CN108156693A - 一种照度实时调节照明系统及照度实时调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种照度实时调节照明系统，包括LED光源模块、单片机模块、人体感应模块、桌面照度采集模块及亮度调节模块，单片机模块包括处理器模块、存储模块及计时模块。所述存储模块用于存储照度控制曲线，所述人体感应模块用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中，所述计时模块用于获取用户对照明系统的实际使用时长，所述桌面照度采集模块采集LED光源模块实际产生的照度值，所述亮度调节模块在处理器模块控制下调节LED光源模块的输出亮度。本发明还公开了照度实时调节方法，通过对照度实时调整，使用户在长时间使用照明系统时仍然保持保持最低状态的视力疲劳程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种照度实时调节照明系统及照度实时调节方法。
背景技术
光给人类带来了视觉，使人们能够通过观看而获得外界信息。光线依次通过角膜、前房与瞳孔进入人眼，在晶状体的折射作用下改变方向，经过玻璃体传播到视网膜，在视网膜上成像。成像质量取决于光线在视网膜中央凹的会聚情况，而这又取决于睫状肌对晶状体的调节。与视网膜上的锥细胞和杆细胞发生电化学作用后，光信号被转换为神经冲动，经过视神经的传播而最终到达大脑的视觉中枢，这样将外界图像信息传递给人，使人获得视觉。
光线通过人眼给人们带来视觉，同时对人眼的视觉功能产生影响。这种影响的程度取决于光源的照明特性。用来描述光源照明特性的常见物理量有照度、色温、峰值光谱、眩光等。不合适的照明环境会使人眼感到疲劳，降低人们的工作效率，还会在一定程度上减弱睫状肌的调节功能，损伤视网膜，从而破坏人眼的视觉健康。
根据照明参数与人眼视觉舒适度的对应关系，通过设置照明产品的照明参数，使其产生合适的照明环境，有望降低人眼的视觉疲劳程度，改善人眼的视觉健康情况，提高人们的工作效率。然而，目前照明产品的研发存在一些缺陷：
1、关于人眼视觉舒适度的评价，主要基于使用者的主观感受，而非标准化的客观定量评价体系。主观感受会随着使用者的不同而发生较大的变化，其稳定性与准确性都令人质疑。这使得目前照明产品在视觉健康方面的发展不具有方向性。
2、除了不良的照明环境对人眼视觉疲劳的引发外，人眼本身在工作过程中也会积累视觉疲劳。随着工作时间的推移，人眼所需的适合的视觉环境也会不断地变化，现有的照明参数大多为固定的照明参数，单纯地设置固定的照明参数无法保持人眼的视觉舒适。
3、对于不同视觉功能的使用者，他们所需要的最适宜的照明环境是不同的。仅仅使用固定的照明参数无法满足不同群体对舒适的照明环境的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种照度实时调节照明系统及照度实时调节方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种照度实时调节照明系统，包括LED光源模块、单片机模块、桌面照度采集模块及亮度调节模块，所述单片机模块包括处理器模块及存储模块；所述存储模块用于存储照度控制曲线，为所述处理器模块提供应输出的理想照度值；所述桌面照度采集模块与所述处理器模块相连，其采集LED光源模块产生的实际照度值并传输给所述处理器模块；所述亮度调节模块分别与所述处理器模块及LED光源模块相连，所述处理器模块根据采集的实际照度值控制所述亮度调节模块调节LED光源模块的输出亮度。
进一步地，所述桌面照度采集模块依次包括透镜组件、光阑、滤光片、硅光电池及PCB板，所述透镜组件、光阑及滤光片采集桌面反射的光辐射量，所述硅光电池将采集到的光辐射量转化为电流信号并传送给PCB板，所述PCB板将电流信号转化为数字信号，最终传送给处理器模块。
进一步地，还包括人体感应模块，所述人体感应模块与所述处理器模块相连，用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中。
进一步地，还包括计时模块，所述计时模块根据人体感应模块的检测结果获取用户对照明系统的实际使用时长。
进一步地，还包括与所述处理器模块相连的按键模块，所述存储模块中存储的照度控制曲线为多组，所述按键模块用于选择所需的照度控制曲线对应的档位。
进一步地，还包括与所述处理器模块相连的指示灯，所述指示灯用于指示当前所选择的照度度控制曲线对应的档位。
进一步地，还包括与所述处理器模块相连的蓝牙模块，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将处理器模块接收到的数据传送到通讯终端中的APP进行显示，并将APP中的设置传送给处理器模块。
本发明还提供一种照度实时调节方法，包括以下步骤：
S1、获得照明系统内置的照度控制曲线；
