多光譜混合技術實現類日光人因照明系統

王 安，宮德旺

(上海亞明照明有限公司，上海 201801)

引言

通過“理、工、醫”跨學科與產學研創新團隊的交叉聯合、協力攻關，圍繞“南極環境對科考隊員生理和心理健康的影響要素與作用機制”、“南極科考人因健康策略及在南極內陸科考站及羅斯海新站示范應用”從光環境對科考隊員生理和心理健康作用機制研究、關鍵技術突破到示范應用落地開展全鏈程、系統性研究，旨在推動我國極地科考光環境與其他聲熱環境協同效能建設，有力提升科考設施、裝備的人—機—環境系統。

南極極端環境智能健康照明技術要求是人因照明需求的一個縮影，這一技術指的是以人為本的應用照明技術，它針對人類生理健康對照明的需求，為工作環境帶來可持續的積極影響，讓人在身體、情緒、績效、舒適、健康和幸福感等方面獲得幫助。簡單地說，健康照明(人因照明)就是指跟隨人的生理健康需求而調整的燈光。

“人工光”的出現乃至大規模運用之后，相對呆板、一成不變的室內人工光打破了人的生物節律平衡，使人體無法根據日光色溫的變化規律啟動生物鐘，也就無法控制調節人體正常的生物節律，容易引發一系列生理、心理狀態的失衡。

現代意義上的健康光環境，不再僅僅是滿足光照品質及視覺要求，比如滿足文獻[1]國家標準室內照明環境的各項指標，還需滿足人體內在晝夜節律的光生理心理需求。對于青少年，眼部正處于生長發育的敏感期，長時間處于室內教室環境進行讀寫、學習，教室照明的方案不僅要考慮視覺效果，更要考慮“光生物效應”。

天然光存在著光線均勻度好，光譜連續均衡，光源顯色指數高，同時日光周期性變化又符合人體生物節律。未來“人工光”的發展也必將從單一追求光強度分布品質，逐漸開始兼顧光譜組成成份、光色與非視覺的光生物效應等，即“類日光”健康照明方案。非視覺效應是2002年英國Brown大學的Berson、Dunn和Takao在哺乳動物中發現的，也稱為司辰視覺效應，是2022年世界十大發明之一。除負責動物視覺的視錐細胞(cones)、視桿細胞(rods)外，人眼視網膜上還存在內在光敏視網膜神經節細胞(ipRGC)，負責調節視覺以外的非視覺效應，如管理時間的功能，協調和控制人們在不同時段里的活動節律和幅度。而褪黑素的分泌具有明顯的晝夜節律，白天分泌受抑制，晚上分泌活躍。交感神經的興奮度與達到松果體的光的能量和顏色密切相關，光色和光照強度會影響褪黑素分泌和釋放，周期性自然日光使人體節律校準至地球自轉24 h周期?！邦惾展狻苯】嫡彰鞣桨改M關聯日光的周期性變化，營造一般日光照明環境。

1 研究目標

傳統照明標準對于“人工光”照明要求主要在作業面水平照度、均勻度、眩光值及光源的色溫與顯色指數等，但相對于天然光，現在常用的LED“人工光”光源的光譜在藍光芯片利用黃色熒光粉激發產生白光，如圖1所示，同樣6 500 K色溫下左邊的天然光光譜連續飽滿均衡，本研究中“類日光”健康照明方案就是使用不同光譜的LED光源，基于多通道電源驅動電流調節技術，可以外部智能控制混合成不同色溫的天然光光譜。

類日光光譜，不僅連續性好，顯色性能優，同時最大程度模擬文獻[2]中類太陽光光譜，在黑體輻射曲線上不同目標色溫對應的色點坐標有較小的色容差(如SDCM<3)。與節律照明和空間明亮感最相關的照明指標是間接光眼部垂直照度，由于不同感光細胞對不同波長的光敏感程度不同，非視覺的ipRGCs 響應最高的波長約為480 nm左右，與我們視覺感應峰值555 nm差別很大，從而可以通過智能控制實現睡前引導與喚醒照明功能。大量研究顯示，如圖2所示，可見光譜波段(380～780 nm)中不同波長對人體有或多或少作用，比如670～690 nm波長范圍的紅光光譜，這個波長范圍紅光對眼睛視錐細胞有一定的修復和治療作用，可以延緩眼軸增長，延遲青少年近視與老人白內障發病。人們適應每天太陽光變化，以及春夏秋冬四季陽光變化，智能控制使類日光光譜模擬這些變化，文獻[3]在這方面有詳細描述與循證研究成果。

