健康照明之全光譜LED應(yīng)用展望
2023-11-08 13:28:34 535
摘要：可見光全光譜LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用研究已成為熱點(diǎn)，健康照明也得到越來越多消費(fèi)者的關(guān)注與認(rèn)知，本文聚焦健康照明的光色質(zhì)量、人的生理節(jié)律反應(yīng)及光生物安全性。在照明產(chǎn)業(yè)集聚及全光譜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)出臺地，通過企業(yè)走訪、樣品收集和應(yīng)用調(diào)研，對數(shù)據(jù)比較分析及評估結(jié)論，并展望全光譜LED在健康照明中的利好前景。
關(guān)鍵詞：健康;照明;全光譜;LED;標(biāo)準(zhǔn);對比
引言
人類的照明經(jīng)歷了長期和復(fù)雜的演變過程，從最初的火把、油燈、人造光源白熾燈和節(jié)能燈，到高效節(jié)能半導(dǎo)體固態(tài)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(shí)現(xiàn)照明。照明技術(shù)發(fā)展史就是人類文明史的一個縮影，光作為人體晝夜節(jié)律系統(tǒng)主要驅(qū)動力之一，無論是自然的太陽光還是人造光源，都會引發(fā)一連串的生理節(jié)律反應(yīng)，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(xiàn)改變了自然光晝夜節(jié)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(jié)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(guān)注光的客觀視覺效應(yīng)的同時，如照度、亮度及相關(guān)色溫等物理參數(shù)，還應(yīng)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(yīng)以及光輻射等問題。因此，倡導(dǎo)“健康照明”提高照明品質(zhì)及舒適性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)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(jīng)過千萬年的進(jìn)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(jīng)在人類進(jìn)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(xué)習(xí)和生活的條件與質(zhì)量，促進(jìn)心理和生理健康及營造舒適的氛圍。相關(guān)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(jìn)維生素D合成的功能，并具有預(yù)防和治療佝僂病和軟骨癥的作用，以及預(yù)防老年人骨質(zhì)疏松、消炎止痛、促進(jìn)局部血液循環(huán)和調(diào)節(jié)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(huán)和人體免疫功能增強(qiáng)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(wù)于人類，已成為醫(yī)學(xué)和光學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員重點(diǎn)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(yīng)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(yīng)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(shù)、相關(guān)色溫、照度、亮度和頻閃等指標(biāo)符合相應(yīng)要求以外，一個極其重要的判定依據(jù)應(yīng)該是其光譜與太陽光光譜的吻合度，因?yàn)榧词乖摦a(chǎn)品的光譜明顯偏離太陽光光譜，其顯色指數(shù)、相關(guān)色溫、照度、亮度和頻閃等技術(shù)指標(biāo)也可以達(dá)到相應(yīng)要求，但明顯偏離太陽光光譜的產(chǎn)品并不是真正意義上的健康照明。隨著照明用LED封裝技術(shù)的發(fā)展，與太陽光光譜類似的全光譜(Full Spectrum)LED技術(shù)已經(jīng)在照明工程中得到推廣與應(yīng)用。
全光譜LED優(yōu)劣勢分析對比
2.1照明效果比較
相關(guān)研究結(jié)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(fā)育階段，色彩逼真度即色彩真實(shí)度的表現(xiàn)，表征各標(biāo)準(zhǔn)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(yè)研究的核心課題之一，隨著技術(shù)的進(jìn)步和難關(guān)的攻克，將全光譜LED的顯色指數(shù)Ra和R9~R15顯色性提升到大于95已成為現(xiàn)實(shí)，特別是色彩飽和度的提升讓人從感官上體現(xiàn)出全光譜LED的色彩還原優(yōu)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(guān)色溫由低到高的全光譜LED照明，下排為普通LED對應(yīng)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。
圖1全光譜LED與普通LED的色彩還原性對比
2.2藍(lán)光危害
針對照明產(chǎn)品的藍(lán)光危害風(fēng)險，一直是照明行業(yè)技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。圖2為“藍(lán)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(lán)光危害風(fēng)險。發(fā)明藍(lán)光LED而獲諾貝爾獎的中村修二認(rèn)為第1代照明用LED產(chǎn)品存在一定的藍(lán)光危害風(fēng)險，嚴(yán)重的甚至可能導(dǎo)致癌癥的誘發(fā)。作為我國照明產(chǎn)品安全要求的國家標(biāo)準(zhǔn)，GB 7000.1《燈具第1部分一般要求與試驗(yàn)》于2015年修訂及發(fā)布，第4章專門增加了關(guān)于光生物危害要求的4.24.2章節(jié)，針對燈具光源按照IEC/TR 62778進(jìn)行評估和分級要求，并針對不同應(yīng)用規(guī)定風(fēng)險等級要求。在照明方案設(shè)計中，技術(shù)人員一般都會根據(jù)照明產(chǎn)品的應(yīng)用需求，選擇及采用磨砂材料作為燈具光源的擴(kuò)散罩，以降低藍(lán)光危害風(fēng)險等級，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求[2]。
