兼顧光健康與節能的“LED+白熾燈”照明模式

黃三曉，方文卿，陳太陽，張友銘，楊超普

(1.南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330031；2.南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心，江西 南昌 330047；3.商洛學院 化學工程與現代材料學院，陜西 商洛 726000)

引言

紅外光在醫學領域應用比較廣泛,也是人們最初發現的不可見光之一[1]。研究發現，650 nm的光能抑制兒童和青少年眼軸的異常增長，可達到預防近視的作用[2]；780 nm的光能降低色盲發生率，提高患者視力[3]；670～1 000 nm的光可加速傷口愈合，減輕受損視神經退化[4]。

水過濾的760～1 400 nm波段是進行光生物調節研究常用的長波范圍[5]。水過濾的作用主要是去除紅外光的熱效應，但本文證明了白熾燈產生的紅外光即使在無水過濾的情況下也幾乎不會帶來安全隱患。

本文比較了分別用紅外熒光粉、紅外LED、白熾燈來補充深紅及近紅外光的優劣，綜合考慮，發現白熾燈更具優勢。目前，中國燈具行業仍存在差異性不足、技術創新路線缺失等老問題[6]。白光LED+直流白熾燈的照明方式比較新穎，對健康照明有一定的指導意義。

1 三種補光方式的優選

1.1 不同光源光譜比較

用積分球(SPEC-2000A)測得電腦白屏、手機白屏、LED燈、白熾燈的光譜，乘以明視覺視覺函數可得到相同亮度(即相同光譜面積)的光譜分布，如圖1中插圖所示，然后乘以人眼透射率，可得到它們在視網膜上的光譜分布，如圖1所示。

圖1 相同亮度不同光源在視網膜上的光譜分布(插圖為入眼前相同亮度不同光源光譜分布)Fig.1 Spectral distribution of different light sources with the same brightness on the retina (The inset shows the spectraldistribution of different light sources with the same brightness before entering the eye)

從圖1中可以看出，電腦白屏、手機白屏、LED燈的光譜連續性差，且存在光強較大的藍光峰，相比白熾燈而言，缺少了大量的可到達視網膜上的深紅和近紅外光。

本文中視網膜上深紅及近紅外光含量(簡記為Rr)，指的是視網膜上750～1 400 nm的光在整個可到達視網膜上的光譜范圍380～1 400 nm波段的面積占比，可用式(1)計算得到：

(1)

Ψ(λ)為視網膜上的光譜分布。

以2 700 K白熾燈Rr為100%為參照。上述四種光源的視網膜上深紅及近紅外光含量Rr如表1所示。

表1 照明、顯示光源到視網膜上的深紅及近紅外光含量比較Table 1 Comparison of deep red and near-infrared light contents of illuminating and displaying light sources reaching the retina

電腦白屏、手機白屏含有的深紅及近紅外光極少，Rr分別為0.1%和0.2%，幾乎不含深紅光和近紅外光，LED燈Rr為0.8%，含有的深紅和近紅外光也極少，但白熾燈卻含有大量的深紅和近紅外光，這些光對人的身心健康有重要的作用。

有相關研究表明，近紅外光也會對眼睛造成傷害，玻璃工人受長時間高功率密度(2 000 J/cm2/day)的近紅外光輻射會增加得白內障的風險[7]。但白熾燈發出的光中，近紅外光的光功率密度極低，僅為0.5 J/cm2/day(設40 W白熾燈下，2 m遠看白紙書3 h)，因此幾乎不會增加得白內障的風險。

1.2 白熾燈的再認識

白熾燈有壽命短、光效低、有頻閃等缺點，且其燈絲制造還需消耗寶貴的鎢資源。正因為這些缺點，使其早早退出歷史舞臺，但是在光健康至尚的當代，若對白熾燈進行合理利用和改造，有望逆轉人們對白熾燈的刻板印象。

(1)鎢資源消耗：可用碳絲取代鎢絲，減少鎢資源消耗；世界上最長壽命的碳絲白熾燈，已連續亮了109年[8]，至今還在工作。

(2)壽命：2 700 K的白熾燈額定壽命只有1 000 h，與LED燈壽命50 000 h以上不匹配，這顯然是“LED+白熾燈”這種組燈模式的致命缺點。延長白熾燈壽命的主要途徑有兩條：一是直流工作；二是降低色溫。直流供電可避免燈絲熱脹冷縮導致的機械疲勞，從而提高燈絲壽命；降低色溫，白熾燈壽命有望指數上升，有文獻報道，當白熾燈實際工作電壓為額定電壓(220 V)的70%時(即154 V)，其壽命可延長100倍[9]；我們測得，2 700 K白熾燈工作電壓為額定電壓的70%時，相應色溫只有2 490 K。設色溫和白熾燈壽命對應的函數關系如式(2)：

(2)

t為壽命，T為色溫，C、α為待定系數，可根據2 700 K@1 000 h及2 490 K@100 000 h兩對值求得。于是，由此式可粗略估算幾個典型值：2 800 K@140 h；2 600 K@8 100 h；2 500 K@78 000 h。由此可見，2 500 K直流白熾燈壽命能夠和白光LED壽命相匹配。

