用人體功效學分析白光LED在室內照明中的應用



1、引言



　　作為一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓庠?，LED的長壽命、牢固的結構、較低的功耗和靈活的外形尺寸等優(yōu)點受到了人們越來越多的關注，近幾年，LED特別是單色LED被廣泛地應用于大屏幕、信號燈和景觀照明中。隨著LED技術的不斷發(fā)展，白光LED的光效、顯色性、色溫及單顆LED的功率和LED模塊的光通量等參數(shù)指標不斷取得新的突破，人們對LED應用于照明充滿了期待。

　　然而，將白光LED應用于普通的室內照明也面臨著一系列的挑戰(zhàn)，例如單顆LED的光通量還難以滿足普通照明的需求、單位成本過高、光效比節(jié)能燈低、色差大、穩(wěn)定性不足等。雖然研究成果形勢喜人，但要生產(chǎn)出真正符合照明要求的市場化產(chǎn)品仍需一定的時間，這是LED研發(fā)人員、生產(chǎn)商和使用者都無法回避的事實。本文從照明的人體功效學出發(fā)，分析目前白光LED的發(fā)展現(xiàn)狀以及與健康的光環(huán)境所需要的正常指標之間的差異，對促進LED在室內照明的應用進程提出了一些建議。

 

　　2、照明的人體功效學

　　人體功效學也叫人類功效學或人體工程學，以“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)為研究對象，運用實測、統(tǒng)計、分析等方法,研究“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)中三大要素之間的關系,以解決系統(tǒng)中人的效能、健康問題。也就是說，人體功效學的研究致力于設計和評價人的需要、人的能力、人的極限，以及如何與各項任務、工作、產(chǎn)品、環(huán)境和系統(tǒng)協(xié)調。照明的人體工效學，就是研究光環(huán)境的設計如何滿足人的需要，使人們更快、更好地完成各項視覺作業(yè)或盡量滿足舒適健康的需求。

 

　　照明光環(huán)境應該充分考慮滿足人們視覺功能的需要，使人們能在一個合適的視覺環(huán)境中正常地開展工作，即能看得清楚；又要滿足人們心理上的需要，即要看得舒服。最近的一項研究表明，光還能通過影響人體內褪黑激素的分泌而影響人體的生理節(jié)律和健康。因此，考慮人體功效學的良好的光環(huán)境應該從人的視覺、心理和生理的需要出發(fā)，綜合考慮多項因素，否則就會對人們的工作效率、心理或生理健康造成不良影響。

 

 

　　3 白光LED的發(fā)展現(xiàn)狀

　　3.1 光效

　　LED自上世紀60年代誕生以來，以每10年亮度提高30倍，價格下降10倍的“海茲定律”般的速度發(fā)展。據(jù)報道，目前白光LED光效的實驗室數(shù)據(jù)已超過100lm/W，而進入商業(yè)領域的大功率白光LED也達到40lm/W。隨著關鍵技術的突破，未來大功率LED的光效仍具有很大的上升空間，最高有可能達到150～200lm/W。

 

　　3.2 光通量

　　隨著大功率LED的面世和封裝、散熱等關鍵技術的突破，5W LED的商業(yè)化進程已初具規(guī)模，這使LED模塊的光通量得到很大提高。來自日亞公司最新的研究數(shù)據(jù)表明，功率分別為5.5W和11W，光通量分別為250lm和400lm的大功率LED集成模塊已經(jīng)研制成功。這使LED用于普通照明的進程又向前邁進了一大步。

3.3 色溫和顯色性

　　白光LED的色溫和顯色性與白光LED的制備方案密切相關。1996年日亞公司首先采用InGaN藍光芯片加YAG（釔鋁石榴石）黃色熒光粉的方法制成白光LED。此后，人們又采用R、G、B三色芯片混光和近紫外芯片激發(fā)R、G、B三色熒光粉混光制成了白光LED。制備白光LED的幾種主要方案及其色溫和顯色指數(shù)范圍如下表所示。