圖2 不同波長對人體有一定作用Fig.2 Different wavelengths have certain effects on the human body

市場上，首爾半導體SunLike LED全光譜光源(紫光芯片激發)開始，不同色溫下全光譜LED越來越多，通過單藍、雙藍或者紫光芯片不同配方的熒光粉激發達到類日全光譜光譜，如圖3所示三者之間光譜對比以及表1描述三者特點對比。

表1 三種全光譜方案的特點對比

圖3 三種全光譜LED光源光譜對比Fig.3 Three types of all-spectrum LED light source spectrum comparison

可以看出，類似Sunlike的紫光芯片方案光譜連續性好，但光效低價格高，單藍光芯片光效高但光譜連續性不好。同時，這些芯片封裝后實現一種特定光譜，映射到色度圖中黑體輻射曲線對應色溫的顏色色點坐標，天然光光譜對應的色點坐標為黑體輻射曲線上色溫線交點，市場普遍使用的兩種全光譜LED顆粒調色溫方案，使用雙通道電源調節只能實現兩個色點坐標間線段內顏色點變化，無法實現黑體輻射曲線上曲線變化，在兩個全光譜顆粒中間區域可能出現顏色失真，顯色指數與R9等指標明顯下降等現象。而且真實的日光光譜在不同緯度，不同天氣條件下的光譜差異很大，并且隨時間變化而變化，大氣層外的日光光譜與地面的日光光譜也不一樣，文獻[2]里面規定的標準日光光譜，一般是5 000 K以下用黑體光譜，5 000 K以上用重組日光。無論是黑體光譜還是重組日光光譜，用目前的紫光芯片加熒光粉的技術方案都是很難實現的。

本研究中“類日光”健康照明方案使用多基色LED芯片直接發光的白光光源，才能現在常規白光最高效的光學效率與超高性價比，通過智能控制多通道電源可調技術，混合成不同天然光光譜實現光譜的按需調整，達到文獻[4]推薦的照明心理生理要求及相應測試方法。

2 研究方法

雙通道電源調節只能實現兩個色點坐標間線段內顏色點變化，包圍黑體輻射曲線(如果要求色溫2 700～6 500 K)所要求曲線段的三個色點坐標(即三種基礎光譜數據按不同通道比例混合)完全可以實現色點坐標調節，但對應一個色點坐標只有一個通道比例數據解，色點坐標只是光譜希爾伯特連續空間數據信息的大量損失，即使分成1 nm間隔來算，380～780 nm的可見光波段為401維獨立空間數據降為二維色點坐標數據，如果需要求解可以靈活變化的光譜數據，四種基礎光譜最為合適，直觀來說，對應一個色度圖特點色點坐標可以有無數個解，而合成某些簡單維度的照明指標組合如顯指Ra和R9，以及與天然光光譜相似度，節律照明指標等等相對容易很多，如圖4(a)中三色混光只有一個解，而參考文獻[5，6]推薦的圖4(b)四色混光可以有無窮解，這樣對于除了色點坐標這個指標滿足之外，其他指標也需要滿足時，四色混光因為靈活多變，就非常有優勢，雖然在電源多通道控制技術略復雜一些。

圖4 三個與四個基礎光譜色點坐標調節實現某個光譜色點解Fig.4 Three and four basic spectral color point coordinates are adjusted to achieve a spectral color point solution

綜上所述，四色混光技術最適合實現“類日光”健康照明方案，利用現有LED成熟的封裝材料技術獲得高光效低成本，最大化使用現有大量出貨常規LED顆粒，可能一種或兩種地盡量少定制某種光譜的LED顆粒。相對于使用RGBW等多通道混光技術，本文提出的四色混光技術由于在光效、性價比以及量產交貨時間等方面優勢，市場推廣更具有競爭力。同時，在實際應用中，這種技術的無窮解，說明同樣顏色或色溫可以由不同光譜來實現，在睡眠引導或喚醒功能的光譜應用中，改變色溫會產生視覺疲勞效應，這種四色混光實現的同色異譜將非常有優勢。

