梁高鵬，蘇成悅，劉木清，湯露瑤，陳少藩

(1.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心， 上海 200433；3. 廣東光陽(yáng)電器有限公司，廣東 中山 528415)

引言

LED光源節(jié)能環(huán)保、易控制、開關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，使其成為現(xiàn)階段應(yīng)用場(chǎng)景最廣泛，最不可或缺的照明工具[1]。

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)低占空比PWM驅(qū)動(dòng)LED可提升人眼的視覺(jué)效應(yīng)，且與占空比之間具有線性關(guān)系[2]，甚至呈現(xiàn)反比關(guān)系[3]。研究發(fā)現(xiàn)一定條件下脈沖驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光效率高于直流驅(qū)動(dòng)[4]，不同光譜、占空比對(duì)人眼視覺(jué)提升系數(shù)從1.05～1.75之間[5]。小于6 Hz或大于24 Hz的閃爍光可獲得較好舒適度[6]，但閃爍光也會(huì)誘發(fā)癲癇發(fā)作[7]。長(zhǎng)時(shí)間照射下，低占空比的100 Hz頻率對(duì)人體心率血壓的影響更為顯著[5]。目前對(duì)于大部分研究都是從視覺(jué)效應(yīng)角度進(jìn)行[2-6]，而對(duì)于非視覺(jué)效應(yīng)的研究仍有改進(jìn)空間[5,7,8]。

本文研究LED光源工作在PWM脈沖狀態(tài)下時(shí)，各脈沖參數(shù)對(duì)人體的收縮壓、舒張壓和心率，視覺(jué)辨識(shí)力等非視覺(jué)性的影響。在光源參數(shù)設(shè)置上補(bǔ)充了高頻段的研究，以及占空比的研究。

1 試驗(yàn)環(huán)境及方法

1.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

試驗(yàn)開展在一間5 m×10 m的長(zhǎng)方形試驗(yàn)室中，圖1為試驗(yàn)室布局。為了保證參試者所受光照均來(lái)自于脈沖光，設(shè)置遮光窗簾以阻斷外部干擾光[8]。

圖1 試驗(yàn)室布局Fig.1 Laboratory layout

試驗(yàn)中維持室內(nèi)溫度在26 ℃左右，濕度在60%左右，保證人體處于較舒適的環(huán)境。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，教室桌面照度標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx[9]。采用遠(yuǎn)方照度計(jì)測(cè)量桌面照度，考慮到可能存在的光衰現(xiàn)象，運(yùn)用9點(diǎn)采樣法取得照度平均值，使所有不同調(diào)制參數(shù)下桌面照度為330 lx左右。確保整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中桌面照度均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水平。

1.2 試驗(yàn)參試者

共招募自愿參試者15人，年齡介于20～40歲，男女比例3∶2，具有正常的視覺(jué)功能，無(wú)眼部病史，近視者矯正視力達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)視力表0.8以上，試驗(yàn)期間身體狀況處于正常狀態(tài)，減少參試者主觀因素造成的誤差。所有參試者在試驗(yàn)前均被告知試驗(yàn)流程以及可能帶來(lái)的人體生理影響，并簽署知情同意書。參試者在試驗(yàn)過(guò)程若有身體不適可隨時(shí)退出該試驗(yàn)，均為自愿參加該試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

教室照明光源以4 000 K左右中等色溫為主[10]。在設(shè)置了100 Hz、300 Hz頻率的基礎(chǔ)上[5]，為了得到更好的脈沖光與人體生理效應(yīng)的關(guān)系變化趨勢(shì)，增加了500 Hz、700 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz的頻率以及選用20%、40%、60%、80%的占空比，形成24種脈沖光測(cè)試條件及1種直流光對(duì)照組，共25種測(cè)試條件。

1.4 試驗(yàn)流程

為了避免參試者生理指標(biāo)狀態(tài)影響試驗(yàn)測(cè)試，在試驗(yàn)開始前，先讓參試者進(jìn)入測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所進(jìn)行10 min的靜休，在每次暗適應(yīng)后利用歐姆龍電子血壓計(jì)每分鐘測(cè)量參試者的心率一次，當(dāng)連續(xù)三次測(cè)試的心率偏差不超過(guò)10次/min時(shí)，則可以判定參試者心率已穩(wěn)定，可以開始進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

