健康照明之全光谱LED应用展望

导语: 可见光全光谱LED在照明领域应用研究已成为热点,健康照明也得到越来越多消费者的关注与认知,本文聚焦健康照明的光色质量、人的生理节律反应及光生物安全性。在照明产业集聚及全光谱团体标准出台地,通过企业走访、样品收集和应用调研,对数据比较分析及评估结论,并展望全光谱LED在健康照明中的利好前景。

 

  摘要:可见光全光谱LED在照明领域应用研究已成为热点,健康照明也得到越来越多消费者的关注与认知,本文聚焦健康照明的光色质量、人的生理节律反应及光生物安全性。在照明产业集聚及全光谱团体标准出台地,通过企业走访、样品收集和应用调研,对数据比较分析及评估结论,并展望全光谱LED在健康照明中的利好前景。

  关键词:健康;照明;全光谱;LED;标准;对比

  中图分类号:TM923.34文献标识码:A

引言

  人类的照明经历了长期和复杂的演变过程,从最初的火把、油灯、人造光源白炽灯和节能灯,到高效节能半导体固态LED光源的普及,照明才拥有多姿多彩的“电气照明时代”,真正可以用我们完全可控的方式来实现照明。照明技术发展史就是人类文明史的一个缩影,光作为人体昼夜节律系统主要驱动力之一,无论是自然的太阳光还是人造光源,都会引发一连串的生理节律反应,光通过视觉和非视觉的作用,不同程度地影响着人类的健康。人造光的出现改变了自然光昼夜节律,而不舒适光照将造成人的视觉疲劳、失眠、光辐射危害和生物节律的紊乱等问题,也就潜在影响了人类的身体健康。我们在关注光的客观视觉效应的同时,如照度、亮度及相关色温等物理参数,还应考虑人对光照的感受,研究光对人的健康、情绪、舒适性及生理变化的影响即非视觉生物效应以及光辐射等问题。因此,倡导“健康照明”提高照明品质及舒适性具有非常重要的现实意义。

 1照明与健康光概述

  太阳光乃万物之源,更是人类生存的必要条件之一,经过千万年的进化,太阳光谱已成为人类健康必须的光谱,光谱中的紫外、可见光及红外线等合成光谱,已经在人类进化历程中留下了深深的遗传烙印。所谓健康照明,就是通过照明改善及提高人们工作、学习和生活的条件与质量,促进心理和生理健康及营造舒适的氛围。相关研究表明,紫外线(ultraviolet)光具有消杀螨虫等微生物或病原体及促进维生素D合成的功能,并具有预防和治疗佝偻病和软骨症的作用,以及预防老年人骨质疏松、消炎止痛、促进局部血液循环和调节人体免疫力等功能和作用。红外线(Infrared)光在人体组织代谢、血液循环和人体免疫功能增强等方面具有较好的治疗作用,针对肌肉痉挛、肌肉劳损、软组织损伤和身体组织消肿具有明显的治疗作用。如何利用光谱中有益光线服务于人类,已成为医学和光学等相关领域技术人员重点研究的课题[1]。

  健康照明主要就是指用于照明的人造光源光谱应尽可能接近太阳可见光谱,场景照明在满足场所功能性照明要求的同时还应考虑人们的心理要求,判断一个照明场景是否为健康照明,照明灯具除了显色指数、相关色温、照度、亮度和频闪等指标符合相应要求以外,一个极其重要的判定依据应该是其光谱与太阳光光谱的吻合度,因为即使该产品的光谱明显偏离太阳光光谱,其显色指数、相关色温、照度、亮度和频闪等技术指标也可以达到相应要求,但明显偏离太阳光光谱的产品并不是真正意义上的健康照明。随着照明用LED封装技术的发展,与太阳光光谱类似的全光谱(Full Spectrum)LED技术已经在照明工程中得到推广与应用。