S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；
S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述照度控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想照度值，照明系统根据预设的反射率值及理想照度值确定光源输出亮度，输出照明光；
S4、采用桌面照度采集模块采集S3中输出的照明光所产生的实际照度值，根据产生的实际照度值调整照明系统输出的亮度使实际照度值与理想照度值一致。
进一步地，步骤S1中获得的照度控制曲线为多组，多组照度控制曲线分别对应不同屈光度的人群；步骤S1与步骤S2之间还包括用户根据自身屈光度选择对应照度控制曲线的步骤。
进一步地，步骤S1具体为：
S11、确定视觉疲劳程度的表达式：
S111、根据调节性集合与调节比AC/A、调制传递函数MTF与高阶像差HOA与视觉疲劳几率ξ的相关性，确定视觉疲劳几率ξ的表达式；
式中，|RS|与ΔAL是反映人眼屈光的基础量，α与λ为常数，i是复变函数中的虚数单位；
S112、根据视觉疲劳几率与视觉疲劳程度的关系确定视觉疲劳程度V的表达式；
S12、确定视觉疲劳程度V随时间变化的表达式：
S121、分别确定MTF、HOA及AC/A随时间变化的关系式；
式中，MTF0、HOA0、AC/A0及E0别为t＝0时MTF、HOA、AC/A及照度的值，E为照度随时间的变化值，β1、β2、β3、β01、β02及β03为常数；
S122、根据视觉疲劳程度V的表达式确定其随时间变化的表达式；
S13、确定使视觉疲劳程度V最小的CT值的表达式；
S131、始终保持V最小，则需则有，
S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同照度环境下的MTF0、HOA0、AC/A0的值，拟合出常数α、λ、β1、β2、β3、β01、β02及β03的值；
S14、根据E的表达式构建随时间变化的照度控制曲线。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
1、考虑输出照度与时间的关系，有别于传统的固定照度，本发明以人体感应模块确认用户是否使用照明系统，根据不同的使用时长输出不同的照度值，并通过桌面照度采集模块采集实际照度值，实现闭环控制，使得视觉疲劳程度总是保持一个最低水平；
2、人体红外感应模块能够判断感应区域内是否有人，并在有人时向处理器模块发送电信号使其控制LED光源模块逐渐变亮，而在人离开时向处理器模块发送电信号使其计时并根据时长决定逐渐关闭LED光源(时长超过1分钟)，实现节能；
3、充分考虑不同屈光状态的群体对适宜照度环境的需求，内置多组分别对应不同屈光度人群的适宜照度控制曲线，使用户根据自身情况选择；
4、本发明所采用的照度值的确定方法选取了能客观而定量地描述人眼视觉疲劳程度的人眼视觉功能参数RS、ΔAL、MTF、HOA和AC/A，并且根据这些参数的意义，建立了视觉疲劳程度的表达式。根据此表达式，将视觉疲劳程度与适宜的照度建立起对应关系，其中MTF0、HOA0及E0的取值是基于每种屈光度状态下的大量人群而得出，既适用于群体，又适用于个体，具有广泛的覆盖性。
附图说明
图1为本发明照度实时调节照明系统结构框图；
图2为本发明桌面照度采集模块示意图；
图3为本发明照度实时调节方法流程图；
图4为某特定人群所适宜的照度控制曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，一种照度实时调节照明系统，包括LED光源模块，包括LED光源模块、单片机模块、人体感应模块、桌面照度采集模块及亮度调节模块，所述单片机模块包括处理器模块、存储模块及计时模块。所述人体感应模块、桌面照度采集模块及亮度调节模块分别与所述处理器模块相连，所述亮度调节模块与LED光源模块相连。所述亮度调节模块包含LED恒流驱动芯片，使处理器模块能通过调节PWM的占空比而改变恒流驱动芯片的电流，从而调节LED光源模块输出的亮度。
所述存储模块用于存储照度控制曲线，所述处理器模块根据照度控制曲线确定各时刻应输出的理想照度值。由于照度值与反射率息息相关(照度*反射率＝亮度)，考虑不同桌面的反射率的影响，通过LED光源输出的亮度产生的实际照度值与照度控制曲线中的理想照度值有所偏差，因此需要桌面照度采集模块采集LED光源产生的实际照度值作为反馈，处理器模块根据采集的照度值对LED光源输出的亮度进行补偿，从而使实际产生的照度值与照度控制曲线中的理想照度值一致。设某一时刻，理想照度值为E1，预输出的亮度值为L1，以亮度L1产生的实际照度值为E2，补偿后的亮度值为L2，因为反射率不变，则有L1/E2＝L2/E1，即最后应输出的亮度值为L2＝L1E1/E2。