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(diào)，其藍(lán)光部分波峰尤為突出，也是形成對人類視網(wǎng)膜損害的主要元兇，LED光譜中的藍(lán)光一直以來受到相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注與研究，基于技術(shù)原因及LED高效節(jié)能成為了人們的關(guān)注焦點(diǎn)，藍(lán)光峰值高也一直函待解決該問題。隨著全光譜LED技術(shù)的出現(xiàn)，從技術(shù)層面修補(bǔ)了普通LED光源在可見光波段光譜比例失調(diào)的缺陷，有效降低了藍(lán)光危害風(fēng)險，并提高了照明應(yīng)用的舒適性。某LED封裝企業(yè)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(fēng)向標(biāo)。
圖3全光譜LED光譜圖
2.3全光譜LED技術(shù)規(guī)范
健康照明是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國家及行業(yè)還沒有出臺健康照明的標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)品更多是商家促銷的噱頭，其質(zhì)量參差不齊導(dǎo)致市場較為混亂。行業(yè)急需具有權(quán)威、協(xié)商一致和標(biāo)準(zhǔn)化的健康照明規(guī)范來引導(dǎo)照明行業(yè)的良性發(fā)展。
深圳市作為LED產(chǎn)業(yè)的聚集地、LED技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要區(qū)域，全光譜照明技術(shù)已經(jīng)在眾多LED封裝企業(yè)批量生產(chǎn)，并得到照明應(yīng)用企業(yè)的推廣使用。為了規(guī)范技術(shù)應(yīng)用和滿足照明行業(yè)的迫切需要，“深圳市LED產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟”組織LED封裝行業(yè)內(nèi)的龍頭企業(yè)歷時2年，率先制定并發(fā)布了室內(nèi)健康照明的系列標(biāo)準(zhǔn)之SZTT/LSA 024.1—2019《室內(nèi)健康照明設(shè)計規(guī)范第1部分：全光譜技術(shù)要求》和SZTT/LSA 024.2—2019《室內(nèi)健康照明設(shè)計規(guī)范第2部分：家居照明》2份團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，該系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，明確了全光譜照明技術(shù)的定義、技術(shù)要求和測試方法等方面的要求，為健康照明技術(shù)的發(fā)展起到了引領(lǐng)作用[3]。
該系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)以國際上已公開發(fā)表的文獻(xiàn)如美國光學(xué)學(xué)會期刊第54期《作為相關(guān)色溫函數(shù)的典型晝光的光譜分布》和國際照明委員會權(quán)威技術(shù)報告CIE218:2016《室內(nèi)健康照明技術(shù)路線圖》等重要研究成果為基礎(chǔ)，解決了推薦的典型日光D40(相關(guān)色溫典型值為4000K)光譜作為關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的參照基準(zhǔn)。全光譜光源就是將自然光的優(yōu)點(diǎn)最大化及人工光源的缺點(diǎn)最小化的典型光譜，其光譜(380～780nm)接近相關(guān)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(jù)SZTT/LSA 024.1—2019團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，作為“深圳市LED產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟”秘書處單位的深圳市計量質(zhì)量檢測研究院光電實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了樣品收集，利用光電實(shí)驗(yàn)室專業(yè)檢測設(shè)備的優(yōu)勢，嚴(yán)格按照該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求對多組樣品進(jìn)行測試，并利用分析軟件對樣品光譜進(jìn)行比較與分析，相關(guān)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(jìn)行比較，其光譜分布對比如圖4所示。
圖4 3種光譜對比
根據(jù)光譜對比可以看出，全光譜LED較普通LED明顯降低了藍(lán)光部分的峰值，并提升了可見光波段的連續(xù)性，尤其是540-780nm波段的連續(xù)性提升尤為明顯。全光譜LED的應(yīng)用，將大幅度地提升新一代LED照明產(chǎn)品的照明光品質(zhì)。針對本次樣品測試結(jié)果表明，模擬太陽光的全光譜應(yīng)用是健康照明的必然趨勢，如何降低全光譜LED光譜中藍(lán)光部分的尖峰值(與D40相比)，從LED封裝技術(shù)層面來講是完全可以實(shí)現(xiàn)的[4]。
光視覺健康是照明應(yīng)用的基本要求，光對生物組織的影響、視覺及非視覺效應(yīng)，以及照明用LED技術(shù)的快速發(fā)展，使得健康照明得到人們更多的青睞與關(guān)注。全光譜LED的持續(xù)優(yōu)化與改善，使得照明產(chǎn)品的藍(lán)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(chǎn)品對人類的健康起到了促進(jìn)作用[5-6]。
與普通LED相比，全光譜LED的優(yōu)點(diǎn)有：①控制藍(lán)光峰值降低對視網(wǎng)膜光敏細(xì)胞的損害風(fēng)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(bǔ)充可見光波段的紫光、青光、綠光和紅光，提高了光譜連續(xù)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(shù)，全光譜LED技術(shù)還存在一定的工藝難度及成本較高的問題。
結(jié)語
從國內(nèi)外照明展會上制造商展示的產(chǎn)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(nèi)健康照明的應(yīng)用，大多數(shù)照明行業(yè)領(lǐng)先的LED制造商都會展示其健康照明的系統(tǒng)解決方案，由此可見全光譜LED已成為健康照明發(fā)展的必然趨勢，結(jié)合本文所述對光源的測試與對比評估結(jié)果，全光譜LED將是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)健康照明的光源首選[6]。特別是針對青少年兒童學(xué)習(xí)的教室照明及學(xué)習(xí)照明，劣質(zhì)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(dǎo)健康照明和提高光的生物安全性，以及研究照明光品質(zhì)和光舒適性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，針對各種場景照明光品質(zhì)要求，有待相關(guān)技術(shù)人員的共同努力來解決存在的一些難點(diǎn)，并加快全光譜LED在教育、家居、醫(yī)院和公共場所等照明領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。
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