摘要
随着对内在固有视网膜感光细胞（IpRGCs）的深入研究，人们逐渐认识到光的非视觉效应对人体生理节律的影响。IpRGCs通过一种叫做黑视素的特殊蛋白质来感受光线。当IpRGCs感受到外界光线时，会产生一系列的生物化学反应，最终影响到人体内部的生物钟系统，因此可以通过对光谱的设计使这种影响能够提高人们的学习效率。 对此本文首先建立了不同色温下的日光光谱数据模型，而后根据公式计算了不同色温下日光光谱的昼夜节律因子（CAF）,作为综合评价该色温下光源的视觉与非视觉效应的参数。伴随着色温变化，计算日光光谱在明视觉及非视觉效应相应的变化量，比较其差值K值来确立最终的目标光谱，并对其进行光谱拟合以及光学设计。在上述理论设计过程中，目的是为了探讨设计的光源在实际工作中对人的影响，因此根据同样的方法计算了不同白光LED的CAF值，并从中挑选出与7000K色温下日光和白光LED昼夜节律因子差值近似的两组白光LED作为实验光源，记录了在相同工作环境下两种白光LED光源照射下的脑电图（EEG）数据，得到了显著性差异的实验结果,验证了光源设计理论的可靠性。本文工作总结如下: 1.最佳目标光谱的计算及选择。本文通过对非视觉照明相关文献的调研，建立了色温4000K-25000K的日光光谱数据库，并考虑了光源助学的机理与关键因素、非视觉效应的相对光谱灵敏度函数及相关修正等因素，用以计算不同色温日光对非视觉效应的影响。针对20岁年龄人眼对非视觉效应的公式进行修正后，结合明视觉效应计算得到不同色温日光和白光LED的CAF值和蓝光危害辐射效率，来说明类日光光源具有的优势。然后根据计算不同色温日光光谱得到的K值，最终选择出7000K色温的日光光谱作为目标光谱。 2.拟合最佳目标光谱。本文采用了非对称函数模型，建立了109颗单色LEDs数据库，并基于该数据库采用最小二乘法对7000K色温的日光光谱进行拟合，得到拟合后的类日光光谱。通过对比不同色温下的日光和白光LED的蓝光危害辐射效率以及昼夜节律因子，本文确定了设计助学功能光源组合方案为1种白光LED和11种单色LEDs。在该方案中，利用递减实验选择较少的单色LED种类来简化拟合方案，同时保证了较高的拟合度，计算其相关指数R2值达到0.9203。通过光谱拟合技术来确保设计方案能够有效地模拟出类日光光谱，使其在提高学习效率和保障视觉健康方面具有较好的优势。 3.通过光学设计提高色均匀度。本文使用LightTools软件进行助学功能光源的光学仿真，通过设计准直透镜降低朗伯型发光的单色LED光束角，使绝大多数光线平行射入聚焦透镜中，通过对聚焦透镜的设计将平行射入的光线汇聚到混光柱的中心。分析在不同混光柱直径与长度下接受面色差图和色差均值，来选择合适的尺寸。通过光学设计将接受面色差均值降至0.02554,成功提高了助学功能光源的色均匀度。提高了光源的混光效果，使得助学功能光源更加符合人眼的视觉特性，从而更好地满足人们在学习和工作中的需求。 4.验证助学功能的脑电实验。研究表明人的脑电频域β频段（13-30Hz）与注意力、分析能力、意识和警觉性有关。针对此原理挑选6名实验对象，在暗室中选择与7000K色温下日光和白光LED昼夜节律因子差值近似的两组白光LED作为实验光源作为对照试验，测得实验对象的脑电数据。通过MATLAB对脑电数据的处理得到β频段的对比数据,并将数据导入SPSS中采用Wilcoxon符号秩检验进行数据差异分析,结果表明光环境变换后β频段比例变化明显，存在显著差异，具有统计学意义，这也证明了实验结果的有效性。 本文提出结合人眼非视觉相对光谱灵敏度函数以实现助学功能的类日光光源设计,光源结合类日光设计，不仅可以满足人们的视觉需求，而且可以缓解人们在工作过程中的困倦。从人体的调节能力出发，考虑到照明功能，提高学习效率，采用以人为本的照明理念，提高社会效益。
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