　　采用藍光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單，技術成本較低，是目前制備白光LED最常用的方式，但其顯色指數(shù)也相對較低。添加一定的紅光熒光粉和綠光熒光粉雖能提高顯色指數(shù)，但由于紅光熒光粉的相對轉化率較低，通常會引起總體光通量的衰減，即光效的下降。采用近紫外的LED加RGB三基色熒光粉理論上可以獲得任意色溫及較高顯色指數(shù)的白光LED，但目前用于紫外LED熒光粉的技術尚未成熟。單芯片涂熒光粉的方法根據(jù)熒光粉的涂敷技術的不同，通常具有80~800K的色溫差異。多芯片的LED理論上可以獲得任意色溫和高顯色性的白光LED，但由于多芯片LED的正向電壓和光輸出不同，另外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路設計的要求較高，目前技術還不成熟，模塊間色溫差異較大。

 

　　4、考慮人體功效學對白光LED照明的要求

　　如前面所述，考慮照明的人體功效學應考慮人們對照明環(huán)境的要求。室內環(huán)境是人們生活和工作大部分時間停留的環(huán)境，因此人們對室內照明環(huán)境的需求就越來越高。能否達到這些要求，是LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源進行室內照明的關鍵。

　　4.1 視覺功能的需求

　　為了滿足人們的視覺需求，即要讓人們能看得清楚，這就要求照明光環(huán)境具有一定的照度水平、照度均勻度和顯色性。

　　要滿足一定的照度水平，就要求LED具有足夠的光通量。以一個小閱覽室為例，假設閱覽室面積為6m×8m，則大約需要20000~30000lm的光通量才可以滿足人們正常的閱讀需要。若不考慮其他因素，應用目前市場上200lm的大功率顆粒也需要100~150顆粒的LED才能夠達到這樣的照度要求。由于目前較好的市場產(chǎn)品的光效在30~40lm/W左右，不論能耗或成本，LED還不能與節(jié)能燈或熒光燈進行競爭。此外，LED燈具的光學設計技術方面的不成熟使目前LED燈具的配光分布不夠穩(wěn)定，要達到一定的照度均勻度也需要很高的成本。但對于小面積的重點照明，用少量能耗的LED可以滿足視覺的需要，在均勻度方面也比較容易滿足。而在顯色性方面，目前的白光LED基本能滿足一般室內活動的需要。

　　4.2、心理的需要

在正常的室內工作或活動，人們不但要求得到視覺功能的滿足，同時也需要一定的視覺舒適度，這是人們對照明光環(huán)境的心理需要，也就要求視場內的光環(huán)境不可有直接眩光或間接眩光，色溫要合適、燈具的布置要舒適。在要求視場的眩光方面，對白光LED既是優(yōu)勢又是挑戰(zhàn)。由于LED較小的發(fā)光點和光束角，使光的出射方向很容易控制，但另一方面，通常LED光強較為集中，最大光強分布處若處理不當則容易對觀測者造成眩光。研究表明，不舒適眩光不但會引起工作效率的下降，同時也會造成視覺疲勞和頭痛等不良反應。另外，若選用RGB三芯片LED，雖能形成任意色溫的白光，但較大的色差會影響視場整體的舒適和美觀。若選用藍光LED加YAG粉的方式，則色溫基本偏高。為了使照明具有良好的效果，所選用的光源的色溫必須與要求的照度相適應，圖1所示是照度與色溫對應的舒適區(qū)域。因此，較高的色溫也會影響白光LED在室內照明中的應用，因為它要求相應高的照度，才能使人感覺舒適。另一方面，LED靈活的外形尺寸使LED燈具在設計上具有很大的空間，可以充分滿足裝飾性的要求。

