多光谱混合技术实现类日光人因照明系统

王 安，宫德旺

(上海亚明照明有限公司，上海 201801)

引言

通过“理、工、医”跨学科与产学研创新团队的交叉联合、协力攻关，围绕“南极环境对科考队员生理和心理健康的影响要素与作用机制”、“南极科考人因健康策略及在南极内陆科考站及罗斯海新站示范应用”从光环境对科考队员生理和心理健康作用机制研究、关键技术突破到示范应用落地开展全链程、系统性研究，旨在推动我国极地科考光环境与其他声热环境协同效能建设，有力提升科考设施、装备的人—机—环境系统。

南极极端环境智能健康照明技术要求是人因照明需求的一个缩影，这一技术指的是以人为本的应用照明技术，它针对人类生理健康对照明的需求，为工作环境带来可持续的积极影响，让人在身体、情绪、绩效、舒适、健康和幸福感等方面获得帮助。简单地说，健康照明(人因照明)就是指跟随人的生理健康需求而调整的灯光。

“人工光”的出现乃至大规模运用之后，相对呆板、一成不变的室内人工光打破了人的生物节律平衡，使人体无法根据日光色温的变化规律启动生物钟，也就无法控制调节人体正常的生物节律，容易引发一系列生理、心理状态的失衡。

现代意义上的健康光环境，不再仅仅是满足光照品质及视觉要求，比如满足文献[1]国家标准室内照明环境的各项指标，还需满足人体内在昼夜节律的光生理心理需求。对于青少年，眼部正处于生长发育的敏感期，长时间处于室内教室环境进行读写、学习，教室照明的方案不仅要考虑视觉效果，更要考虑“光生物效应”。

天然光存在着光线均匀度好，光谱连续均衡，光源显色指数高，同时日光周期性变化又符合人体生物节律。未来“人工光”的发展也必将从单一追求光强度分布品质，逐渐开始兼顾光谱组成成份、光色与非视觉的光生物效应等，即“类日光”健康照明方案。非视觉效应是2002年英国Brown大学的Berson、Dunn和Takao在哺乳动物中发现的，也称为司辰视觉效应，是2022年世界十大发明之一。除负责动物视觉的视锥细胞(cones)、视杆细胞(rods)外，人眼视网膜上还存在内在光敏视网膜神经节细胞(ipRGC)，负责调节视觉以外的非视觉效应，如管理时间的功能，协调和控制人们在不同时段里的活动节律和幅度。而褪黑素的分泌具有明显的昼夜节律，白天分泌受抑制，晚上分泌活跃。交感神经的兴奋度与达到松果体的光的能量和颜色密切相关，光色和光照强度会影响褪黑素分泌和释放，周期性自然日光使人体节律校准至地球自转24 h周期。“类日光”健康照明方案模拟关联日光的周期性变化，营造一般日光照明环境。

1 研究目标

传统照明标准对于“人工光”照明要求主要在作业面水平照度、均匀度、眩光值及光源的色温与显色指数等，但相对于天然光，现在常用的LED“人工光”光源的光谱在蓝光芯片利用黄色荧光粉激发产生白光，如图1所示，同样6 500 K色温下左边的天然光光谱连续饱满均衡，本研究中“类日光”健康照明方案就是使用不同光谱的LED光源，基于多通道电源驱动电流调节技术，可以外部智能控制混合成不同色温的天然光光谱。

类日光光谱，不仅连续性好，显色性能优，同时最大程度模拟文献[2]中类太阳光光谱，在黑体辐射曲线上不同目标色温对应的色点坐标有较小的色容差(如SDCM<3)。与节律照明和空间明亮感最相关的照明指标是间接光眼部垂直照度，由于不同感光细胞对不同波长的光敏感程度不同，非视觉的ipRGCs 响应最高的波长约为480 nm左右，与我们视觉感应峰值555 nm差别很大，从而可以通过智能控制实现睡前引导与唤醒照明功能。大量研究显示，如图2所示，可见光谱波段(380～780 nm)中不同波长对人体有或多或少作用，比如670～690 nm波长范围的红光光谱，这个波长范围红光对眼睛视锥细胞有一定的修复和治疗作用，可以延缓眼轴增长，延迟青少年近视与老人白内障发病。人们适应每天太阳光变化，以及春夏秋冬四季阳光变化，智能控制使类日光光谱模拟这些变化，文献[3]在这方面有详细描述与循证研究成果。