  全光谱LED优劣势分析对比

  2.1照明效果比较

  相关研究结果表明,照明光谱的完整性直接影响视觉的辨色能力,尤其是儿童发育阶段,色彩逼真度即色彩真实度的表现,表征各标准色在测试光源照射下与参考光源相比的相似程度。一种模拟接近太阳光光谱的人工光源完全能满足各种照明场景的需求,已成为LED封装企业研究的核心课题之一,随着技术的进步和难关的攻克,将全光谱LED的显色指数Ra和R9~R15显色性提升到大于95已成为现实,特别是色彩饱和度的提升让人从感官上体现出全光谱LED的色彩还原优势,为了更好地理解全光谱LED与普通LED对物品的色彩还原性的差异,图1的上排为相关色温由低到高的全光谱LED照明,下排为普通LED对应的照明效果对比,由此可见全光谱LED与普通LED在色彩逼真度和色饱和度的明显差异。

 

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 图1全光谱LED与普通LED的色彩还原性对比

  2.2蓝光危害

  针对照明产品的蓝光危害风险,一直是照明行业技术人员关注的焦点。图2为“蓝光芯片+荧光粉”LED封装的典型光谱,其445nm波段的峰值明显偏高,目前市面上大部分LED光源存在一定的蓝光危害风险。发明蓝光LED而获诺贝尔奖的中村修二认为第1代照明用LED产品存在一定的蓝光危害风险,严重的甚至可能导致癌症的诱发。作为我国照明产品安全要求的国家标准,GB 7000.1《灯具第1部分一般要求与试验》于2015年修订及发布,第4章专门增加了关于光生物危害要求的4.24.2章节,针对灯具光源按照IEC/TR 62778进行评估和分级要求,并针对不同应用规定风险等级要求。在照明方案设计中,技术人员一般都会根据照明产品的应用需求,选择及采用磨砂材料作为灯具光源的扩散罩,以降低蓝光危害风险等级,以满足标准的相应要求[2]。

 

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  图2普通LED光谱图

  普通LED光谱有明显的波峰和波谷,其光谱比例失调,其蓝光部分波峰尤为突出,也是形成对人类视网膜损害的主要元凶,LED光谱中的蓝光一直以来受到相关技术人员的关注与研究,基于技术原因及LED高效节能成为了人们的关注焦点,蓝光峰值高也一直函待解决该问题。随着全光谱LED技术的出现,从技术层面修补了普通LED光源在可见光波段光谱比例失调的缺陷,有效降低了蓝光危害风险,并提高了照明应用的舒适性。某LED封装企业典型的全光谱LED光谱如图3,无疑将成为健康照明用光的风向标。

 

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 图3全光谱LED光谱图

  2.3全光谱LED技术规范

  健康照明是一个复杂的系统工程,国家及行业还没有出台健康照明的标准,健康照明还处在前行与探索阶段,目前照明市场上的全光谱产品更多是商家促销的噱头,其质量参差不齐导致市场较为混乱。行业急需具有权威、协商一致和标准化的健康照明规范来引导照明行业的良性发展。

  深圳市作为LED产业的聚集地、LED技术创新发展的重要区域,全光谱照明技术已经在众多LED封装企业批量生产,并得到照明应用企业的推广使用。为了规范技术应用和满足照明行业的迫切需要,“深圳市LED产业标准联盟”组织LED封装行业内的龙头企业历时2年,率先制定并发布了室内健康照明的系列标准之SZTT/LSA 024.1—2019《室内健康照明设计规范第1部分:全光谱技术要求》和SZTT/LSA 024.2—2019《室内健康照明设计规范第2部分:家居照明》2份团体标准,该系列标准的发布,明确了全光谱照明技术的定义、技术要求和测试方法等方面的要求,为健康照明技术的发展起到了引领作用[3]。

  该系列团体标准以国际上已公开发表的文献如美国光学学会期刊第54期《作为相关色温函数的典型昼光的光谱分布》和国际照明委员会权威技术报告CIE218:2016《室内健康照明技术路线图》等重要研究成果为基础,解决了推荐的典型日光D40(相关色温典型值为4000K)光谱作为关键技术标准的参照基准。全光谱光源就是将自然光的优点最大化及人工光源的缺点最小化的典型光谱,其光谱(380~780nm)接近相关色温为4000K(典型日光D40)的太阳光光谱分布,有益健康和满足明(暗)视觉要求。