(1)開啟設(shè)置好脈沖參數(shù)的LED實(shí)驗(yàn)燈具，所有參試者靜坐在椅子上，閱讀實(shí)驗(yàn)桌上放置的固定紙質(zhì)材料；

(2)每次試驗(yàn)持續(xù)180 min[5]，期間參試者不得做影響心率血壓變化的無(wú)關(guān)事宜，如喝功能性飲料、玩游戲等。試驗(yàn)過(guò)程中每隔20 min對(duì)參試者的收縮壓、舒張壓和心率進(jìn)行一次測(cè)量并記錄下來(lái)；

(3)試驗(yàn)結(jié)束后讓參試者按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的照明條件舒適度情況進(jìn)行打分，并參與朗道爾環(huán)視覺(jué)辨別測(cè)試[11-13]。

1.5 試驗(yàn)評(píng)估方法

目前照明領(lǐng)域在研究光對(duì)人體生理效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以歸為三種：褪黑素含量、瞳孔尺寸以及心率、血壓。但褪黑素的分泌存在延遲性，測(cè)量復(fù)雜，瞳孔尺寸受到視覺(jué)效應(yīng)的影響，而人體心率、血壓更為即時(shí)、直接反映非視覺(jué)效應(yīng)，因果關(guān)系明顯[14]。綜合考量，本文選用心率、血壓作為生理效應(yīng)的評(píng)估方法。

試驗(yàn)中每隔20 min采集一次心率血壓值，得到10 組數(shù)據(jù)。對(duì)心率血壓的波動(dòng)程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采取了“五差值”法進(jìn)行分析，即為用后面5組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地減去前面5組數(shù)據(jù)，得到5組差值以表征心率血壓的波動(dòng)程度。

朗道爾環(huán)C型圖案設(shè)計(jì)有八種開口方向，參試者需要辨識(shí)出圖案開口朝向，用于測(cè)試不同光刺激對(duì)于人的視覺(jué)辨識(shí)力的影響[13]。利用編寫的測(cè)試程序隨機(jī)播放任意朝向的C型圖案，參試者以盡量快的反應(yīng)速度做出選擇，重復(fù)進(jìn)行16輪測(cè)試。測(cè)試結(jié)果識(shí)別正確數(shù)越多，辨識(shí)時(shí)間越短，即說(shuō)明參試者的視覺(jué)辨識(shí)力越高。

de Boer評(píng)定量表用于評(píng)估視覺(jué)舒適度[6]，結(jié)合本試驗(yàn)的實(shí)際情況，對(duì)de Boer評(píng)定量表進(jìn)行合理的修改，得到表1中的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比每種脈沖參數(shù)調(diào)制下的LED發(fā)光對(duì)人眼視覺(jué)舒適性的影響得到的舒適度打分平均值，來(lái)研究不同脈沖調(diào)制對(duì)人眼視覺(jué)舒適性的作用。

表1 舒適度評(píng)定參考標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE PAR1789 《LED 照明閃爍的潛在健康影響》給出了頻閃指數(shù)的定義：一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)超出平均光輸出的量除以全部光輸出。頻閃指數(shù)表明了脈沖光的閃爍情況，不同程度的閃爍對(duì)人體生理效應(yīng)有著不同的影響[7]。測(cè)量得到表2中的不同頻率占空比下的LED發(fā)光閃爍指數(shù)，閃爍指數(shù)不受頻率的影響，只跟占空比有關(guān)，且與占空比成反比關(guān)系，占空比為80%、60%、40%、20%得到的閃爍指數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8。

表2 不同頻率占空比下所測(cè)得的閃爍指數(shù)

續(xù)表2

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 脈沖光對(duì)心率血壓的影響

試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為180 min，考慮到時(shí)間的積累可能對(duì)心率和血壓存在影響，本研究設(shè)置了對(duì)照組直流驅(qū)動(dòng)LED。在直流驅(qū)動(dòng)下以60 min為間隔，對(duì)參試者的心率和血壓變化趨勢(shì)進(jìn)行分時(shí)統(tǒng)計(jì)，得到圖2統(tǒng)計(jì)圖形。

