有效调控人体昼夜节律的健康照明系统的制作方法

本实用新型属于健康照明光源领域，涉及照明对人体昼夜节律的调控。

背景技术：

如今，基于LED的半导体照明，由于具有能效高、寿命长、尺寸小、响应快、环境友好、光谱灵活等一系列优点，迅速取代了传统的照明技术。但LED 照明白光中通常富含蓝光，而人眼中的ipRGC对于蓝色和蓝绿色的短波长光线最为敏感。因此，与自然界光源相比，夜间暴露于LED的照明环境下，人们的昼夜节律和睡眠质量容易遭受不良影响。长期处于LED灯光照射下会加剧人体负面情绪。

LED光源所带来的诸多问题日益浮现，尤其在医院中这种影响将更为显著。病情严重的患者每天只有少量外出活动的时间甚至完全待在病房中，接受自然光照射的时间十分有限，长时间处于传统LED光源照射下会对人体的生物钟、视力、情绪等方面造成不良影响，比如失眠普遍、白内障年轻化、近视泛滥以及抑郁症频发。健康照明的出现，兼顾光生物效应与人类情绪的影响，引起了国内外LED厂商与科研院所的强烈关注。

照明与昼夜节律对我们的身心健康而言至关重要。高效率LED的实用新型提升了我们的照明条件，昼夜节律机制的发现为我们如何改善身心健康提供了理论依据。本专利则是将照明与调节结合的具体应用，是对2017年诺贝尔生理或医学奖所揭示的昼夜节律所进行的跨学科综合应用，具有重要的科学研究意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计出一种能够有效调控人体昼夜节律的健康照明系统，并且将此系统应用于病房等长期接收不到阳光照射的环境中，辅助用户调节心情及康复。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种能够有效调控人体昼夜节律的健康照明系统，包括：光谱采集子系统、中央处理子系统、人工智能驱动子系统和LED照明子系统；

所述光谱采集子系统包括：密闭式反射镜模块，光谱感应器模块，反馈处理模块；通过所述密闭式反射镜模块将自然界光线导入光谱感应器模块中分析形成自然光光谱并将数据储存、并发送至中央处理子系统；所述反馈处理模块接收由LED照明子系统反馈而来的照明光，并绘制照明光谱图传输至中央处理子系统；

所述中央处理子系统设有数据储存模块、显卡模块、主控微机模块；主控微机模块通过将光谱采集子系统传输过来的自然光光谱进行分类，分析出一天之中自然光光谱普适的昼夜节律照度CIL值，CAF值随时间变化趋势，结合人体昼夜节律曲线绘制出一天内随不同时间的各种目标光谱信息，通过渐进法模拟目标光谱；

所述中央处理子系统将模拟目标光谱与照明光谱进行比对，进而对照明光谱进行优化，得到与目标光谱最接近的照明光谱；最终将驱动占空比传输至人工智能驱动子系统，使得LED照明子系统按照优化后照明光谱出光。

在一较佳实施例中：所述人工智能驱动子系统设有手动调节模块，用户偏好分析模块以及驱动模块；所述驱动模块通过接收中央处理子系统传输来的驱动占空比信息，对LED照明子系统进行驱动；

用户通过所述手动调节模块手动调节光谱及亮度等信息，所述用户偏好分析模块记录用户对手动调节模块进行的历史操作；健康照明系统会对用户的历史操作进行智能分析，判断用户偏好，下次再出现相同状况时则自动进行调节。

在一较佳实施例中：所述LED照明子系统设有多基色LED照明灯，并设有无线反馈模块将产生的光的光谱反馈至光谱采集子系统构成负反馈。

在一较佳实施例中：所以环境昼夜节律照度小于60blx时，健康照明系统按照昼夜节律为60blx所对应的光谱进行照明。

与现有技术比较，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供了一种能够有效调控人体昼夜节律的健康照明系统，在照明的基础上兼顾人体昼夜节律。在控制方面，改变了原先非亮即灭的控制方式，将人工智能与LED控制相结合，极大提高了用户满意度，具备极高可行性。

通过分析自然光谱的昼夜节律CIL值，昼夜节律因子CAF值以及照度等多方面因素，然后设计出一系列最符合人体昼夜节律并且让用户感觉最自然照明光谱。具有调节人体昼夜节律的功效。在保证明视觉照度不变的前提下，优化多基色LED光源的光谱，使照明光谱最符合人体昼夜节律曲线，具有调控人体昼夜节律的效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例结构组成及应用例1的示意图。