(3)光效：白熾燈可見光光效一般在15 lm/W左右，其大部分電能轉化成對發光貢獻極小的深紅及近紅外光，而健康照明正需要深紅及近紅外光，因此，當對光的需求從可見光轉變成深紅和近紅外光時，白熾燈的光效將大大提高。

(4)電耗：40 W白熾燈(對白熾燈的照明亮度無要求，可用較小功率白熾燈)每天亮3個小時的電費才8分錢，因此，當補充深紅及近紅外光得到照明界的普遍認可時，白熾燈耗能費電也將成為一個偽命題。

(5)頻閃：前面提到，直流供電不僅可望提高白熾燈壽命，帶來的另一好處是無頻閃。

1.3 電光轉換效率比較

用LED激發深紅和近紅外熒光粉可以補充深紅及近紅外光，用電光轉換效率為70%的紫光LED激發750～1 400 nm的深紅及近紅外熒光粉，最高效的假設每個光子都能被熒光粉有效吸收。其電光轉換效率計算公式如式(3)：

(3)

λR為750～1 400 nm的熒光粉波長。深紅及近紅外熒光粉波長和電光效率的關系如圖2所示。

圖2 深紅及近紅外熒光粉波長和電光轉換效率的關系Fig.2 Relationship between the wavelength of deep red and near infrared phosphor and electro-optical conversion efficiency

以圖2陰影部分質心所對應波長為750～1 400 nm熒光粉的平均波長，計算得質心波長為1 041.4 nm,從而可得該波段熒光粉的電光轉換效率為27.2%。白熾燈的深紅及近紅外光的電光轉換效率ηB可用黑體輻射光譜750～1 400 nm波段面積除以總的電功率對應的光譜面積來表示，且不計一切熱損耗，其計算結果如表2所示。

表2 不同色溫白熾燈深紅及近紅外光的電光轉換效率Table 2 Electro-optical conversion efficiency of deep red and near-infrared light of incandescent lamps at different color temperatures

從表2中可以看出，白熾燈色溫越高，深紅及近紅外光的電光轉換效率越高，與熒光粉27.2%的電光轉換效率相比，白熾燈具有非常明顯的優勢。

1.4 補深紅及近紅外光方式比較

深紅及近紅外LED、深紅及近紅外熒光粉、白熾燈都能彌補當前照明光源缺乏深紅及近紅外光的缺陷，可以從它們合成光的光譜連續性、合成光的復雜性及資源節約等方面加以比較，從而選出最優的補光方案。

用多種不同波長的深紅及近紅外LED可拼湊成連續的深紅及近紅外光，但其材料體系較為復雜(如，制造短于660 nm的紅光LED涉及AlGaInP體系；700～850 nm涉及AlGaAs體系；900～1 000 nm涉及InGaAs體系等)。且單色LED半峰寬一般小于50 nm，因此，初步計算欲合成750～1 400 nm的連續的深紅及近紅外光至少需要13種不同波長的發光二極管拼湊而成。電路控制復雜，且易造成白光顏色的漂移，系統的可維護性也下降[10]。

深紅和近紅外熒光粉的合成也同樣涉及多元體系，不能做到資源節約，還存在熒光粉熱穩定性差，發光易隨時間而改變等問題。深紅及近紅外熒光粉相對近紅外LED而言，半峰寬更寬，因此，其合成連續的深紅及近紅外光相對簡單。但與紅外LED和紅外熒光粉相比，用白熾燈補充深紅及近紅外光具有更易實現、操作簡單、資源節約、光譜連續等特點，具體比較如表3所示。

表3 三種補光方法的綜合比較Table 3 Comprehensive comparison of three light supplementation methods

2 模擬光譜合成及計算

2.1 模擬光譜合成

用紫光LED(峰值波長λ1:405 nm，半峰寬ω1:17 nm)激發綠(λ3:529 nm，ω3:108 nm)、黃綠(λ4:567 nm，ω4:96 nm)、紅(λ5:648 nm，ω5:96.2 nm)三色熒光粉，由于藍色熒光粉被激發效率較低，因此用藍光LED(λ2:450 nm，ω2:18 nm)代替藍色熒光粉，上述5種光譜可用Gauss分布函數表示，其為白光LED的組成光譜。

白熾燈光譜用壽命和LED壽命相匹配的2 500 K黑體輻射光譜代替，且規定其光譜面積為一個單位面積(作參照)。模擬的目標光譜為3 100 K、3 200 K、3 300 K、3 400 K的黑體輻射光譜，且控制其光譜面積分別為1.5、2.0、2.5、3.0倍單位面積(不同光譜面積代表不同的電功率)。其合成光譜光功率分布函數P(λ)的計算公式如式(4)：

(4)

A1-A5為擬合系數，其大小對應各種光的光強占比，h為普朗克常量，c為光速，k為玻爾茲曼常數，T為白熾燈色溫。

用LED+2 500 K白熾燈模擬3 200 K不同功率的黑體輻射光譜為例，模擬情況如圖3所示。

圖3 白熾燈及白光LED光譜模擬3 200 K黑體輻射光譜Fig.3 The spectra of incandescent lamp and white LED were simulated with 3 200 K black body radiation spectra