图2 不同波长对人体有一定作用Fig.2 Different wavelengths have certain effects on the human body

市场上，首尔半导体SunLike LED全光谱光源(紫光芯片激发)开始，不同色温下全光谱LED越来越多，通过单蓝、双蓝或者紫光芯片不同配方的荧光粉激发达到类日全光谱光谱，如图3所示三者之间光谱对比以及表1描述三者特点对比。

表1 三种全光谱方案的特点对比

图3 三种全光谱LED光源光谱对比Fig.3 Three types of all-spectrum LED light source spectrum comparison

可以看出，类似Sunlike的紫光芯片方案光谱连续性好，但光效低价格高，单蓝光芯片光效高但光谱连续性不好。同时，这些芯片封装后实现一种特定光谱，映射到色度图中黑体辐射曲线对应色温的颜色色点坐标，天然光光谱对应的色点坐标为黑体辐射曲线上色温线交点，市场普遍使用的两种全光谱LED颗粒调色温方案，使用双通道电源调节只能实现两个色点坐标间线段内颜色点变化，无法实现黑体辐射曲线上曲线变化，在两个全光谱颗粒中间区域可能出现颜色失真，显色指数与R9等指标明显下降等现象。而且真实的日光光谱在不同纬度，不同天气条件下的光谱差异很大，并且随时间变化而变化，大气层外的日光光谱与地面的日光光谱也不一样，文献[2]里面规定的标准日光光谱，一般是5 000 K以下用黑体光谱，5 000 K以上用重组日光。无论是黑体光谱还是重组日光光谱，用目前的紫光芯片加荧光粉的技术方案都是很难实现的。

本研究中“类日光”健康照明方案使用多基色LED芯片直接发光的白光光源，才能现在常规白光最高效的光学效率与超高性价比，通过智能控制多通道电源可调技术，混合成不同天然光光谱实现光谱的按需调整，达到文献[4]推荐的照明心理生理要求及相应测试方法。

2 研究方法

双通道电源调节只能实现两个色点坐标间线段内颜色点变化，包围黑体辐射曲线(如果要求色温2 700～6 500 K)所要求曲线段的三个色点坐标(即三种基础光谱数据按不同通道比例混合)完全可以实现色点坐标调节，但对应一个色点坐标只有一个通道比例数据解，色点坐标只是光谱希尔伯特连续空间数据信息的大量损失，即使分成1 nm间隔来算，380～780 nm的可见光波段为401维独立空间数据降为二维色点坐标数据，如果需要求解可以灵活变化的光谱数据，四种基础光谱最为合适，直观来说，对应一个色度图特点色点坐标可以有无数个解，而合成某些简单维度的照明指标组合如显指Ra和R9，以及与天然光光谱相似度，节律照明指标等等相对容易很多，如图4(a)中三色混光只有一个解，而参考文献[5，6]推荐的图4(b)四色混光可以有无穷解，这样对于除了色点坐标这个指标满足之外，其他指标也需要满足时，四色混光因为灵活多变，就非常有优势，虽然在电源多通道控制技术略复杂一些。

图4 三个与四个基础光谱色点坐标调节实现某个光谱色点解Fig.4 Three and four basic spectral color point coordinates are adjusted to achieve a spectral color point solution

综上所述，四色混光技术最适合实现“类日光”健康照明方案，利用现有LED成熟的封装材料技术获得高光效低成本，最大化使用现有大量出货常规LED颗粒，可能一种或两种地尽量少定制某种光谱的LED颗粒。相对于使用RGBW等多通道混光技术，本文提出的四色混光技术由于在光效、性价比以及量产交货时间等方面优势，市场推广更具有竞争力。同时，在实际应用中，这种技术的无穷解，说明同样颜色或色温可以由不同光谱来实现，在睡眠引导或唤醒功能的光谱应用中，改变色温会产生视觉疲劳效应，这种四色混光实现的同色异谱将非常有优势。

