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健康照明之全光譜LED應用展望

2019-11-01    

來源:旭宇光電

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導語: 可見光全光譜LED在照明領域應用研究已成為熱點,健康照明也得到越來越多消費者的關注與認知,本文聚焦健康照明的光色質量、人的生理節律反應及光生物安全性。在照明產業集聚及全光譜團體標準出臺地,通過企業走訪、樣品收集和應用調研,對數據比較分析及評估結論,并展望全光譜LED在健康照明中的利好前景。

  摘要:可見光全光譜LED在照明領域應用研究已成為熱點,健康照明也得到越來越多消費者的關注與認知,本文聚焦健康照明的光色質量、人的生理節律反應及光生物安全性。在照明產業集聚及全光譜團體標準出臺地,通過企業走訪、樣品收集和應用調研,對數據比較分析及評估結論,并展望全光譜LED在健康照明中的利好前景。

  關鍵詞:健康;照明;全光譜;LED;標準;對比

  中圖分類號:TM923.34文獻標識碼:A

  引言

  人類的照明經歷了長期和復雜的演變過程,從最初的火把、油燈、人造光源白熾燈和節能燈,到高效節能半導體固態LED光源的普及,照明才擁有多姿多彩的“電氣照明時代”,真正可以用我們完全可控的方式來實現照明。照明技術發展史就是人類文明史的一個縮影,光作為人體晝夜節律系統主要驅動力之一,無論是自然的太陽光還是人造光源,都會引發一連串的生理節律反應,光通過視覺和非視覺的作用,不同程度地影響著人類的健康。人造光的出現改變了自然光晝夜節律,而不舒適光照將造成人的視覺疲勞、失眠、光輻射危害和生物節律的紊亂等問題,也就潛在影響了人類的身體健康。我們在關注光的客觀視覺效應的同時,如照度、亮度及相關色溫等物理參數,還應考慮人對光照的感受,研究光對人的健康、情緒、舒適性及生理變化的影響即非視覺生物效應以及光輻射等問題。因此,倡導“健康照明”提高照明品質及舒適性具有非常重要的現實意義。

  1照明與健康光概述

  太陽光乃萬物之源,更是人類生存的必要條件之一,經過千萬年的進化,太陽光譜已成為人類健康必須的光譜,光譜中的紫外、可見光及紅外線等合成光譜,已經在人類進化歷程中留下了深深的遺傳烙印。所謂健康照明,就是通過照明改善及提高人們工作、學習和生活的條件與質量,促進心理和生理健康及營造舒適的氛圍。相關研究表明,紫外線(ultraviolet)光具有消殺螨蟲等微生物或病原體及促進維生素D合成的功能,并具有預防和治療佝僂病和軟骨癥的作用,以及預防老年人骨質疏松、消炎止痛、促進局部血液循環和調節人體免疫力等功能和作用。紅外線(Infrared)光在人體組織代謝、血液循環和人體免疫功能增強等方面具有較好的治療作用,針對肌肉痙攣、肌肉勞損、軟組織損傷和身體組織消腫具有明顯的治療作用。如何利用光譜中有益光線服務于人類,已成為醫學和光學等相關領域技術人員重點研究的課題[1]。

  健康照明主要就是指用于照明的人造光源光譜應盡可能接近太陽可見光譜,場景照明在滿足場所功能性照明要求的同時還應考慮人們的心理要求,判斷一個照明場景是否為健康照明,照明燈具除了顯色指數、相關色溫、照度、亮度和頻閃等指標符合相應要求以外,一個極其重要的判定依據應該是其光譜與太陽光光譜的吻合度,因為即使該產品的光譜明顯偏離太陽光光譜,其顯色指數、相關色溫、照度、亮度和頻閃等技術指標也可以達到相應要求,但明顯偏離太陽光光譜的產品并不是真正意義上的健康照明。隨著照明用LED封裝技術的發展,與太陽光光譜類似的全光譜(Full Spectrum)LED技術已經在照明工程中得到推廣與應用。

