健康照明產品的設計方法

董孟迪 孫耀杰 邱婧婧 林燕丹

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

從最初的篝火照明，逐漸發展到油燈、蠟燭等燈光照明;直到1879年之后，人們開始用白熾燈照明，從此進入電光源照明時代［1］，人類對人工光源的追求是一個循序漸進的過程。隨著生活水平的提高，科學技術的發展，人們對照明的要求也逐日提高，在追求功能、經濟方面的要求的同時，要求照明能夠滿足人們在生理、心理上的需求，希望通過照明營造出令人滿意的、幸福的、有利于健康的生活環境［2］。

健康的照明產品需要考慮的因素非常多。首先，健康的照明需要滿足最基本的功能性照明的要求。在不同的應用領域、照明場合，對照明的亮度、顯色能力的要求往往各不相同［3］。

其次，健康的照明需要考慮光生物安全。近年來的光生物學研究表明，光輻射與人類健康息息相關，不管是紫外光、可見光還是紅外光，在適當照射的情況下，都能對人體產生積極的影響。然而，當照射不當時，光輻射會對人體健康帶來潛在性的危害。光輻射對人體的危害，主要是對人體皮膚危害、對人體眼睛前表面 (角膜、結膜、晶狀體)危害、以及對人體視網膜危害三種。人體皮膚受到紫外輻射過度照射后，會形成紅斑或曬焦，紫外光也會直接傷害到皮膚細胞的DNA和細胞內其他的大分子，加速皮膚老化。人體眼睛的前表面在紫外輻射下，會產生光化學反應，致使角膜和結膜發炎，產生光致角膜炎;而在近紫外及長期高劑量的紅外光照射下，晶狀體會受到傷害，形成白內障。對于人眼視網膜，只能接收到300nm－1400nm波段的輻射(眼角膜能抵擋波長短于300nm的光波，晶狀體能抵擋部分300－400nm的光波)，因此，視網膜免受紫外光的傷害。當亮度較高，或照射時間較長時，可見波段的藍光會對人眼造成視網膜光化學損傷，造成光致視網膜炎。此外，可見波段及紅外波段光能量產生的熱量也會致使視網膜細胞變性，造成熱損傷。

健康的照明還需要考慮光的非生物效應。150多年來，科學家始終認為視桿細胞和視錐細胞是人眼唯一的感光細胞。直到2002年，美國Brown大學的Berson等人［4］發現了哺乳動物視網膜的第三類感光細胞，即視網膜特化感光神經節細胞 (ipRGC)。這類感光細胞能夠參與調解人體內許多非視覺生物效應，包括人體生命體征的變化，技術的分泌和興奮程度［5］。同時，ipRGC細胞還會影響人體褪黑激素的分泌，進而影響人們的睡眠質量，調解人體的生理節律。非視覺生物效應函數曲線C(λ)的峰值波長位于464nm，屬于藍光區域，適當地使用藍光成分較多的光源進行照明，可以締造一個減緩疲勞的工作環境［6］。

綜上所述，健康照明產品的設計是一個綜合問題的考慮，要考慮到照明的基本功能、光生物安全、非視覺生物效應等等各種因素。自20世紀90年代初期，高亮度藍光LED面世以來，半導體照明技術在世界范圍內得到了廣泛關注和快速發展。藍光LED配合熒光粉得到的白光LED光源具有發光效率高，使用壽命長，耗電量低，光源體積小，光譜可控性強等優點，已經在背光源、信號指示燈及室內外普通照明領域得到廣泛的應用，并開始向汽車照明、防爆燈具、生物醫療儀器等特殊照明領域滲透。LED的內在特征決定了它是最為理想的光源去替代傳統的光源，高光效、低能耗的特點使其能滿足節能、環保的要求，而在光譜可控性上的優勢，使得LED能夠更好地滿足光生物安全及非視覺生物效應方面的要求。

伴隨著LED照明光源在光效、可靠性、壽命等技術指標上的不斷提升，他的光生物健康——藍光傷害性，一直是學術界及產業界討論的核心話題。本文將基于多種單色光 (RGBA)LED混合產生白光LED的方法，通過理論計算，獲得較為合理的組合邊光LED光譜分布，使其具有較高的一般顯色指數Ra、較高的輻射光效LER以及較低的藍光危害加權輻照度值EB。進而，對一種健康照明產品的設計方法進行介紹。

2 理論依據

2.1 顯色指數

光源的顯色性是指與參照標準相比較，一個光源對于物體顏色外貌所產生的效果。光源的顯色性是衡量光源的視覺質量的重要指標［7］。目前，國際上通用的顯色性評價指標是CIE制定的顯色指數(CRI)，它表示物體在該光源照射下表現的顏色與標準光源照射下所表現顏色的差別程度。CIE規定用普朗克輻射體或標準照明體D作為參照光源，并將其顯色指數定為100。評價時，采用一套14種標準顏色樣品，根據待測光源的光譜、色溫參數計算14種顏色樣品在參照光源和待測光源下的色差△Ei，最后可求得光源的特殊顯色指數Ri及一般顯色指數Ra分別如式 (1)、式 (2)所示:

通常，光源的顯色指數指的是和一般顯色指數。當待測光源的相對光譜功率分布已知時，可根據CIE制定的標準計算方法得到該光源的顯色指數［8，9］。

2.2 光源的光效

光源的光效定義為輸入電功率 (watt)轉化為流明輸出 (lumen)的轉換效率，包括電能轉化為光輻射的效率和光輻射轉化為可見光的效率。前者是光源的輻射效率，也成為外量子效率，其單位為1;后者被稱為光源輻射發光效率 (LER)，其單位為lm/W。光源的輻射發光效率LER可有公式 (3)求得。本文中所指的發光效率皆為輻射發光效率LER。

式中，S(λ)是光源的相對光譜功率分布，V(λ)是明視覺曲線。從公式 (3)可以看出，光源的輻射發光效率只取決于光源的相對光譜功率分布。

2.3 藍光危害

可見光波段中的藍光成分 (400－500nm)可能引起眼睛視網膜的藍光傷害。人類眼睛視網膜上的視桿細胞及視網膜色素上皮細胞 (RPE)受到藍光長時間照射會引起光損傷，由于RPE細胞的死亡而導致感光細胞的丟失，從而出現老年性黃斑變形。

2006年，IEC和CIE共同制定了光生物安全標準［10］，在標準中規定了藍光傷害的評價方法，對光源中藍光傷害的有效輻射量進行了限值。視網膜藍光傷害有效輻射值由光譜輻射亮度與藍光危害函數B(λ)［11，12］加權積分計算得到，B(λ)如圖 1 所示。標準中規定，對于邊角小于0.011弧度的小型光源，眼睛的光譜輻照度Eλ與藍光危害函數 B(λ)加權積分后不應該超出下面的限值:

式中:EB為視網膜位置的藍光危害加權輻照度值;Eλ(λ，t)為光譜輻照度，單位為W·m－2·nm－1;B(λ)為藍光危害加權函數;△λ為波長帶寬，單位為nm;t為輻射持續時間，單位為s。

圖1 視網膜藍光危害加權函數B(λ)Fig.1 Blue－light hazard function，B(λ)

3 模擬程序

在本文的計算中，將用多種單色光LED(RGBA)光譜混合產生白光LED的相對光譜功率分布，進而通過計算機程序計算得到白光光譜偏離合體軌跡的距離△Eab*，輻射發光效率LER，顯色指數Ra及藍光危害有效輻射照度EB。

單色光LED的相對光譜功率分布由公式 (4)及公式 (5)計算得到:

式中，λ0為光譜的峰值波長，△λ0.5為光譜的半高寬。

實際上，這個單色光光譜的數值模型是一個高斯模型，由此模型計算得到的單色LED光譜分布與實際LED的光譜分布基本一致［13，14］。圖2所示為本文計算中所使用的4種單色光LED的相對光譜功率分布。根據上述4種單色LED相對光譜功率分布，可以混合得到白光LED的相對光譜功率分布:

式中，SLED(λ)為白光LED的相對光譜功率分布，SR(λ)，SG(λ)，SB(λ)和 SA(λ)分別為紅光、綠光、藍光和琥珀光4種單色光LED的相對光譜功率分布，pR，pG，pB和pA分別為4種單色光LED的發光比例。

圖2 模擬計算中使用的4種單色光LED的相對光譜功率分布Fig.2 Relative SPDs of four single color LEDs used in the simulation program

對于不同的pR，pG，pB和pA的組合，皆可得到一條組合白光的相對光譜功率分布。本文通過計算機程序，對pR，pG，pB和pA的比例進行優化，得到了一系列目標光譜，這些光譜具有不同的相關色溫 (CCT)，其△Eab* ＜0.0054，顯色指數Ra＞90，并且具有較高的發光效率LER。

對于每一條組合白光的相對光譜功率分布，可計算其藍光危害有效輻射量。在本文中，為了簡化計算，我們做出了三個假設。第一，假定光源的邊角小于0.011弧度，用藍光加權輻照度來衡量藍光危害的有效輻射量。第二，假定照射面為一個1m×1m的平面，且接收到的光通量為1000lm，即照度為1000lx。第三，假定照射面的照度分布均勻，且眼睛位于此平面上。有了這三個假定，眼位的光譜輻照度可以根據光源的相對光譜功率分布計算得到，并可據此計算光源的藍光危害加權輻照度 (W/m2)。

4 結果和討論

表1所示為通過計算機程序優化得到的模擬結果，選取了常用LED光源色溫對應的最佳pR，pG，pB和pA比例組合，其對應的相對光譜功率分布見圖3－圖10。

圖3 2700K相對光譜功率分布Fig.3 Spectral power distribution(2700K)

圖4 3000K相對光譜功率分布Fig.4 Spectral power distribution(3000K)