  2.4样品测试与比对

  依据SZTT/LSA 024.1—2019团体标准,作为“深圳市LED产业标准联盟”秘书处单位的深圳市计量质量检测研究院光电实验室,通过走访会员单位和针对市场上销售的普通LED光源和典型全光谱LED光源进行了样品收集,利用光电实验室专业检测设备的优势,严格按照该标准相应要求对多组样品进行测试,并利用分析软件对样品光谱进行比较与分析,相关色温为4000K的普通LED光源和全光谱LED光源光谱与太阳光(D40)光谱进行比较,其光谱分布对比如图4所示。

 

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  图4 3种光谱对比

  根据光谱对比可以看出,全光谱LED较普通LED明显降低了蓝光部分的峰值,并提升了可见光波段的连续性,尤其是540-780nm波段的连续性提升尤为明显。全光谱LED的应用,将大幅度地提升新一代LED照明产品的照明光品质。针对本次样品测试结果表明,模拟太阳光的全光谱应用是健康照明的必然趋势,如何降低全光谱LED光谱中蓝光部分的尖峰值(与D40相比),从LED封装技术层面来讲是完全可以实现的[4]。

  光视觉健康是照明应用的基本要求,光对生物组织的影响、视觉及非视觉效应,以及照明用LED技术的快速发展,使得健康照明得到人们更多的青睐与关注。全光谱LED的持续优化与改善,使得照明产品的蓝光辐射大大降低,让人们对光源舒适性有了较好的提升感受,另外,红光光谱的提高使照明产品对人类的健康起到了促进作用[5-6]。

  与普通LED相比,全光谱LED的优点有:①控制蓝光峰值降低对视网膜光敏细胞的损害风险;②降低紫外短波辐射对人造成的光生物危害;③光的色彩饱和度提升,物体的色彩还原性好;④补充可见光波段的紫光、青光、绿光和红光,提高了光谱连续性;⑤通过提高4000K LED光谱中红光光谱与D40更为接近,可改善阅读舒适性。而相比普通的LED封装技术,全光谱LED技术还存在一定的工艺难度及成本较高的问题。

  结语

  从国内外照明展会上制造商展示的产品可以看到,照明用全光谱LED的趋势已越来越明朗,针对室内健康照明的应用,大多数照明行业领先的LED制造商都会展示其健康照明的系统解决方案,由此可见全光谱LED已成为健康照明发展的必然趋势,结合本文所述对光源的测试与对比评估结果,全光谱LED将是实现高品质健康照明的光源首选[6]。特别是针对青少年儿童学习的教室照明及学习照明,劣质照明光是青少年视力问题的主要原因之一,也影响着人们的视觉效果与身体健康。因此,倡导健康照明和提高光的生物安全性,以及研究照明光品质和光舒适性具有非常重要的现实意义,针对各种场景照明光品质要求,有待相关技术人员的共同努力来解决存在的一些难点,并加快全光谱LED在教育、家居、医院和公共场所等照明领域的推广与应用。

  参考文献

  [1]吴震,杨夏喜,席天阳,郭玮宏,袁士东,张涛.基于光健康的LED照明质量评价方法及照明方案综述[J].光源与照明,2019(01):4-8.

  [2]全国照明电器标准化技术委员会.GB 7000.1-2015灯具第1部分一般要求与试验[S].2015.

  [3]深圳市LED产业标准联盟。SZTT/LSA 024.1-2019室内健康照明设计规范第1部分:全光谱技术要求[S].2019.

  [4]曹小兵,黎兰兰,罗伟.基于远程荧光粉与白光LED封装散热技术研究[J].中国照明电器,2019(02):14-18.

  [5]王晓静,段延龙,牟同升.健康照明的评价方法及其标准化的新进展[J].照明工程学报,2017,28(06):29-34.

  [6]李琪,辛易.全光谱LED发展现状及应用前景[J].中国照明电器,2017(03):12-16.

 

来源:旭宇光电  中国照明网

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