法。给定三通道LED工作在额定条件下的光谱分布就能够实现任意比例的混合光源的照度、相关色温、节律因子的便捷计算。实验选用三种色温白光LED组成三通道光源,基于脉冲宽度调制(PWM)原理进行三通道分时调光。在某一照明测试空间距离下,先测得单通道独立工作时的光谱分布,并通过调光计算方法得到三通道在任意比例下混合光源的理论照度、相关色温、节律因子;再测得三通道光源在不同混合比例下的实际照度、相关色温与节律因子。然后将理论与实际计算所得的照度、相关色温、节律因子进行比较,并分析误差。实验结果表明,照度、相关色温、节律因子的多条拟合直线与调光计算式所描述直线的斜率差异分别在6%、2%、3%以下,截距差异分别在2%、5%、3%以下。用显著性差异检验来检验实际节律因子与理论计算所得节律因子的正态分布特性,结果显示并无明显差异,表明在给定各LED光源光谱分布的情况下,调光计算方法不用通过测量混合光源光谱分布,便能快速有效地计算出混合光源照度、相关色温、节律因子。

LED健康照明的节能调光策略

基于非视觉效应CLA(生理节律光照)模型分析健康节能的调光策略,给出一种引入调节因子的照明调光方式。该方式可实现照度、色度和节律刺激值的灵活调控,通过四色组合LED光源分析光谱效能的可优化潜力及光源驱动的节能调光思路。在光谱效能方面的结果表明,提高光谱效能可根据具体应用场景,通过转换非视觉光谱效能和光视效能最大的优化方式实现。在光源功耗方面的结果表明,同等照度和节律刺激下选择低色温光源可降低光源功耗,通过调节色度代替调节照度以达到健康照明需求的方式,从而更符合节能调光策略。

基于视觉与非视觉效应的LED温度光谱补偿研究

温度是影响光源稳定性的重要因素,温度变化会引起光源参数的改变,进而影响光源视觉与非视觉效应。基于三种光谱模型确定单通道光源的光谱参数与热沉温度的关系,建立多LED混光光源的温度光谱模型,并对RGBY四色LED混光光源(本文采用D50光源和D65光源)进行温度实验,结果表明,温度光谱模型中不同热沉温度下光源光谱与实测光谱基本一致,两者光源参数最大相对误差不超过6.15%,验证了该模型的可靠性。针对温度引起的光源参数(照度、色温、生理节律因子)变化问题,基于温度光谱模型采用差分进化算法实时确定脉宽调制控制系统中各通道的补偿权重,根据热沉温度对权重的反馈实现光源参数补偿。本研究可应用到多LED混光光源的动态设计及光源温度稳定性控制当中。

基于非视觉和视觉效应的照明光谱重构研究

提出了一种基于非视觉和视觉效应的光谱重构解决方案,以实现健康照明的理念。建立了四通道光谱重构计算模型,利用该模型根据生理节律因子、色品坐标和照度直接求解脉冲宽度调制的占空比。设计了一种可远程控制的光谱可重构的发光二极管光源,用以实验验证。讨论了生理节律因子和显色性指数的可调谐性,为相关参数的选择提供了理论指导。实验结果表明,测量值与理论值之间的相对误差较小。此外,计算模型能够指导同一色品坐标上的光谱重构,以实现生理节律因子和显色性指数的调控。因此,计算模型能良好地指导光谱重构。该研究为下一代健康照明光源的设计提供了有益参考。