用人體功效學分析白光LED在室內(nèi)照明中的應用



1、引言



　　作為一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓庠矗琇ED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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)活動的需要。

　　4.2、心理的需要

在正常的室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)最強，容易灼傷視網(wǎng)膜及形成早期白內(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。