圖2 心率、收縮壓、舒張壓均值分時(shí)統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Heart rate, Systolic blood pressure, Diastolic blood pressure mean time-sharing chart

圖2顯示，在180 min的時(shí)間里，心率均值隨著時(shí)間的變化而不斷下降，收縮壓均值幾乎不受時(shí)間的影響，而舒張壓則隨著時(shí)間的變化而不斷上升。得到的心率、收縮壓和舒張壓線性擬合分別為

yH=-3.8t+78.3

(1)

yS=-0.35t+106.4

(2)

yD=1.13t+59.6

(3)

式中t為時(shí)間，y為測(cè)量平均值，下標(biāo)H、S、D分別對(duì)應(yīng)心率、收縮壓、舒張壓。

從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，在試驗(yàn)后的第2 h、第3 h得到的心率均值隨著時(shí)間的變化而下降，其值分別為4、7，對(duì)應(yīng)百分比為5.1%、10.2%；收縮壓均值隨著時(shí)間的變化而下降的值分別為0、1，對(duì)應(yīng)百分比為0.3%、0.7%；舒張壓均值隨著時(shí)間的變化而上升的值分別為1、2，對(duì)應(yīng)百分比為1.9%、3.7%。

以直流驅(qū)動(dòng)下的心率血壓作為修正的基準(zhǔn)，對(duì)“五差值”法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間修正，修正前后的差值量變化如表3，各差值量在修正后有所下降。差值量的大小表征著心理狀態(tài)的波動(dòng)情況，差值量越大，波動(dòng)越大，反之波動(dòng)越小。從差值量的數(shù)值大小來(lái)看，脈沖光對(duì)心率的影響作用較大，其大于收縮壓，舒張壓最小。修正前、后差值量的差即為由于時(shí)間所引起的干擾影響，采用修正后的“五差值”數(shù)據(jù)分析脈沖光對(duì)人體生理的作用可以消除時(shí)間長(zhǎng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

表3 時(shí)間修正前后的差值量變化表

圖3為修正后的心率血壓在不同頻率占空比下測(cè)得的差值量變化趨勢(shì)。頻率-差值關(guān)系圖中發(fā)現(xiàn)，700 Hz頻率照射下，人體心率收縮壓受到的影響較小，500 Hz頻率下則影響較大。當(dāng)頻率低于1 000 Hz時(shí)，人體舒張壓受到脈沖光的影響隨著頻率的下降而趨近于逐漸上升的趨勢(shì)。占空比-差值關(guān)系圖中發(fā)現(xiàn)，脈沖光對(duì)心率的影響低于直流光，對(duì)收縮壓的影響高于直流光。占空比為60%的脈沖光對(duì)心率舒張壓的影響最小，脈沖光對(duì)收縮壓的影響不明顯。

圖3 不同心理指標(biāo)的頻率-差值關(guān)系圖、占空比-差值關(guān)系圖Fig.3 Frequency-difference relationship diagram， Duty cycle-difference relationship diagram of different psychological indicators

圖4 不同頻率占空比視覺(jué)舒適度評(píng)分空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of visual comfort scores at different frequency duty cycles

2.2 脈沖光對(duì)視覺(jué)舒適性的影響

視覺(jué)舒適性作為視覺(jué)性指標(biāo)用于輔助判斷不同脈沖光對(duì)人體的生理影響。從圖4人眼視覺(jué)舒適性評(píng)價(jià)與頻率占空比之間的三維空間分布圖中觀察，除100 Hz外，其他頻率所得到的舒適度評(píng)分接近于直流驅(qū)動(dòng)LED的評(píng)分，都介于9～10之間，即不同脈沖驅(qū)動(dòng)的LED在視覺(jué)舒適性上與直流驅(qū)動(dòng)無(wú)明顯差異。100 Hz下人眼視覺(jué)舒適度有所下降，這是因?yàn)?00 Hz頻率較為接近融合頻閃頻率CFF，人眼對(duì)閃爍較為敏感，持續(xù)的刺激作用造成視覺(jué)疲勞。

