基于人体节律效应的室内LED照明光谱优化研究

In recently years, as LED lighting becomes popular and research on non-visual biological effects of lighting develops rapidly, the indoor lighting with health effects (especially on the intervention of human circadian rhythms) gradually becomes a hot research topic. In this study, we apply the latest research achievements of Photobiology into lighting technology. Beyond the traditional lighting research that focus on lighting spectra’s color rendering index (CRI), color temperature (CT), luminous efficacy of radiation (LER), and color accuracy, we adopt “circadian action factor” (CAF) of lighting spectra as another important parameter for optimization. This study calculate the theoretical range of CAF, and its trade-offs with other important lighting parameters. We further systematically propose optimized lighting spectra for various indoor lighting applications. For example, optimized spectra for bedroom lighting, for office lighting, and for various times (morning, daytime, and evening) during the day. We then develop LED sources with the corresponding optimized spectra, and carry out quantitative research on “health lighting for living environment”, establish the correlation between “circadian illuminance” quantity and actual intervention effect of human circadian rhythm. This study could provide important theoretical support for health lighting technology and research on "healthy lighting for living environment", help improve people's life quality and health condition.

近年来，随着LED照明的普及以及光的非视觉生物效应研究的迅速发展，具有健康效应、特别是人体生物钟节律干预效应的室内照明逐渐成为研究热点。本课题将光生物学最新研究成果应用于照明技术，在传统室内照明研究关注于光谱的显色性、色温、效率、色彩准确性等指标的基础上，将光谱的“节律作用因子”（circadian action factor）作为一个新的指标进行优化。本课题从理论上计算照明光谱的“节律作用因子”可调控范围，及其受重要照明指标的制约关系；系统性地提出基于不同需求（如卧室休息空间、办公室工作空间等）、不同时段优化的照明光谱；并制备相应的LED照明光源，开展人居环境光健康量化研究，建立室内照明“节律照度”（circadian illuminance）值和实际人体节律干预效应的关联。本研究可为健康照明技术及人居环境光健康研究提供重要的理论支持，对室内人群生活质量和健康状况的改善有重要的应用价值。

本项目以发展节律健康照明前沿理论和应用为目标，研究了节律照明光谱优化、针对不同室内空间和时段的节律照明应用方案，并在此基础上开展照明人因实验。按照项目书提出的科学研究目标，围绕以下关键科学问题开展研究：①如何对节律照明光谱进行多变量、多目标的非线性优化，并根据不同照明应用选取相应的目标参数；②如何选取科学、切实可行的主客观评价指标，量化照明参数与实际人体节律干预效应的关联。本项目通过三年的研究，完成了上述全部研究目标，并基于研究过程中对节律健康照明关键科学问题的进一步深入理解，完成了额外的研究内容。项目取得了一系列创新性成果，包括：①提出了综合节律、视觉效应的健康照明理论框架；②在照明光谱优化、基于眼部照度的照明设计创新两个层面，系统地提出了节律照明效率提升方法；③发展了基于空间明亮感的照明设计理论；④提出了原创性的、可指导节律照明设计的公式；⑤通过研究夜间照明对唾液褪黑素的抑制效果，比较了国际上主流的两个节律照明度量模型的相对准确性。. 本项目（以负责人为通讯作者，基金为第一标注）已发表SCI期刊论文5篇，EI论文1篇，其他期刊论文1篇。其中包括建成环境领域权威期刊Building and Environment论文3篇；照明技术领域权威期刊Lighting Research & Technology论文2篇。参与获得中国轻工业联合会科技进步一等奖、上海市科技进步二等奖等奖项。本项目共资助硕士研究生4人开展节律健康照明研究；项目组参加学术会议13人次，发表口头学术报告8次。通过三年的工作，项目组完成了所有的预定目标。