　　4.3 生理的需要

　　室內照明中人們對生理上的需要主要表現(xiàn)為健康的需要。除了長期的紫外光照射會對皮膚造成不良影響以外，光影響健康的另外兩個途徑常常被人們所忽略，一個是光通過視覺影響健康，另一個是光通過生理節(jié)律系統(tǒng)影響健康。與白光LED用于室內照明有緊密聯(lián)系的兩個效應就是視網(wǎng)膜的藍光危害效應及光通過抑止人體內褪黑激素的分泌影響人體的生理節(jié)律系統(tǒng)和健康。通常紫外光的危害發(fā)生于人眼的前眼部分，即對角膜會造成傷害。而藍光由于其波長比紫外光長，可以透過眼底到達視網(wǎng)膜；而其單位能量在可見光范圍內最強，容易灼傷視網(wǎng)膜及形成早期白內障。另一方面，人體褪黑激素的分泌受光照的影響，當褪黑激素分泌失常時容易引起人體生理節(jié)律的混亂，嚴重時引起癌癥或其他病變。

　　圖2a是一種常見的藍光LED加YAG粉所得的白光LED的光譜能量分布曲線?？梢钥吹?，在400~500nm的區(qū)域內，這種白光LED的能量分布具有一個明顯的峰值。添加一定量的紅光熒光粉后可以在一定程度上降低這一峰值，但是目前普遍使用的白光LED的這一藍光區(qū)域峰值與藍光視網(wǎng)膜危害的光譜敏感度曲線（如圖2b所示）及影響生理節(jié)律系統(tǒng)的神經(jīng)節(jié)細胞對光的敏感度曲線（如圖2c所示）有較多的重疊區(qū)域，這不得不引起我們的重視。而如果使用紫外LED加三基色熒光粉及RGB多芯片白光LED，這兩種效應則可以忽略。

 

　　5、促進白光LED在室內照明的應用

　　大功率白光LED雖然在光效、顯色性及單顆功率方面取得很大突破，各LED廠商也以迅猛的勢頭不斷更新已經(jīng)取得的成就。但是，在考慮到人體功效學方面，對于締造一個符合人居需要的照明環(huán)境，LED顯然還有很長的路要走。為了促進LED更多、更合理地應用于室內照明中，以下的幾個方面是LED設計者、生產(chǎn)者和應用者應該共同關注的。

　　5.1 重視合理的照明設計

 

　　就視覺功能的需要而言，目前LED的光通量和光效還難以滿足大面積普通照明的需要。因而，合理的照明設計是將LED應用于室內照明的關鍵。例如，可以利用LED進行局部重點照明，或利用LED便于控制這一特性進行輔助照明和調光設計。設計時應同時結合視覺功能、心理和生理的需要，揚長避短，締造健康、舒適的光環(huán)境。

5.2 重視LED上、中游與下游的緊密聯(lián)系

　　毫無疑問，LED上中游對LED技術的發(fā)展和應用起了關鍵性的作用，但下游的應用和需求同時也為LED上中游起到引領的作用。科研工作者、工程師和設計師應該加強聯(lián)系，使LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加合理和人性化。

　　5.3 加強LED二次光學設計技術

　　LED照明應用中的一項關鍵技術是LED二次光學設計技術，通過二次光學設計，能優(yōu)化LED的配光分布，在避免眩光的同時使LED射出的光線更加合理，達到照明的要求。

　　5.4 制定LED室內照明標準

　　目前我國有關檢測部門已經(jīng)著手開展對照明ＬＥＤ測試方法的研究，包括檢測設備的開發(fā)工作。全國照明電器標準化技術委員會已經(jīng)將照明ＬＥＤ的技術標準和測試方法標準列入標準工作計劃，希望通過照明ＬＥＤ標準的制定，促進ＬＥＤ技術的發(fā)展和在照明領域的應用。對于LED室內照明標準，應重點解決ＬＥＤ的光學特性，即光通量、光分布、亮度、光譜分布、色度坐標、色差、顯色指數(shù)、光衰等指標。此外，電器附件的特性、機械特性、溫度特性和器具安全特性等也應列入考慮的范圍。

 

　　6、結束語

　　將白光LED應用于室內照明中的進程在近兩年中取得了重大的突破，在考慮照明的人體功效學的基礎上，白光LED在室內照明中具有一定的優(yōu)勢，然而，也還存在諸多不足。LED設計者、生產(chǎn)者和應用者應該聯(lián)合起來，共同為LED技術的發(fā)展添磚加瓦，早日使新一代的光源發(fā)揮最大作用，獲得更多的效益。