英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
值得建议的空间照明设计：昼夜效应与视觉照度
Qi Dai， Wenjing Cai， Wen Shi， Luoxi Hao， Minchen Wei.
关键词：
室内光环境
昼夜效应
光谱功率分布的意思是房间表面的外部光线
光线的质量
摘要
光不仅会引起视觉，还会导致非视觉效果，比如调节昼夜系统。人们努力理解非视觉反应的机制，提出了定量模型，根据人眼中的光的特点来评价光的生理刺激。由于发光二极管（LED）技术在光谱设计中具有灵活性，可以通过调整灯光的昼夜和视觉效果来适应不同环境的使用。因此，开发一种考虑视觉和非视觉方面的光设计方法很重要，并且要了解一般照明应用程序可以实现哪些组合。
在这项工作中，我们提出了一个灯光设计的空间，去探索昼夜效应和亮度的组合（视觉上的发光）。为了证明这种方法的可行性，我们开发了一种四通道颜色可调LED光源颜色的混合方法，最大限度地增大了所提议的空间的范围。这个色域是室内照明设计师可以作为参考的。作为应用的例子，我们证明了颜色可调LED方案可以用来动态模拟日光的昼夜变化和视觉特性。
1、介绍
正如爱迪生电灯的符号在19世纪晚期，“照明用电的使用是绝不有害健康，也不影响睡眠”[1]，毫无疑问，电气照明的唯一目的是提供照明。照明技术在20世纪迅速发展：白炽灯、荧光灯和高强度的放电灯照亮了无数家庭、办公室、工业和公共空间，人们发现光对人体的昼夜、荷尔蒙和行为系统有影响[2，3]。在21世纪，随着光生物学的研究突破[4，5]和LED技术[6]的发展，照明的非视觉影响及其对使用者的健康潜在效益成为研究热点[7-16]。
从世纪之交开始，对光的昼夜生理效应进行了深入的研究，这是由于发现了非成象本质上的感光性视网膜神经节细胞（ipRGCs）[4]。研究发现，ipRGCs能够检测光刺激，并向视交叉上核（SCN）报告信号，该核可负责同步各种生理活动的时间[4，5，17]。光可以抑制褪黑激素的分泌，这种激素在血液浓度达到一定水平时就会产生嗜睡的现象[17]。人们发现，人体生物钟的平均周期约为24.2 h[10]，与地球的24小时周期同步，还与当地的光/暗周期同步。近年来，对褪黑激素抑制的光谱敏感性进行了研究[18-20]，并提出了数学模型[21-25]。特别的是，人类角膜的昼夜影响（褪黑素抑制率）和入射光特性（光谱和数量）之间的定量关系已经给出[23、24]。虽然尚未完全了解昼夜系统对光的反应机制，但显然，爱迪生的说法是不正确的——光照会影响睡眠的时间和质量[17，25，26]！今天，技术已经发展到了可以重新定义环境中照明的功能和目的的程度，并有可能扩展。因此，开发一种兼顾昼夜和视觉方面的照明设计方法是非常重要的。同样重要的是，照明设计师要了解灯光对人生理的影响，了解昼夜和视觉效果的组合，以适应不同建筑环境的需要。
在这次工作中，我们采用了“基于光明”的灯光设计[27-32]，它的重点是内部空间的亮度（或暗度）。我们提出了一个照明设计，用来优化生理刺激和视觉亮度的组合效果。研究LED颜色混合和光谱调优的方法，灯光设计师可以作为参考。同时我们用此来模拟日光的动态变化和视觉特性。
2、非视觉效果的光
普遍认为所见的光，光谱功率分布（SPD），光发生和持续时间，以及光的空间分布都可能影响人类的生理[26，33]。在这些因素中，SPD是最关键的 [34]。昼夜敏感性是SPD优化与昼夜节奏相关的健康和幸福效益的基础。Brainard等人[18，19]和Thapan等人[20]独立测量了几个窄带光源的昼夜，他们的数据显示出了良好的一致性。基于此，Gall[21，22]提出了一种昼夜灵敏度函数C（lambda;），提出了昼夜因子acv的概念来表示昼夜和视觉刺激的比率，如下：
其中P（lambda;）为光源的SPD，V（lambda;）为光敏视觉灵敏度[35]。
然而，在一般照明情况下从窄带光刺激获得的数据不能直接应用于多色光谱[25，36]。因此，建立了多色光刺激的模型，其中Rea等模型[23，24]和Lucas等模型[25]是目前的主要模型。本研究采用了Rea等模型[23，24]。生物节律灯（CLA）是由Rea等人提出的，它代表了传统视觉照度的生理节奏。CLA的值是标准化的2856K黑体辐射，其CLA值为1000[23，24]。实验数据和模型如图1（a）所示。