图2为本实用新型实施例的模拟自然光谱算法流程图。

图3为本实用新型具体实施方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

参见图1，本实施例提供了一种能够有效调控人体昼夜节律的健康照明系统，设有光谱采集子系统1、中央处理子系统2和人工智能驱动子系统3、LED 照明子系统4。

光谱采集子系统1实现自然光谱采集功能，通过密闭式反射镜模块11将自然光引入光谱感应器模块12得到自然光光谱，反馈处理模块13负责处理由 LED照明子系统传输而来的照明光谱；所述光谱采集子系统1将所得自然光光谱与所得照明光谱送至中央处理子系统。

中央处理子系统2负责处理光谱采集子系统1传输过来的自然光光谱，对其进行分类并得出所需模拟的目标光谱，由储存模块21负责储存目标，主控微机模块22负责产生目标，并且将照明光谱与目标光谱的对比，并将对比过程显示在显卡模块23上，便于调节对比进度。

人工智能驱动子系统3设有手动调节模块31，用户偏好分析模块32，驱动模块33，反馈模块34。人工智能驱动子系统首先检测有无用户手动调节，依据当前自然界归一化昼夜节律照度并采取两种不同的照明趋势，在用户偏好分析模块32则依据历史数据对每日所选照明光谱进行甄别，而这些参数根据用户的历史行为在用户偏好分析模块32进行调整，驱动模块33则负责以选定光谱驱动LED照明子系统，反馈模块34则将用户的历史选择反馈至中央处理子系统以便选中更符合用户偏好的光谱进行驱动。

LED照明子系统设有BGAR(蓝、绿、琥珀、红)直射光照明模块41，42， 43，44，以及BGAR(蓝、绿、琥珀、红)散射光照明模块45,46,47,48。也可以采用其它颜色的直射光照明模块和散色光照明模块，属于本实施例的简单替换，在此不再赘述。

在介绍司昼夜节律效能CER之前，我们简要介绍一下明视觉照明体系中的光视效能LER。光视效能LER定义为光通量与辐射通量的比值，如式(1) 所示。光视效能LER是辐射光产生视觉能力的度量，单位为lm/W。

昼夜节律效能CER可以与明视觉下的光视效能LER的定义进行类比，将其中的明视觉归一化光谱响应曲线V(λ)替换成昼夜节律归一化光谱响应曲线 C(λ)，即为光源的昼夜节律效能,公式(2)。昼夜节律效能的单位为blm/W。

昼夜节律因子CAF定义为昼夜节律效能CER与光视效能LER的比值，根据式(1)与式(2)，可以得到式(3)。

昼夜节律照度CIL定义为明视觉的照度值VIL与昼夜节律因子CAF的乘积(单位为blx)，即CIL＝VIL*CAF。当利用昼夜节律因子将明视觉下的照度值转化为昼夜节律照度值后，不管光源的种类如何，昼夜节律照度都可以作为衡量褪黑素抑制程度的参数。

首先根据公式(3)及采集到的不同天气及季节的自然光谱算出一天之内的CAF值及归一化CIL值变化图(晴天和雨天同一时刻的CAF值、CIL值显著不同，所以某一时刻的CAF值、CIL值是一个平均值，并且因为白天日光照度太大会导致所得CIL值过大，将所得昼夜节律CIL值进行归一化变换至 50blx-300blx之间)。

其次因为用于室内照明希望明视觉照度值VIL是一个定值，且不同环境下所需VIL值不同(参照【建筑照明设计标准】GB 50034-2013)，而本专利的目标是在明视觉照度值不变的情况下获得与自然光照射相同的昼夜节律照度值。所以获得自然界CIL值变化曲线之后，通过CAF＝CIL/VIL来获得某一时刻照明所需要的CAF值，并从所拍摄的自然界的光谱图中抽选具有相同CAF值的光谱，通过这种办法就获得了一天之内照明所需的一系列目标光谱，同时因为本专利的目标光谱全部取自自然界，所以对人体的影响显著降低，是一种真正来源于自然又优于自然的健康照明系统。真正将从自然界挖掘资源调控人体昼夜节律。

在光谱控制方面，我们引入昼夜节律曲线与褪黑素抑制关系图，从图中可以看出，当昼夜节律照度小于47blx时，褪黑素基本不受抑制(MSV＜10％)；而当司辰节律照度大于250blx时，人体的褪黑素受到了严重的抑制(MSV> 80％)。所以当环境昼夜节律照度小于60blx时，照明系统按照昼夜节律为60blx 所对应的光谱进行照明。具体见流程图2。

图2为本实用新型实施例的模拟光谱算法流程图。下面将结合图2详细介绍本实用新型的模拟光谱方法。

获得一天之内的目标光谱之后，将380nm到780nm可见光波长按照30nm 为间隔化成i个区间。每个区间上光谱强度以16进制表示，总共分为256个离散值，以Xt[i]＝[Xt1,Xt2...Xti]，