每種模擬情況都控制2 500 K白熾燈電功率相等，即其對應光譜面積不變。合成光譜380～650 nm波段和目標黑體輻射光譜擬合較好；重合部分大致為750～1 400 nm波段，主要為2 500 K白熾燈光譜，因為每種模擬情況下，白熾燈的面積都固定不變，即白熾燈的電功率都相同。

雖然重合部分和目標光譜模擬情況較差，但是卻能達到為白光LED光源補充連續的深紅及近紅外光的目的。白光LED+直流白熾燈的大體示意圖如圖4所示。

圖4 組燈方式簡單示意圖Fig.4 Simple schematic diagram of joint lamp mode

2.2 相關參數計算

可用發光效率η、視網膜上深紅及近紅外光含量Rr來衡量合成光譜的好壞，合成光譜發光效率計算公式如式(5)：

(5)

SL為白光LED光譜面積，因為LED激發熒光粉整個過程的電光轉換效率為70%，因此可用(SL/70%)表征LED電功率，SB為白熾燈光譜面積，可用于表征白熾燈的電功率，其計算結果如表4所示。

表4 不同合成光源發光效率和深紅及近紅外光含量比較Table 4 Comparison of luminous efficiency and content of deep red and near infrared light of different synthetic light sources

從表4可以看出，合成光源發光效率隨目標光譜面積和色溫的增大而增大，與此相反，視網膜上深紅及近紅外光含量隨目標光譜面積和色溫的增大而減小，可見發光效率和視網膜上深紅及近紅外光含量難以協同變化。

太陽光譜一直以來被人們視作最好的光譜，計算得出標準太陽光譜(AM1.5)經人眼透射到視網膜上的深紅及近紅外光含量Rr為54.1%。以太陽光中Rr為標準，由表4可知，有兩組模擬情況和太陽光譜的Rr比較接近，一組為目標光譜為3 100 K，3.0倍發光面積的黑體輻射光譜，此時合成光源對應的Rr為54.7%，光效η為53.5 lm/W；另一組為模擬目標光譜為3 300 K，2.5倍發光面積的黑體輻射光譜，此時合成光源對應的Rr為53.3%，η為56.2 lm/W。

3 白熾燈對光品質改善驗證

為實際驗證白熾燈對白光LED光源的改善能力，用積分球(SPEC-2000A)測量了藍光激發的LED、紫光激發的LED分別加2 500 K直流白熾燈前后合成光譜(圖5)及相關參數(表5)的變化情況。從圖5可以直觀的看出，加白熾燈后，合成光源的光譜范圍更廣。其中LED主要負責照明功能，白熾燈主要補充750～1 400 nm的深紅及近紅外光，熱光源白熾燈和冷光源LED的組合，使得新的合成光源不僅能滿足人們照明照亮的需要，還能滿足人們對光健康的要求。

圖5 LED加2 500 K直流白熾燈前后光譜比較Fig.5 Before and after spectrum comparison of LED and 2 500 K DC incandescent lamp

由表5可知，藍光激發的LED加白熾燈前后視網膜上深紅和近紅外光含量Rr由1.7%增加到58.6%；色溫由5 150 K下降到4 835 K；紫光激發的LED加白熾燈后Rr由3.2%增加到47.7%，色溫由2 830 K下降到2 806 K；且兩種情況的顯色指數Ra和特殊顯色指數R9也都有所提高。雖然加白熾燈后兩種不同光引擎的LED光源的發光效率都有一定的損失，但其他相關性能都得到了比較好的優化。

表5 不同LED加2 500 K白熾燈前后相關參數比較Table 5 Comparison of related parameters of different LEDs before and after plus 2 500 K incandescent lamp

4 結論

電腦白屏、手機白屏、LED燈光譜連續性差，到達視網膜上深紅及近紅外光含量Rr分別為0.1%、0.2%、0.8%，與白熾燈Rr為100%相比缺少了大量的深紅及近紅外光。直流供電的2 500 K白熾燈不但無頻閃，而且壽命可達78 000 h，與白光LED壽命相匹配，其深紅及近紅外光的電光轉換效率高達40%，比紅外熒光粉的電光轉換效率高出12.8%，是最簡單、最理想的補深紅及近紅外光的光源。

根據標準太陽光譜的Rr為54.1%，可知白光LED+2 500 K白熾燈最理想的模擬情況有兩種：一種為模擬目標光譜為3 100 K，3.0倍發光面積的黑體輻射光譜；另一種為模擬目標光譜為3 300 K，2.5倍發光面積的黑體輻射光譜。

最后通過實驗驗證了2 500 K白熾燈對LED光源的光品質有一定的改善能力，在可見光發光效率損失不到一半的情況下都補充了大量的深紅及近紅外光。

白光LED+直流白熾燈是當前改善LED光源光品質的一種簡單、直接、高效的組燈方法，這種合成光源對部分疾病的治療和預防有重要作用，其將有望在光健康領域占有一席之地。