電源多通道智能控制技術可以通過DALI調光實現，具體原理圖如圖5所示，其中LED驅動電源P1～P4基于一個LED調光電源中不同控制回路。

圖5 四色混光的多通道智能控制電源實現圖示Fig.5 Multi-channel intelligent control power implementation icon with four-color mixed light

研究中主要以光效、色點坐標及相關色溫、與目標色溫的色容差、顯色指數Ra和R9、日光相似度等基本技術參數作為優化目標解，以下為相關技術參數計算過程，參考文獻[7，8]。

(1)光通量計算

(1)

(2)

(3)

其中，Y是指光通量除以683，而給定輸入電功率即可以求得光效。

(2)色點坐標計算，由

(4)

(5)

(6)

從而得到混合光譜的色點坐標：

(7)

(8)

(9)

F=Y1+Y2=F1+F2

(10)

(3)色溫計算，待測光源k的相關色溫Tc計算式：

Tc=669A4-779A3+3660A2-7047A+5652

(11)

Tc=669A4-779A3+3660A2-7047A+5210

(12)

(4)色容差計算，在相關色溫Tc處與目標日光色溫處參考色點之間色容差。

(ds)2=g11(dx)2+2g12dxdy+g22(dy)2，SDCM=ds

(13)

(14)

(15)

(16)

(5)顯色指數Ra與R9計算，CIE規定以CIE1964W*U*V*式(17)來計算：

(17)

(18)

Ri=100-4.6ΔEi

(19)

其中，Ra為前8個數值平均值；R9為第9個數值。

(6)日光相似程度計算，不同文獻有不同計算方法，本研究參考文獻[9]中協方差計算方法，對于相對光譜與絕對光譜都適用，有一定權威性。

(20)

3 結果與分析

圖6中為四顆LED的假設基礎光譜數據，實際應用中與相關供應商經過溝通工藝實現，光譜做了略微調整。

圖6 四個基礎光譜數據舉例Fig.6 Four basic spectrum data as an example

經過不斷優化LED顆?；A光譜數據，調整多通道電源智能控制中各通道比例，照明燈具樣品測試結果與理論模擬數據之間差異，圖7為六種目標光譜、圖8為實際四顆LED基礎光譜數據混光后效果。

圖7 2 700～6 500 K 六種目標光譜Fig.7 2 700～6 500 K six target spectrum

圖8 四個基礎光譜數據混光效果Fig.8 Four basic spectrum data mixed light effects

實際燈具測試結果的參數指標見表2。

表2 三種全光譜方案的特點對比

4 結論

根據以上研究技術，所實現的照明燈具樣品結合智能控制系統已經在本研究課題的整個項目制作的南極療愈倉中得到實施，通過同樣的四種LED可以混出2 700～6 500 K全色溫的全光譜，使用該技術制作的照明燈具達到的健康照明設計，應用到嘉興南湖國際高等學校，得到了學校老師學生的普遍認可，光環境設計更加適合視覺需求，學生老師普遍反映健康照明產品的應用，極大地改善了教室作業空間的光環境品質，降低了的環境眩光和疲勞程度，有效提高了學習效率，同時緩解了負面心理情緒。

“類日光”健康照明方案可以模擬日光的動態光，或是與室內媒體界面結合的動態氛圍光，文獻[10]調節光譜或適當加入一定紅光成分，在某些特定場所經過4～5天對比測試中可以明顯改善睡眠或情緒狀況，如南極極端環境場所以外，根據光氣候分區、季節特征、作業類型、空間使用時段、活動時長等因素，如以下場所，工作強度高、疲勞嚴重的辦公空間；使用頻率較高、作業時間較長的會議空間；冬季存在極夜時段的地區，以及采光不利地區的室內空間、地下空間或長時間密閉環境等。該套健康照明系統對這些環境下長期作業人員的心理情緒以及生理節律的調節起到了積極的作用，對提高學習與工作效率有很好的促進作用，相信該技術成果在更多市場應用中將取得顯著的社會效益和經濟效益。

致謝：衷心感謝同濟大學郝洛西教授、邵戎鏑博士以及項目組成員在整個《南極科考智能人因健康支持系統研究》課題項目的理論指導，為論文撰寫、理論數據以及測試驗證等給予的支持與幫助。