在某一温度下，利用光谱仪分别测试红绿蓝白四种LED在不同占空比的工作电流下的光谱信息以及相应的色度学参数(如显色指数、光功率、光通量、光波长、色坐标等)。令Pb、Pg、Pa、Pr分别表示蓝(blue)、绿(green)、琥珀色(amber)、红(red)四色LED的光功率；令Pbmax、Pgmax、Pamax、Prmax分别表示最大额定电流下的蓝(blue)、绿(green)、琥珀色(amber)、红(red) 四色LED光功率；令Db、Dg、Da、Dr分别代表四色LED的工作驱动电流的占空比，通过测试数据拟合出每种颜色LED的驱动电流占空比与光功率的关系式。即：

Dr＝f(Pr)

Dg＝f(Pg)

Db＝f(Pb)

Da＝f(Pa)

由实验得知，光功率与驱动电流占空比成正相关。

四基色LED灯光谱峰值分别为蓝(blue)467nm，绿(green)513nm，琥珀色(amber)600nm，红(red)634nm，发光强度也以16进制表示，分为 256个离散值。驱动四基色LED照明系统，获得模拟光谱矩阵X[i]，如上文所述抽取子矩阵m2,n2，Xg[i],Xa[i],Xr[i]以此类推。

令m1,n1分别为矩阵Xt[i]的最大值和最小值，令m2,n2分别为矩阵X[i]的最大值和最小值。对矩阵Xt[i]和X[i]进行归一化处理。得：

令

因为本专利采用四基色LED模拟目标光谱，从矩阵XV[i]中抽取 XVb[i]＝[XV(b-0.5wb),XV(b-0.5wb+1)...XV(b+0.5wb+1),XV(b+0.5wb)]，XVg[i],XVa[i],XVr[i]以此类推，四个子矩阵中b,g,a,r分别表示blue，green，amber，red四种颜色光的光谱峰值在XV[i]光谱区间的排序序号。而wb，wg，wa，wr则是上述四种颜色波峰半高宽(单位是nm)除以30nm的商。

设b,g,a,r的占空比D1,D2,D3,D4初始值均为0.5，分别计算 Sa，Sr同理可得。若Sb>0则加大D1具体操作见流程图,同理可得Sg，Sa，Sr因为本专利的主要目的是调节人体昼夜节律，波长所对应C(λ)值越大则说明该波长处对调控人体昼夜节律的效果越强。则需要在精度控制上引入人体昼夜节律光谱曲线，这样才能更快更好的模拟目标光谱。

本文以C(λ)为例，实际同样可以适用其他版本的昼夜节律曲线，找出 b,g,a,r峰值所对应的C(λ)值，记为C(λ)b,C(λ)g,C(λ)a,C(λ)r。设b的精度为eb＝ 5.5*10^-3*[1-C(λ)b]，eg,ea,er同理可得。执行方法如图2框图所示

最终得b,g,a,r四基色LED的占空比，成功获得一天之内最适宜人体昼夜节律的各光谱驱动占空比。整个系统流程图如图3所示。

光谱采集子系统作为整个系统的光谱采集部分，负责采集高品质光谱，默认通过传输链路将所需高品质光谱传输至中央处理系统。传统分析光谱需光源在积分球内部，本专利通过密闭式反射镜模块将自然光谱由外界导入光谱感应器，改进了实验设备，加速了光谱信息采集工作的进程。并且加以反馈模块，能够高效迅速找到对应每种自然光谱的多基色LED驱动方式。

中央处理子系统增加反馈模块，将LED照明子系统产生的照明光谱信息反馈至中央处理模块进行对比，通过本专利独有的光谱拟合算法，确保光源实际发出的光谱能够较好拟合目标光谱。目标光谱的设计一方面参考自然界每一时段的光谱变化，另一方面兼顾人体昼夜节律曲线，使得本系统的性能甚至优于自然光(比如夏季正午的阳光对人体是显然不适合的)，本专利依据自然光和昼夜节律曲线设计的光谱就是取自自然优于自然。

人工智能驱动子系统改变原来非亮即灭的驱动方式，在中央处理子系统自动调节输出光谱的基础上增加手动调节功能，并且通过本专利特有的用户偏好分析算法将用户历史操作信息反馈至中央处理子系统，确保用户再进行一次调光调色之后，下一次中央处理子系统能够输出更符合用户偏好的光谱信息。

LED照明子系统采用多基色LED(本专利以四基色BGAR蓝、绿、琥珀、红为例)拟合自然光谱，避免了现有RGB三基色调光调色系统产生光谱单一，缺乏琥珀色等缺点。LED照明子系统作为应用于病房调节人体昼夜节律的健康照明系统的终端，直接关系到照明品质，通过事先模拟好每种光谱的多基色LED 照明驱动方式并记录，可以随时间变化快速模拟目标光谱，是本专利成功实现功能的关键。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。