白光LED在室內(nèi)的應(yīng)用
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現(xiàn)在大街上隨處可見(jiàn)的LED顯示屏,還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈,處處可見(jiàn)LED燈的身影,LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。隨著LED技術(shù)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(biāo)不斷取得新的突破,人們對(duì)LED應(yīng)用于照明充滿了期待。
將白光LED應(yīng)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(guò)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(shì)喜人,但要生產(chǎn)出真正符合照明要求的市場(chǎng)化產(chǎn)品仍需一定的時(shí)間,這是LED研發(fā)人員、生產(chǎn)商和使用者都無(wú)法回避的事實(shí)。本文從照明的人體功效學(xué)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(biāo)之間的差異,對(duì)促進(jìn)LED在室內(nèi)照明的應(yīng)用進(jìn)程提出了一些建議。
1、照明的人體功效學(xué)
人體功效學(xué)也叫人類功效學(xué)或人體工程學(xué),以“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)為研究對(duì)象,運(yùn)用實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析等方法,研究“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)中三大要素之間的關(guān)系,以解決系統(tǒng)中人的效能、健康問(wèn)題。也就是說(shuō),人體功效學(xué)的研究致力于設(shè)計(jì)和*價(jià)人的需要、人的能力、人的極限,以及如何與各項(xiàng)任務(wù)、工作、產(chǎn)品、環(huán)境和系統(tǒng)協(xié)調(diào)。照明的人體工效學(xué),就是研究光環(huán)境的設(shè)計(jì)如何滿足人的需要,使人們更快、更好地完成各項(xiàng)視覺(jué)作業(yè)或盡量滿足舒適健康的需求。
照明光環(huán)境應(yīng)該充分考慮滿足人們視覺(jué)功能的需要,使人們能在一個(gè)合適的視覺(jué)環(huán)境中正常地開(kāi)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(xiàng)研究表明,光還能通過(guò)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(xué)的良好的光環(huán)境應(yīng)該從人的視覺(jué)、心理和生理的需要出發(fā),綜合考慮多項(xiàng)因素,否則就會(huì)對(duì)人們的工作效率、心理或生理健康造成不良影響。
2、白光LED的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1光效
LED自上世紀(jì)60年代誕生以來(lái),以每10年亮度提高30倍,價(jià)格下降10倍的“海茲定律”般的速度發(fā)展。據(jù)報(bào)道,目前白光LED光效的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過(guò)100lm/W,而進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域的大功率白光LED也達(dá)到40lm/W。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破,未來(lái)大功率LED的光效仍具有很大的上升空間,最高有可能達(dá)到150~200lm/W。
2.2光通量
隨著大功率LED的面世和封裝、散熱等關(guān)鍵技術(shù)的突破,5WLED的商業(yè)化進(jìn)程已初具規(guī)模,這使LED模塊的光通量得到很大提高。來(lái)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(jìn)程又向前邁進(jìn)了一大步。
2.3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(guān)。1996年日亞公司首先采用InGaN藍(lán)光芯片加YAG(釔鋁石榴石)$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。采用藍(lán)光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡(jiǎn)單,技術(shù)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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)化率較低,通常會(huì)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(shù)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(shù)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(duì)電路設(shè)計(jì)的要求較高,目前技術(shù)還不成熟,模塊間色溫差異較大。
3、考慮人體功效學(xué)對(duì)白光LED照明的要求
如前面所述,考慮照明的人體功效學(xué)應(yīng)考慮人們對(duì)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(shí)間停留的環(huán)境,因此人們對(duì)室內(nèi)照明環(huán)境的需求就越來(lái)越高。能否達(dá)到這些要求,是LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源進(jìn)行室內(nèi)照明的關(guān)鍵。
3.1視覺(jué)功能的需求