2.3 脈沖光對(duì)視覺(jué)辨識(shí)力的影響

識(shí)別率是視覺(jué)效能的表征量之一，而平均識(shí)別時(shí)間定義為總識(shí)別時(shí)間與識(shí)別正確個(gè)數(shù)的比值，表征著視覺(jué)辨識(shí)力[13]。如圖5所示，不同占空比脈沖光下的平均識(shí)別率均比直流下有所提高，且不同占空比之間差異不大。表明不同占空比的脈沖光相對(duì)于直流光來(lái)說(shuō)，都有提升視覺(jué)效能的效果[3]，但不同占空比對(duì)視覺(jué)效能的提升效果差異不大。

圖5 不同占空比下所測(cè)得的平均識(shí)別率Fig.5 Average recognition rate measured at different duty cycles

圖6為不同頻率占空比與平均識(shí)別時(shí)間的三維關(guān)系圖，觀察發(fā)現(xiàn)低頻低占空比參數(shù)下的平均識(shí)別時(shí)間更為理想，低頻更接近融合頻閃頻率，人眼較為敏感。其中100 Hz、80%參數(shù)下得到的值最小(199 ms)，僅為直流驅(qū)動(dòng)下的2/5，大大縮短了人眼識(shí)別時(shí)間。

圖6 不同頻率占空比與識(shí)別時(shí)間的三維關(guān)系圖Fig.6 Three-dimensional relationship between different frequency duty cycles and average recognition time

圖7中不同頻率占空比與平均識(shí)別時(shí)間的關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)：不同占空比脈沖光下，平均識(shí)別時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直流光情況下的時(shí)間，僅僅為后者的一半，辨識(shí)能力提升了250 ms左右。此現(xiàn)象可從人眼視覺(jué)感知亮度的角度分析，脈沖驅(qū)動(dòng)下的LED峰值波長(zhǎng)發(fā)生了藍(lán)移，也改變了色溫，增強(qiáng)了對(duì)人眼的亮度刺激響應(yīng)[4]。人眼感覺(jué)到增強(qiáng)的視覺(jué)感知亮度，受到光照刺激，從而提高了視覺(jué)辨識(shí)力。頻率對(duì)視覺(jué)辨識(shí)力的影響并不明顯，但總體還是隨著頻率的減小，視覺(jué)辨識(shí)力呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)。

圖7 不同頻率占空比下測(cè)得的平均識(shí)別時(shí)間Fig.7 Average recognition time measured at different frequencies and duty cycles

3 討論與總結(jié)

本文在這類研究中采用了時(shí)間修正分析方法，以對(duì)照組直流驅(qū)動(dòng)作為參考標(biāo)準(zhǔn)做分時(shí)統(tǒng)計(jì)，排除時(shí)間因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)該方法對(duì)生理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行“五差值”分析，修正了心率和血壓的時(shí)間效應(yīng)，特別是心率的時(shí)間影響效應(yīng)明顯，修正比例達(dá)23.6%。從心理指標(biāo)因素看，700 Hz頻率下心率、收縮壓受到的影響較小，500 Hz頻率下則影響最大。占空比為60%的脈沖光對(duì)心率、舒張壓的影響最小，脈沖光占空比對(duì)收縮壓的影響無(wú)明顯差異。這主要是因?yàn)檠獕汉托穆蕦?duì)于頻率以及占空比的敏感程度不同[5,11,14]。

針對(duì)視覺(jué)舒適性，除了100 Hz頻率外，其他高頻段下的視覺(jué)舒適性均接近于直流光，得到較好視覺(jué)舒適性。這主要是由于100 Hz更接近CFF，且低占空比帶著更高的頻閃指數(shù)，人眼容易疲勞。在視覺(jué)效能方面，不同占空比的脈沖光相對(duì)直流光來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)了對(duì)人眼的亮度刺激響應(yīng)，都有提升視覺(jué)效能的效果[3]，但不同占空比之間的提升效果差異不大。對(duì)于視覺(jué)辨識(shí)力，不同占空比脈沖光下，參試者的平均識(shí)別時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直流光情況下的時(shí)間，在100 Hz、80%參數(shù)下得到最小值199 ms，大大提高了視覺(jué)辨識(shí)力。隨著頻率的下降，視覺(jué)辨識(shí)力呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)。綜合不同參數(shù)脈沖光對(duì)人體生理指標(biāo)的影響，得到優(yōu)化的脈沖驅(qū)動(dòng)方式為700 Hz的頻率以及60%、80%的占空比。