LED藍光危害:檢測合格即安全?

饒 豐 胡春香 楊 武

(1.常州工學院光電工程學院，江蘇常州 213002;2.江蘇省丹陽高級中學，江蘇丹陽 2123000;3.杭州創惠儀器有限公司，浙江杭州 310015)

1 引言

發光二極管 (Light Emitting Diode，LED)具有重量輕、體積小、能耗低、響應速度快、抗震性能好、節能環保等優越的性能，是最有潛力的下一代光源［1，2］。隨著LED技術的不斷進步，LED光效和功率不斷增大，亮度也不斷提高。過去LED出射光不會對人體造成危害的時代已經一去不復返［3］，因此，研究LED產品的光生物安全性，具有重要的意義。

2002年國際照明學會出版了 CIE S009/E:2002，規定了燈和燈系統生物安全六大測試項目及其安全限值。2006年，國際電工委員會等同采用該標準，出版了IEC62471:2006。由于lEC在安全方面的巨大影響，燈具光生物安全迅速得到人們的重視。2008年，M.Paul等研究了LED光生物安全測量時遇到的問題和解決方法［4］。2010 年，K.C.Smith研究了激光和LED光生物安全的區別［5］。2011年，P.N.Youssef等分析了光對視網膜的危害的原理和人眼的自我保護機制［6］。2012年，P.P.Zak和M.A.Ostrovsky研究發現LED照明對兒童和青少年的潛在危害比成人更大［7］，A.V.Aladov、A.L.Zakgeim和 M.N.Mizerov研究了色溫從1800K到18000K的LED燈具的藍光危害，發現在同樣照度下，色溫越高，藍光危害越大［8］。同年，我國的陳慧挺等對大功率LED路燈的光生物安全性進行了測量［9］，發現藍光危害是最主要的危害因素。然而，這些研究均是針對規定溫度，規定的老化時間和額定電流下光生物安全進行研究。在實際使用過程中，LED的光生物安全性隨環境溫度、隨點燈時間和驅動電流變化，而目前鮮有LED光生物安全隨點燈條件變化的分析和實驗。

本文選擇LED光生物安全最主要的因素——藍光危害為研究對象，選擇功率為1W、光電性能較均一的大功率白色LED30余只為研究樣本，運用LED光色電綜合分析儀，測量環境溫度25℃時電流從30mA到400mA時的光譜，額定電流時，環境溫度從20℃到70℃時的光譜，以及12周內每老化一周的光譜，然后計算藍光相對加權輻射亮度和單位光通量內藍光相對加權輻射亮度，得到這兩個參數隨電流、溫度和點燈時間的變化規律，并分析導致變化的原因。因此，實際LED照明安全性需要考慮點燈條件。

2 實驗

選擇Philips公司同型號1W熒光粉轉換型白色LED50余只，標稱色溫5500K，標稱光通量85lm。然后，測量LED實際的光通量和色溫，剔除實測值與標稱值差異較大的LED，最后得到30余只LED，作為研究樣本。

本研究的實驗裝置是LED光色電綜合測試系統，其結構如圖1所示，數控高精度恒流電源給待測LED供電，積分球和光譜計能夠快速測量待測LED的光通量和光譜分布，通過電腦處理，可以得到待測LED的色坐標，恒溫夾具給LED提供穩定的基底溫度。

圖1 光色電綜合分析系統結構示意圖Fig.1 Light，color，electricity comprehensive analysis system

不同驅動電流下，LED光譜測量時，保持基底溫度為25±1℃，驅動電流從30mA開始，每10mA測量一次，一直測到400mA。

不同環境溫度下，LED光譜測試時，采用350mA驅動電流，基底溫度從20℃上升至70℃，每隔10℃測量一次光譜.

LED老化實驗過程中，保持環境溫度25±1℃，LED的驅動電流400mA，誤差3%。分別測量12周內，每老化1周后的LED光譜，測試時，基底溫度為25±0.1℃，驅動電流為350mA。

為了測量準確，每次測量前穩定10分鐘。

3 數據處理

對于調光型LED燈具，一般是通過調節驅動電流的大小，來改變光輸出的;對于非調LED燈具，一般采用恒流驅動，輸出與溫度、點燈時間變化而變化，因此，本文選擇藍光加權輻射亮度 (Lb)為研究對象。另外，IEC62471:2006要求測量最佳照度面上的藍光危害［10］，此時，進入人眼的光通量大小相似，因此，本文還研究了單位光通量內的藍光加權輻射亮度 (Lb/Ф)。

標準IEC62471:2006規定:對于對邊角大于0.011弧度的光源，其藍光加權輻射亮度L計算公式為:

式中，Lλ(λ，t)是LED的光譜輻射亮度，B(λ)是藍光危害加權函數，由標準給出。為了研究的方便，我們選擇1只LED(編號1)為參考對象，并忽略在測量時間 (約20分鐘)內，LED光譜的變化，則其他LED的相對藍光相對加權輻射亮度Lb:

式中:S(λ，t)為LED的光譜，S1(λ，t)為參考LED的光譜，將不同條件的光譜代入，即可得到Lb及Lb/Ф隨隨驅動電流、環境溫度和點燈時間的變化規律。

4 結果

圖2 Lb，Lb/Ф隨電流的變化曲線Fig.2 Lb，Lb/Ф variation with current

圖2(A)是在不同的驅動電流下，5只LED的Lb隨電流的變化曲線，可見:隨著驅動電流的增加，Lb幾乎線性不斷增加。由于LED結構不同，5只LED的曲線存在差異，這種差異隨著電流的增大而增大。圖2(B)是驅動電流從30mA到380mA時，5只LED的Lb/Ф隨電流的變化曲線，可見，隨著電流的增加，Lb/Ф也不斷增加，不同LED的變化規律基本相同，變化幅度均約8%。