电源多通道智能控制技术可以通过DALI调光实现，具体原理图如图5所示，其中LED驱动电源P1～P4基于一个LED调光电源中不同控制回路。

图5 四色混光的多通道智能控制电源实现图示Fig.5 Multi-channel intelligent control power implementation icon with four-color mixed light

研究中主要以光效、色点坐标及相关色温、与目标色温的色容差、显色指数Ra和R9、日光相似度等基本技术参数作为优化目标解，以下为相关技术参数计算过程，参考文献[7，8]。

(1)光通量计算

(1)

(2)

(3)

其中，Y是指光通量除以683，而给定输入电功率即可以求得光效。

(2)色点坐标计算，由

(4)

(5)

(6)

从而得到混合光谱的色点坐标：

(7)

(8)

(9)

F=Y1+Y2=F1+F2

(10)

(3)色温计算，待测光源k的相关色温Tc计算式：

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

(11)

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

(12)

(4)色容差计算，在相关色温Tc处与目标日光色温处参考色点之间色容差。

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

(13)

(14)

(15)

(16)

(5)显色指数Ra与R9计算，CIE规定以CIE1964W*U*V*式(17)来计算：

(17)

(18)

Ri=100-4.6ΔEi

(19)

其中，Ra为前8个数值平均值；R9为第9个数值。

(6)日光相似程度计算，不同文献有不同计算方法，本研究参考文献[9]中协方差计算方法，对于相对光谱与绝对光谱都适用，有一定权威性。

(20)

3 结果与分析

图6中为四颗LED的假设基础光谱数据，实际应用中与相关供应商经过沟通工艺实现，光谱做了略微调整。

图6 四个基础光谱数据举例Fig.6 Four basic spectrum data as an example

经过不断优化LED颗粒基础光谱数据，调整多通道电源智能控制中各通道比例，照明灯具样品测试结果与理论模拟数据之间差异，图7为六种目标光谱、图8为实际四颗LED基础光谱数据混光后效果。

图7 2 700～6 500 K 六种目标光谱Fig.7 2 700～6 500 K six target spectrum

图8 四个基础光谱数据混光效果Fig.8 Four basic spectrum data mixed light effects

实际灯具测试结果的参数指标见表2。

表2 三种全光谱方案的特点对比

4 结论

根据以上研究技术，所实现的照明灯具样品结合智能控制系统已经在本研究课题的整个项目制作的南极疗愈仓中得到实施，通过同样的四种LED可以混出2 700～6 500 K全色温的全光谱，使用该技术制作的照明灯具达到的健康照明设计，应用到嘉兴南湖国际高等学校，得到了学校老师学生的普遍认可，光环境设计更加适合视觉需求，学生老师普遍反映健康照明产品的应用，极大地改善了教室作业空间的光环境品质，降低了的环境眩光和疲劳程度，有效提高了学习效率，同时缓解了负面心理情绪。

“类日光”健康照明方案可以模拟日光的动态光，或是与室内媒体界面结合的动态氛围光，文献[10]调节光谱或适当加入一定红光成分，在某些特定场所经过4～5天对比测试中可以明显改善睡眠或情绪状况，如南极极端环境场所以外，根据光气候分区、季节特征、作业类型、空间使用时段、活动时长等因素，如以下场所，工作强度高、疲劳严重的办公空间；使用频率较高、作业时间较长的会议空间；冬季存在极夜时段的地区，以及采光不利地区的室内空间、地下空间或长时间密闭环境等。该套健康照明系统对这些环境下长期作业人员的心理情绪以及生理节律的调节起到了积极的作用，对提高学习与工作效率有很好的促进作用，相信该技术成果在更多市场应用中将取得显著的社会效益和经济效益。

致谢：衷心感谢同济大学郝洛西教授、邵戎镝博士以及项目组成员在整个《南极科考智能人因健康支持系统研究》课题项目的理论指导，为论文撰写、理论数据以及测试验证等给予的支持与帮助。