圖5 3500K相對光譜功率分布Fig.5 Spectral power distribution(3500K)

圖6 4200K相對光譜功率分布Fig.6 Spectral power distribution(4200K)

圖7 4500K相對光譜功率分布Fig.7 Spectral power distribution(4500K)

圖8 5000K相對光譜功率分布Fig.8 Spectral power distribution(5000K)

圖9 5700K相對光譜功率分布Fig.9 Spectral power distribution(5700K)

圖10 6400K相對光譜功率分布Fig.10 Spectral power distribution(6400K)

模擬計算的結果表明，用本文所述的4種單色光LED可以混合得到較為理想的白光LED光譜，具有高顯色性和高輻射光效。在模擬計算時，將特殊顯色指數R9也作為一個條件限制量，這是由于紅－綠通道對顯色能力非常重要［15，16］。可以看到，本文模擬計算得到的混合白光LED的輻射光效LER在300以上 (6400K除外)，其顯色指數Ra皆在97以上，且特殊顯色指數R9也在90以上。

對于代表藍光危害有效輻射量的視網膜位置的藍光危害加權輻照度值EB，其數值隨著相關色溫的升高而不斷增大。尤其，當相關色溫達到6400K時，EB達到0.907W/m2，接近光生物安全標準中規定的1W/m2的限值。

表1 計算機模擬優化結果Table 1 Optimal results from the simulation program

為盡量降低組合白光LED帶來的潛在性藍光危害，我們對計算機模擬計算得到的結果進行進一步優化。通過調節組合白光中藍光成分的含量，降低視網膜位置的藍光危害加權輻照度值EB。進一步優化后的結果如表2所示。

在優化時，只是降低藍光LED的發光比例，其他三種單色光的發光比例保持不變。將表2優化結果與表1的結果進行比較，可以發現，在降低了藍光LED的發光比例之后，組合白光的一般顯色指數Ra及特殊顯色指數R9仍然保持在較高水平，Ra大于95而R9大于94。表2中，組合白光的輻射光效LER較表1有所提高，藍光危害加權輻射照度EB則較表1有所降低，這表明降低藍光的發光比例有利于提高輻射光效LER，降低藍光危害輻射，并且組合白光的顯色指數仍然保持在較高水平。但是，藍光成分的發光比例并不能無條件減少。下面，通過舉例來表明藍光成分并不能無限減少。

表2 降低潛在性藍光危害優化結果Table 2 Optimal results of reducing potential blue light hazard

當4種單色光LED的發光比例為pR:pG:pB:pA=0.505:0.430:0.915:0.451時，組合得到的白光LED的色溫為7500K，輻射光效 LER為280lm/W，一般顯色指數Ra為96.3，特殊顯色指數R9為96.2，藍光危害加權輻射照度 EB為0.978W/m2。

保持單色光中紅光、綠光、琥珀光的發光比例不變，只改變藍光成分的發光比例，我們可以得到一系列藍光發光比例下，組合白光的LER、Ra、EB的變化趨勢，如表3及圖3、圖4所示。

圖3、圖4表明，組合白光的CCT、Ra、LER、EB隨藍光發光比例成線性變化。在紅光、綠光、琥珀光的比例保持在0.505:0.430:0.451的前提下，CCT、Ra、LER與藍光發光比例成單調遞增關系;EB與藍光發光比例成單調遞減關系。但△Eab*需小于0.0054［8，17］的條件限制了藍光發光比例變化的范圍，在本例中，pB只能在0.572－0.915之間變化。并且，隨著藍光成分發光比例的下調，得到的組合白光的相關色溫發生較大的變化，這也是限制藍光發光比例變化范圍的一個因素。

表3 CCT、Ra、LER、EB隨藍光發光比例的變化趨勢Table 3 Variation trend of CCT，Ra，LER and EBwith pB

圖3 CCT、Ra隨藍光成分變化趨勢Fig.3 Variation trend of CCT，RawithpB

圖4 LER、EB隨藍光成分變化趨勢Fig.4 Variation trend of LER and EBwithpB

5 總結

近年來，LED被廣泛應用到各個領域。因LED具有高效節能、光譜靈活可控等特點，是滿足健康照明要求的理想光源。

本文基于RGBA混光產生白光的原理，通過計算機軟件模擬計算，得到了一系列色溫下，具有高顯色性、高輻射光效的白光LED光譜分布。通過調節成分光中藍光成分的發光比例，降低了視網膜藍光危害加權輻照度，從而減少了光源的潛在性藍光危害。在達到減少潛在性藍光危害的同時，調整后的組合白光的顯色指數、輻射光效并沒有降低，是一種較為合理，適用于健康照明的LED光譜分布。

在本文中，基于RGBA混光原理對獲得較為健康的LED光譜分布的方法進行了介紹，但此方法不僅限于RGBA混光的方法，還可以應用到其他LED混光的情況，比如RGBW混光，亦可通過調節組合成分光中藍光的含量來達到降低組合光潛在性藍光危害的目的。

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