圖3 Lb，Lb/Ф隨點燈時間的變化曲線Fig.3 Lb，Lb/Ф variation with lighting time

圖3(A)是30只LED的Lb隨點燈時間的變化關系，可見:在前5周內，隨著點燈時間的增加，Lb指數變小;5周后，LED的性能基本穩定，Lb也基本穩定。圖3(B)是隨點燈時間的變化曲線，可見，在相同的點燈時間內，不同LED的Lb/Ф大小不同，這是由于不同LED結構不同，熱阻也不同造成的。但是，對于同一LED，Lb/Ф隨點燈時間增加而增大，變化規律一致，12周內變化的幅度約為10%。

圖4 Lb，Lb/Ф隨環境溫度的變化曲線Fig.4 Lb，Lb/Ф variation with ambient temperature

圖4(A)是10只LED的Lb隨溫度的變化曲線，可見，隨著溫度的增加，Lb線性減小，20℃到70℃內，減小了6%左右。圖4(B)是Lb/Ф隨溫度變化曲線，可見，隨著溫度的增加，相同的光通量內下，LED的藍光危害隨著環境溫度的增加而增加，但幅度較小，約2%。

5 討論

圖5 藍光危害加權系數和白色LED光譜Fig.5 Blue light hazard and W－LED Spectrum

圖5為藍光危害加權系數 (實線)和熒光粉轉換型白色LED的歸一化光譜 (虛線)，可見，藍光輻射峰與藍光危害加權系數吻合，對于熒光粉轉換型白色LED，藍光加權輻射亮度主要由藍光芯片的輻射峰決定。

圖6(A)、(B)和 (C)是輻射功率隨點燈條件的變化曲線，可見:Lb芯片輻射功率隨條件的變化曲線與藍光危害的變化曲線高度相關。LED藍光輻射加權亮度大小主要由芯片的輻射功率決定。

圖6 (A)輻射功率隨驅動電流的變化，(B)輻射功率隨點燈時間的變化，(C)輻射功率隨環境溫度的變化Fig.6 (A)Power variation with current，(B)Power variation with lighting time，(C)Power variation with ambient temperature

Lb/Ф隨歸一化藍光芯片輻射譜的變化而變化。如圖7所示，當驅動電路增大時，光譜藍移，半高全寬的變化僅2nm，因此，Lb/Ф不斷增大。如圖8所示，隨著點燈時間的增加，峰值波長和半高寬雖然變化不明顯，但熒光粉發的光相對減少，LED光譜中藍光相對增多，Lb/Ф也就不斷增大。如圖9所示，而隨著溫度的增加，藍光峰值波長略紅移，但光譜半高全寬略變大，因此Lb/Ф僅略變大2%。

圖7 不同驅動電流下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅動電流的變化曲線。Fig.7 Variation curve with different current

圖8 不同點燈時間下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅動電流的變化曲線。Fig.8 Variation curve with different lighting time

圖9 不同溫度下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅動電流的變化曲線。Fig.9 Variation curve with different temperature

6 結論

本文實測不同點燈條件下同一批LED樣品的光譜，計算其相對藍光加權輻射亮度Lb和相對單位光通量內的藍光加權加權輻射亮度Lb/Ф，發現Lb隨驅動電流的增加線性增大，隨環境溫度和點燈時間的增加減小;Lb/Ф隨驅動電流、環境溫度和隨點燈時間的增加而增大。最后分析了Lb和Lb/Ф的變化原因。

LED光生物安全性是目前半導體照明領域的熱點問題，研究LED藍光危害隨點燈條件的變化規律，有利于測算實際照明條件下的藍光危害，有利于LED健康照明，有利于LED標準的修訂。

［1］Steranka F.M.，Bhat，J.，Collins，D.et al.High Power LEDs－Technology Status and Market Applications［J］.Phys.Stat.Sol.，2002，194(2):380－388.

［2］毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應用技術［M］.北京:郵電出版社，2008.

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［4］P.Miller，T.Goodman.MeasurementforLED performance and safety［J］.J.light ＆ Vis.Env.2008，33(2):156－160.

［5］K.C.Smith.Laser and LED photobiology［J］.Laser therapy，2010，19(2):72－78.

［6］P.N.Youssef.Retinal light toxicity［J］.Eye，2011，25(1)，1－14.

［7］P.P.Zak，M.A.Ostrovsky.Potential Danger of Light Emitting Diode Illumination to the Eye，in Children and Teenagers［J］.Light ＆ Engneering，2012，20(3):1－5.

［8］A.V.Aladov，A.L.Zakgeim，M.N.Mizerov，et al.Concerning Biological Equivalent of Radiation of Light－Emitting Diode and Lamp Light Sources with Correlated Colour Temperature of 1800K－10000K .Light ＆ Engneering，2012，20(3):6－9.

［9］陳慧挺，蔡喆，吳曉晨，等.大功率LED路燈的光生物安全測試與分析［J］.照明工程學報，2011，22(6):87～90，96.

［10］國家質檢總局、國家標委會.GB/T 20145－－2006燈和燈系統的光生物安全性［S］.北京:中國標準化出版社，2006，3.