如图2所示，所述桌面照度采集模块依次包括透镜组件1、光阑2、滤光片3、硅光电池4、塑胶件压板5及PCB板(图中未示出)。透镜组件1、光阑2及滤光片3采集桌面反射的光辐射量，硅光电池4将采集到的光辐射量转化为电流信号并传送给PCB板，所述PCB板将电流信号运算放大转化为电压信号后再传送给其板载的AD芯片转化为数字信号，最终传送给处理器模块。滤光片和硅光电池光敏面的尺寸，应使通过其的感光特性曲线符合CIE光谱光视效率曲线。本实施例中，透镜组件规格为光阑规格为1.2mm孔径、滤光片规格为光敏面规格为5.8mm×5.8mm。
由于使用过程中，用户可能离开照明区域，如果继续正常照明，造成能源的浪费，同时，单纯地以开关机时间计算用户对系统的使用时长是不够准确的，故而设置了人体感应模块和计时模块用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中。当用户处于照明区域时，所述计时模块计时，当用户离开照明区域时，所述计时模块停止计时，从而获取用户对照明系统的实际使用时长。根据用户的实际使用时长，参照照度控制曲线，即可获得照明系统对应应输出的照度值。当人体感应模块检测不到人体信息的时长超过设定时间时，LED亮度调节模块控制LED光源模块熄灭，同时计时时间清零。
对于不同(屈光度)的用户人群，他们所需要的最适宜的照度环境是不同的。本实施例中，所述存储模块中存储的照度控制曲线为多组，如图3所示的是本发明系统中内置的一条照度控制曲线(适用人群：屈光度为-3.00～-4.00区间)。为便于照度控制曲线的选择，照明系统还包括指示灯及按键模块，所述按键模块用于选取适用于用户的照度控制曲线档位，所述指示灯用于显示用户当前所选择的照度控制曲线档位。
为便于照明系统的人机交互，照明系统还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将处理器模块接收到的数据传送到APP端显示，并将APP端的设置传送给处理器模块以实现控制。
本发明以照度控制曲线为参照，辅以各系统组件，可以实现照度输出的闭环控制，使得照度的实际输出值总是保持理想状态。所述照度控制曲线既可以选用现有技术中已有的利于人眼健康的照度控制曲线，也可以选用本发明中所揭示的方法所获得的照度控制曲线(即使人在长时间处于照明系统中仍然保持最低的视觉疲劳程度的按时间变化的照度控制曲线)。如图4所示的是本发明系统中内置的以某特定人群(屈光度分布为-3.00m-1～-5.00m-1)的测试数据(测试人数为40名)拟合出的照度控制曲线。
如图3所示，本发明还提供一种照度实时调节的方法，包括以下步骤：
S1、获得照明系统内置的照度控制曲线：所述照度控制曲线根据用户对照明系统的不同使用时长而输出不同的照度值，降低用户长时间使用照明系统的视觉疲劳程度；
S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；
S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述照度控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想照度值，照明系统根据预设的反射率值及理想照度值确定光源输出亮度，输出照明光；
S4、采用桌面照度采集模块采集S3中输出的照明光所产生的实际照度值，根据产生的实际照度值调整照明系统输出的亮度使实际照度值与理想照度值一致。
其中，步骤S1具体包括：
S11、确定视觉疲劳程度的表达式。
某种视觉状态人群的视觉疲劳程度，与他们视觉疲劳的几率直接相关。在相同程度的用眼环境与用眼作业下，人眼睫状肌的调节能力越强，其疲劳的几率越小，因此视觉疲劳几率与调节性集合与调节比AC/A成近似反比关系。调制传递函数MTF与高阶像差HOA都是反映人眼对比度和视觉成像质量的参数，其数值有显著相关性，并且这两个参数呈负相关性。眼轴长度是人眼基础参数，根据它们变化方向与量纲，使其在视觉疲劳几率表达式中作为基底，本发明用V表示视觉疲劳程度，用ξ表示视觉疲劳几率，则有：
S111、根据AC/A、调制传递函数MTF与高阶像差HOA与视觉疲劳几率ξ的相关性，确定视觉疲劳几率ξ的表达式；
式中，|RS|与ΔAL是反映人眼屈光的基础量，α与λ为常数，i是复变函数中的虚数单位，在后续计算中，因与复共轭量相乘，使得i被消去。
AC/A、MTF与HOA是光学领域的常见的测量量，其具有确定的测量方法，具体的测量细节在此不做赘述。
S112、根据视觉疲劳几率与视觉疲劳程度的关系确定视觉疲劳程度V的表达式；
S12、确定视觉疲劳程度V随时间变化的表达式。
在所选参数中，|RS|与ΔAL是反映人眼屈光的基础量，在短时内不会有明显变换。而MTF、HOA与AC/A是变化较为明显的量，根据其值随时间变换关系，则有，
S121、分别确定MTF、HOA及AC/A随时间变化的关系式；
式中，MTF0、HOA0、AC/A0及E0别为t＝0时MTF、HOA、AC/A及照度的值，E为照度值，β1、β2、β3、β01、β02及β03为常数。