为了克服非线性Rea模型的复杂性，Bellia等人开发了一种简化的线性模型[37]，仅基于acv值（可以从公式（1）得到）和角膜照度值Ev cor，如下：
其中S（lambda;）的灵敏度函数的短波长锥[38]，E（lambda;）是光谱辐照度分布，和opp代表蓝黄通道响应（“蓝色”积极，“黄色”消极），这决定了是否应该对ipRGC的昼夜影响进行光谱竞争[23，27]。
Bellia模型展示了一种“近乎完美的匹配”模型，该模型的Ev cor值小于500 lx[37]。图1（b）[37]给出了黑体散热器颜色温度函数的CLA值。
通过拟合实验数据，Rea等人进一步建立了生理刺激（CS）和CLA[39]之间的关系。CS是由褪黑素抑制率（在0-70%范围内）测量的对昼夜系统的光刺激的描述 [10，24，39]。因此，它可以被视为直接测量光照的昼夜影响。关系如下[39]：
(4)
近年来，基于上述模型的照明光谱的昼夜作用因子acv的优化工作已经开始。[34，40-42]。工作中，我们进一步利用CS值定量地表示和优化了昼夜对室内发光环境的褪黑激素抑制的影响。
3、“基于光明”照明设计
传统照明注重于人们能够执行视觉任务。虽然视觉性能的方面很重要，但Cuttle和其他灯光设计师[27-32]提出了“基于光明”的照明设计理念，该理念聚焦于满足人们对光线充足的环境的期望。
图1 （a）昼夜灵敏度：实验数据[18-20]和拟合模型[21-24]，（b）生理周期光CLA作为黑体辐射器的色温函数，在2856K中（图1（b）的数据点读数为Ref[37]），其CLA值为300lx。
由于以下事实的存在，新照明设计理念尤为重要：（i）高照度技术能够提供更好的方案，（ⅱ）纸质阅读基本上已经被电子阅读所取代，（ⅲ）灯光设计聚焦于照度，极易导致室内空间的暗淡（或所谓的“洞穴效应”），（iv）任务照明仍然有所帮助。根据这一理论，当决定一个房间的灯光亮度（或暗度）时，应该是光线离开室内表面（如墙壁、天花板），到达观察者的眼睛是照明设计的焦点。室表面外射（MRSE）[27，29]概念的提出意味着对室内空间的亮度进行具体的说明、测量和计算。具体如下：
（5）
FRF表示第一个反射通量，而Aalpha;是综合房间吸收[27，29]。Cuttle还提出了一种简单的方法来获得MRSE的信号，通过测量从周围表面反射的平均反射光（从周围的表面反射）到角膜照明的Ev cor[27，29]。
工作中，我们使用Ev cor值来表示一个内部发光环境的亮度，假设只有反射的光到达眼睛，并且内部空间的外射是相当均匀的[27，29]。
4、空间灯光设计的建议与演示：昼夜效应与视觉照度的对比
我们可以想象，生理刺激和视觉亮度的不同组合，可以满足不同环境的需求。例如，卧室的夜间照明需要一个较低的昼夜睡眠刺激，而卧室里的晨间照明则更倾向于更高的昼夜刺激。此外，由于日光在一般情况下是首选的[17]，室内的电灯可以模拟与时间有关的生理刺激和视觉亮度，这对那些很少有机会接触日光的人来说是有利的。对于一般照明应用，在技术解决方案中，必须考虑对照明光谱的约束，如白色坐标要求、相关色温（CCT）和颜色绘制指数（CRI）或Ra。
4.1、一种空间照明设计空间的提议：昼夜效应与视觉角膜照度
为了提出光空间设计，我们将CS作为基于Eqs的光源的Ev cor的函数[2-4]，生理刺激值CS代表了光照的昼夜效应，而视觉角膜照度值Ev cor则反映了空间的平均明亮度。通过调整光源的光输出，可以沿着这条曲线选择（CS，Ev cor）值的组合。
图2 （a）单色led和CIE光源a和D65，（b）荧光灯的光谱功率分布，（c）昼夜刺激作为8个光源的视觉角膜照度的功能，以及为昼夜和视觉效果的典型组合而提出的四个功能区。