  全光譜LED優劣勢分析對比

  2.1照明效果比較

  相關研究結果表明,照明光譜的完整性直接影響視覺的辨色能力,尤其是兒童發育階段,色彩逼真度即色彩真實度的表現,表征各標準色在測試光源照射下與參考光源相比的相似程度。一種模擬接近太陽光光譜的人工光源完全能滿足各種照明場景的需求,已成為LED封裝企業研究的核心課題之一,隨著技術的進步和難關的攻克,將全光譜LED的顯色指數Ra和R9~R15顯色性提升到大于95已成為現實,特別是色彩飽和度的提升讓人從感官上體現出全光譜LED的色彩還原優勢,為了更好地理解全光譜LED與普通LED對物品的色彩還原性的差異,圖1的上排為相關色溫由低到高的全光譜LED照明,下排為普通LED對應的照明效果對比,由此可見全光譜LED與普通LED在色彩逼真度和色飽和度的明顯差異。

  

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  圖1全光譜LED與普通LED的色彩還原性對比

  2.2藍光危害

  針對照明產品的藍光危害風險,一直是照明行業技術人員關注的焦點。圖2為“藍光芯片+熒光粉”LED封裝的典型光譜,其445nm波段的峰值明顯偏高,目前市面上大部分LED光源存在一定的藍光危害風險。發明藍光LED而獲諾貝爾獎的中村修二認為第1代照明用LED產品存在一定的藍光危害風險,嚴重的甚至可能導致癌癥的誘發。作為我國照明產品安全要求的國家標準,GB 7000.1《燈具第1部分一般要求與試驗》于2015年修訂及發布,第4章專門增加了關于光生物危害要求的4.24.2章節,針對燈具光源按照IEC/TR 62778進行評估和分級要求,并針對不同應用規定風險等級要求。在照明方案設計中,技術人員一般都會根據照明產品的應用需求,選擇及采用磨砂材料作為燈具光源的擴散罩,以降低藍光危害風險等級,以滿足標準的相應要求[2]。

  

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  圖2普通LED光譜圖

  普通LED光譜有明顯的波峰和波谷,其光譜比例失調,其藍光部分波峰尤為突出,也是形成對人類視網膜損害的主要元兇,LED光譜中的藍光一直以來受到相關技術人員的關注與研究,基于技術原因及LED高效節能成為了人們的關注焦點,藍光峰值高也一直函待解決該問題。隨著全光譜LED技術的出現,從技術層面修補了普通LED光源在可見光波段光譜比例失調的缺陷,有效降低了藍光危害風險,并提高了照明應用的舒適性。某LED封裝企業典型的全光譜LED光譜如圖3,無疑將成為健康照明用光的風向標。

  

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  圖3全光譜LED光譜圖

  2.3全光譜LED技術規范

  健康照明是一個復雜的系統工程,國家及行業還沒有出臺健康照明的標準,健康照明還處在前行與探索階段,目前照明市場上的全光譜產品更多是商家促銷的噱頭,其質量參差不齊導致市場較為混亂。行業急需具有權威、協商一致和標準化的健康照明規范來引導照明行業的良性發展。

  深圳市作為LED產業的聚集地、LED技術創新發展的重要區域,全光譜照明技術已經在眾多LED封裝企業批量生產,并得到照明應用企業的推廣使用。為了規范技術應用和滿足照明行業的迫切需要,“深圳市LED產業標準聯盟”組織LED封裝行業內的龍頭企業歷時2年,率先制定并發布了室內健康照明的系列標準之SZTT/LSA 024.1—2019《室內健康照明設計規范第1部分:全光譜技術要求》和SZTT/LSA 024.2—2019《室內健康照明設計規范第2部分:家居照明》2份團體標準,該系列標準的發布,明確了全光譜照明技術的定義、技術要求和測試方法等方面的要求,為健康照明技術的發展起到了引領作用[3]。

  該系列團體標準以國際上已公開發表的文獻如美國光學學會期刊第54期《作為相關色溫函數的典型晝光的光譜分布》和國際照明委員會權威技術報告CIE218:2016《室內健康照明技術路線圖》等重要研究成果為基礎,解決了推薦的典型日光D40(相關色溫典型值為4000K)光譜作為關鍵技術標準的參照基準。全光譜光源就是將自然光的優點最大化及人工光源的缺點最小化的典型光譜,其光譜(380~780nm)接近相關色溫為4000K(典型日光D40)的太陽光光譜分布,有益健康和滿足明(暗)視覺要求。