S122、根据S12中所述视觉疲劳程度V的表达式确定其随时间变化的表达式；
S13、确定使视觉疲劳程度V最小的CT值的表达式；
S131、始终保持V最小，则需则有，
即，
S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同照度环境下的MTF0、HOA0、AC/A0的值，拟合出常数α、λ、β1、β2、β3、β01、β02及β03的值；对于观察者的数量，观察者的数量越多，其数据越客观准确。
S14、根据E的表达式构建随时间变化的照度控制曲线，根据照度控制曲线确定某一时刻所要输出的照度值。
步骤S4中，设某一时刻，理想照度值为E1，预输出的亮度值为L1，以亮度L1产生的实际照度值为E2，补偿后的亮度值为L2，因为反射率不变，则有L1/E2＝L2/E1，即最后应输出的亮度值为L2＝L1E1/E2。
考虑不同屈光度的使用者，他们所需要的最适宜的照度环境是不同的。将所述观察者分为不同屈光度的人群，拟合出多组常数值，获得对应于不同屈光度的人群的多组照度控制曲线。本实施例中，根据使用者的屈光状态将人群分为以下几类：优视人群：+0.5～-1.0m-1；轻度近视人群：100～300度；中度近视人群：300～500度；中高度近视人群：500～700度；重度近视人群：700度以上。如图4所示的是通过本方法获得的300～500度的人群的最适宜照度控制曲线，被试为50名。
实验验证：
实验1：
对某屈光度处于+1.00m-1～-1.00m-1的被试个体50名，测量其5个视觉功能参数，代入上述公式，绘制出其最适宜照度控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。
使被试分别在该照明系统照明环境下及普通照明系统的照明环境下作业90min，基于CSA 035.2-2017《LED照明产品视觉健康舒适度测试第2部分：测试方法-基于人眼生理功能的测试指标》标准和《ISA 9008-2014LED产品视觉健康舒适度检测方法第二部分：基于人眼生理功能的检测方法和技术要求》，由具有“视觉健康舒适度”项目CMA检测资质的北京阳明智道光电科技有限公司实验中心对两种照明环境下的视觉健康舒适度值进行第三方检测。经测试，本照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为1.70，而普通照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为2.03，即本照明系统较普通照明系统可有效降低人眼视觉疲劳近20％。
实验2：
对某屈光度处于-1.00m-1～-3.00m-1的被试个体50名，测量其5个视觉功能参数，代入上述公式，绘制出其最适宜照度控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。
使被试分别在该照明系统照明环境下及普通照明系统的照明环境下作业90min，基于CSA 035.2-2017《LED照明产品视觉健康舒适度测试第2部分：测试方法-基于人眼生理功能的测试指标》标准和《ISA 9008-2014LED产品视觉健康舒适度检测方法第二部分：基于人眼生理功能的检测方法和技术要求》，由具有“视觉健康舒适度”项目CMA检测资质的北京阳明智道光电科技有限公司实验中心对两种照明环境下的视觉健康舒适度值进行第三方检测。经测试，本照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为1.81，而普通照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为2.17，即本照明系统较普通照明系统可有效降低人眼视觉疲劳近20％。
实验3：
对某屈光度处于-3.00m-1～-5.00m-1的被试个体50名，测量其5个视觉功能参数，代入上述公式，绘制出其最适宜照度控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。
使被试分别在该照明系统照明环境下及普通照明系统的照明环境下作业90min，基于CSA 035.2-2017《LED照明产品视觉健康舒适度测试第2部分：测试方法-基于人眼生理功能的测试指标》标准和《ISA 9008-2014LED产品视觉健康舒适度检测方法第二部分：基于人眼生理功能的检测方法和技术要求》，由具有“视觉健康舒适度”项目CMA检测资质的北京阳明智道光电科技有限公司实验中心对两种照明环境下的视觉健康舒适度值进行第三方检测。经测试，本照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为1.86，而普通照明系统的视觉健康舒适度值(VICO)为2.29，即本照明系统较普通照明系统可有效降低人眼视觉疲劳近23％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种照度实时调节照明系统，其特征在于：包括LED光源模块、单片机模块、桌面照度采集模块及亮度调节模块，所述单片机模块包括处理器模块及存储模块；所述存储模块用于存储照度控制曲线，为所述处理器模块提供应输出的理想照度值；所述桌面照度采集模块与所述处理器模块相连，其采集LED光源模块产生的实际照度值并传输给所述处理器模块；所述亮度调节模块分别与所述处理器模块及LED光源模块相连，所述处理器模块根据采集的实际照度值控制所述亮度调节模块调节LED光源模块的输出亮度。