我们从几个白色光源和单色发光二极管开始，选中了CIE光源A（2856K，CRI100），CIE光源D65（6500K，CRI100），和荧光灯光源，包括FL10（5000K，CRI81），FL11（4000K，CRI83），FL12（3000K，CRI83）[35]，F20（13000K，CRI83）[43]。在458nm处有一个蓝色LED峰，在592nm处有一个琥珀LED峰。基于公式（1）计算的8个光源的SPDs和相应的acv值如图2（a）和（b）所示，黄色的acv数据代表opp﹤0的情况，而蓝色的数据则表示opp＞0。对于每个频谱，Eqs都能得到相应的CS值作为Ev cor值的函数[2-4]，并在图2（c）中绘制。白色的源被绘制成固体曲线，而非白色的LED光源则绘制成虚线和虚线。图2（c）为8个光源的视觉角膜照度的功能。对于纵轴，人们认为昼夜激活的阈值和饱和度分别为10%和70%的CS值，而半饱和水平，是35%的褪黑激素抑制 [10]。在视觉角膜照度的水平轴上，可以将30lx、100lx、300lx的值分别为“昏暗的”，“可接受的明亮”，“亮丽的”。虽然在图中没有显示，但是1000lx的值被认为是“非常明亮的”[27，29]。注意，反射光引起的视觉角膜照度是一种对周围光照的感知和MRSE的指示。基于以上假设，我们可以在照明设计空间中定义四个区域。区域①，②，③，④在图2（c）的组合代表“低生理、低视（低c、低v）”、“中c、低v”、“中c、高v”、“高c、高v”的组合。研究表明，选择光源（具有特定的SPD）和光的数量，可以实现昼夜效应和视觉效果的理想组合。在图2（c）中，有两种极端情况，在几乎所有的视觉照度水平上，都可以通过使用蓝色和琥珀色的led来达到非常高且极低的生理刺激，这两种情况分别用虚线和虚线表示。
4.2、以光谱可调LED光源为基础，最大限度地增加光设计空间的范围
上述光源的一个限制是，每个光源的光谱和acv值都是固定的，因此只能通过调整光的输出来选择特定曲线上的坐标。然而，一种颜色可调的红-绿-蓝-白（RGBW）LED集群可以通过改变SPD和光输出来覆盖CS-versus-Ev cor设计空间中的一个区域，可以用于更多的视觉和非视觉效果的组合。
图3 （a）RGBW LED光源在不同颜色温度下的颜色混合，（b）可实现的昼夜作用因子acv作为颜色绘制指标的函数，用于4000K、6500K、8000K和13000K的黑体轨迹。
其次，我们介绍了一种RGBW LED集群的颜色混合方法，优化了光设计空间的范围。发光二极管的测量光谱和色度坐标如图3（a）所示。对于一个基于四通道颜色混合的特定白颜色目标，存在无限多的颜色混合方案[34，44]。工作中，我们将目标CCT的范围从4000K限制到13000K（典型的CCT范围，并确保在光谱优化过程中opp＞0）。对于每一个y/r比值，可以得到相应的acv和CRI值的单个解；通过扫描y/r比，我们得到了acv与CRI图的一系列可实现数据点，分别为4000K、6500K、8000K和13000K，在普朗克轨迹上，如图3（b）所示。acv的值随着目标CCT的增加而增大。例如，图3（b）显示，一个人可以获得6500K光谱和8000K光谱相同的acv值，在相同的颜色绘制指数Ra上大约为80。
最小的acv值可以在4000K的低CCT边界实现。通过对CRI80的约束，得到最小Ev cor值0.50。同样，在13000K的高CCT边界和CRI约束下可以达到1.40的最大acv值。可以通过改变RGBW LED集群的目标CCTs从4000K到13000K获得任何acv值。如图3（b）所示，可达到85-90的最大CRIs。
根据最小值和最大acv值的对应光谱，我们得到了我们RGBW LED光源能够覆盖的生理刺激和视觉角膜照度的可实现组合，如图4（a）所示。在这里，Rea模型[23，24，43]被用来获得两条边界曲线，因为角膜照度值被扩展到1000lx（我们的计算结果得出与Rea模型和Bellia模型非常接近的结果，即使是在1000lx，对于两个边界谱）。这个颜色的区域代表照明设计空间的范围，涵盖了相当一部分区域①-④前面所讨论的。图4（b）显示了带最大值和最小acv值的LED光谱。虽然这里没有显示，但我们想要提到的是，目标CCT的范围是2700-3500 K，相应的可实现区域仍然在图4（a）的着色区域内，由于opp lt; 0的事实和CS值的值应该由公式（3）来获得，而不是公式（2）。
4.3 动态日光模拟的生理和视觉效果
如例，应用这种照明设计方法，我们使用这个RGBW集群动态模拟日光的生理和视觉效果；我们测量的光谱和垂直照度日光（天窗和阳光）在
全文共14012字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13305]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