  2.4樣品測試與比對

  依據SZTT/LSA 024.1—2019團體標準,作為“深圳市LED產業標準聯盟”秘書處單位的深圳市計量質量檢測研究院光電實驗室,通過走訪會員單位和針對市場上銷售的普通LED光源和典型全光譜LED光源進行了樣品收集,利用光電實驗室專業檢測設備的優勢,嚴格按照該標準相應要求對多組樣品進行測試,并利用分析軟件對樣品光譜進行比較與分析,相關色溫為4000K的普通LED光源和全光譜LED光源光譜與太陽光(D40)光譜進行比較,其光譜分布對比如圖4所示。

  

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  圖4 3種光譜對比

  根據光譜對比可以看出,全光譜LED較普通LED明顯降低了藍光部分的峰值,并提升了可見光波段的連續性,尤其是540-780nm波段的連續性提升尤為明顯。全光譜LED的應用,將大幅度地提升新一代LED照明產品的照明光品質。針對本次樣品測試結果表明,模擬太陽光的全光譜應用是健康照明的必然趨勢,如何降低全光譜LED光譜中藍光部分的尖峰值(與D40相比),從LED封裝技術層面來講是完全可以實現的[4]。

  光視覺健康是照明應用的基本要求,光對生物組織的影響、視覺及非視覺效應,以及照明用LED技術的快速發展,使得健康照明得到人們更多的青睞與關注。全光譜LED的持續優化與改善,使得照明產品的藍光輻射大大降低,讓人們對光源舒適性有了較好的提升感受,另外,紅光光譜的提高使照明產品對人類的健康起到了促進作用[5-6]。

  與普通LED相比,全光譜LED的優點有:①控制藍光峰值降低對視網膜光敏細胞的損害風險;②降低紫外短波輻射對人造成的光生物危害;③光的色彩飽和度提升,物體的色彩還原性好;④補充可見光波段的紫光、青光、綠光和紅光,提高了光譜連續性;⑤通過提高4000K LED光譜中紅光光譜與D40更為接近,可改善閱讀舒適性。而相比普通的LED封裝技術,全光譜LED技術還存在一定的工藝難度及成本較高的問題。

  結語

  從國內外照明展會上制造商展示的產品可以看到,照明用全光譜LED的趨勢已越來越明朗,針對室內健康照明的應用,大多數照明行業領先的LED制造商都會展示其健康照明的系統解決方案,由此可見全光譜LED已成為健康照明發展的必然趨勢,結合本文所述對光源的測試與對比評估結果,全光譜LED將是實現高品質健康照明的光源首選[6]。特別是針對青少年兒童學習的教室照明及學習照明,劣質照明光是青少年視力問題的主要原因之一,也影響著人們的視覺效果與身體健康。因此,倡導健康照明和提高光的生物安全性,以及研究照明光品質和光舒適性具有非常重要的現實意義,針對各種場景照明光品質要求,有待相關技術人員的共同努力來解決存在的一些難點,并加快全光譜LED在教育、家居、醫院和公共場所等照明領域的推廣與應用。

  參考文獻

  [1]吳震,楊夏喜,席天陽,郭瑋宏,袁士東,張濤.基于光健康的LED照明質量評價方法及照明方案綜述[J].光源與照明,2019(01):4-8.

  [2]全國照明電器標準化技術委員會.GB 7000.1-2015燈具第1部分一般要求與試驗[S].2015.

  [3]深圳市LED產業標準聯盟。SZTT/LSA 024.1-2019室內健康照明設計規范第1部分:全光譜技術要求[S].2019.

  [4]曹小兵,黎蘭蘭,羅偉.基于遠程熒光粉與白光LED封裝散熱技術研究[J].中國照明電器,2019(02):14-18.

  [5]王曉靜,段延龍,牟同升.健康照明的評價方法及其標準化的新進展[J].照明工程學報,2017,28(06):29-34.

  [6]李琪,辛易.全光譜LED發展現狀及應用前景[J].中國照明電器,2017(03):12-16.


標簽:健康照明  全光譜  LED  

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