2.如权利要求1所述的一种照度实时调节照明系统，其特征在于：所述桌面照度采集模块依次包括透镜组件、光阑、滤光片、硅光电池及PCB板，所述透镜组件、光阑及滤光片采集桌面反射的光辐射量，所述硅光电池将采集到的光辐射量转化为电流信号并传送给PCB板，所述PCB板将电流信号转化为数字信号，最终传送给处理器模块。
3.如权利要求1所述的一种照度实时调节照明系统，其特征在于：还包括人体感应模块，所述人体感应模块与所述处理器模块相连，用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中。
4.如权利要求3所述的一种照度实时调节照明系统，其特征在于：还包括计时模块，所述计时模块根据人体感应模块的检测结果获取用户对照明系统的实际使用时长。
5.如权利要求1所述的一种照度实时调节照明系统，其特征在于：还包括与所述处理器模块相连的按键模块，所述存储模块中存储的照度控制曲线为多组，所述按键模块用于选择所需的照度控制曲线对应的档位。
6.如权利要求5所述的一种照度实时调节照明系统，还包括与所述处理器模块相连的指示灯，所述指示灯用于指示当前所选择的照度度控制曲线对应的档位。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种照度实时调节照明系统，其特征在于：还包括与所述处理器模块相连的蓝牙模块，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将处理器模块接收到的数据传送到通讯终端中的APP进行显示，并将APP中的设置传送给处理器模块。
8.一种照度实时调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获得照明系统内置的照度控制曲线；
S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；
S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述照度控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想照度值，照明系统根据预设的反射率值及理想照度值确定光源输出亮度，输出照明光；
S4、采用桌面照度采集模块采集S3中输出的照明光所产生的实际照度值，根据产生的实际照度值调整照明系统输出的亮度使实际照度值与理想照度值一致。
9.如权利要求8所述的一种照度实时调节方法，其特征在于：步骤S1中获得的照度控制曲线为多组，多组照度控制曲线分别对应不同屈光度的人群；步骤S1与步骤S2之间还包括用户根据自身屈光度选择对应照度控制曲线的步骤。
10.如权利要求9所述的一种照度实时调节方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S11、确定视觉疲劳程度的表达式：
S111、根据调节性集合与调节比AC/A、调制传递函数MTF与高阶像差HOA与视觉疲劳几率ξ的相关性，确定视觉疲劳几率ξ的表达式；
式中，|RS|与ΔAL是反映人眼屈光的基础量，α与λ为常数，i是复变函数中的虚数单位；
S112、根据视觉疲劳几率与视觉疲劳程度的关系确定视觉疲劳程度V的表达式；
S12、确定视觉疲劳程度V随时间变化的表达式：
S121、分别确定MTF、HOA及AC/A随时间变化的关系式；
式中，MTF0、HOA0、AC/A0及E0别为t＝0时MTF、HOA、AC/A及照度的值，E为照度随时间的变化值，β1、β2、β3、β01、β02及β03为常数；
S122、根据视觉疲劳程度V的表达式确定其随时间变化的表达式；
S13、确定使视觉疲劳程度V最小的CT值的表达式；
S131、始终保持V最小，则需则有，
E＝E0 (t＝0)
S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同照度环境下的MTF0、HOA0、AC/A0的值，拟合出常数α、λ、β1、β2、β3、β01、β02及β03的值；
S14、根据E的表达式构建随时间变化的照度控制曲线。
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