為了滿足人們的視覺(jué)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(gè)小閱覽室為例,假設(shè)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(yīng)用目前市場(chǎng)上200lm的大功率顆粒也需要100~150顆粒的LED才能夠達(dá)到這樣的照度要求。
由于目前較好的市場(chǎng)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(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。此外,LED燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的不成熟使目前LED燈具的配光分布不夠穩(wěn)定,要達(dá)到一定的照度均勻度也需要很高的成本。但對(duì)于小面積的重點(diǎn)照明,用少量能耗的LED可以滿足視覺(jué)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(dòng)的需要。
3.2心理的需要
在正常的室內(nèi)工作或活動(dòng),人們不但要求得到視覺(jué)功能的滿足,同時(shí)也需要一定的視覺(jué)舒適度,這是人們對(duì)照明光環(huán)境的心理需要,也就要求視場(chǎng)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(chǎng)的眩光方面,對(duì)白光LED既是優(yōu)勢(shì)又是挑戰(zhàn)。由于LED較小的發(fā)光點(diǎn)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(qiáng)較為集中,最大光強(qiáng)分布處若處理不當(dāng)則容易對(duì)觀測(cè)者造成眩光。研究表明,不舒適眩光不但會(huì)引起工作效率的下降,同時(shí)也會(huì)造成視覺(jué)疲勞和頭痛等不良反應(yīng)。
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(huì)影響視場(chǎng)整體的舒適和美觀。若選用藍(lán)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(yīng),圖1所示是照度與色溫對(duì)應(yīng)的舒適區(qū)域。因此,較高的色溫也會(huì)影響白光LED在室內(nèi)照明中的應(yīng)用,因?yàn)樗笙鄳?yīng)高的照度,才能使人感覺(jué)舒適。 另一方面,LED靈活的外形尺寸使LED燈具在設(shè)計(jì)上具有很大的空間,可以充分滿足裝飾性的要求。
3.3生理的需要
室內(nèi)照明中人們對(duì)生理上的需要主要表現(xiàn)為健康的需要。除了長(zhǎng)期的紫外光照射會(huì)對(duì)皮膚造成不良影響以外,光影響健康的另外兩個(gè)途徑常常被人們所忽略,一個(gè)是光通過(guò)視覺(jué)影響健康,另一個(gè)是光通過(guò)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(gè)效應(yīng)就是視網(wǎng)膜的藍(lán)光危害效應(yīng)及光通過(guò)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(duì)角膜會(huì)造成傷害。而藍(lán)光由于其波長(zhǎng)比紫外光長(zhǎng),可以透過(guò)眼底到達(dá)視網(wǎng)膜;而其單位能量在可見(jiàn)光范圍內(nèi)最強(qiáng),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(dāng)褪黑激素分泌失常時(shí)容易引起人體生理節(jié)律的混亂,嚴(yán)重時(shí)引起癌癥或其他病變。
在400~500nm的區(qū)域內(nèi),這種白光LED的能量分布具有一個(gè)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(lán)光區(qū)域峰值與藍(lán)光視網(wǎng)膜危害的光譜敏感度曲線及影響生理節(jié)律系統(tǒng)的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)光的敏感度曲線有較多的重疊區(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(yīng)則可以忽略。
4、促進(jìn)白光LED在室內(nèi)照明的應(yīng)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(shì)頭不斷更新已經(jīng)取得的成就。但是,在考慮到人體功效學(xué)方面,對(duì)于締造一個(gè)符合人居需要的照明環(huán)境,LED顯然還有很長(zhǎng)的路要走。為了促進(jìn)LED更多、更合理地應(yīng)用于室內(nèi)照明中,以下的幾個(gè)方面是LED設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和應(yīng)用者應(yīng)該共同關(guān)注的。
4.1重視合理的照明設(shè)計(jì)
就視覺(jué)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(shè)計(jì)是將LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的關(guān)鍵。例如,可以利用LED進(jìn)行局部重點(diǎn)照明,或利用LED便于控制這一特性進(jìn)行輔助照明和調(diào)光設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)結(jié)合視覺(jué)功能、心理和生理的需要,揚(yáng)長(zhǎng)避短,締造健康、舒適的光環(huán)境。
4.2重視LED上、中游與下游的緊密聯(lián)系
毫無(wú)疑問(wèn),LED上中游對(duì)LED技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起了關(guān)鍵性的作用,但下游的應(yīng)用和需求同時(shí)也為L(zhǎng)ED上中游起到引領(lǐng)的作用。科研工作者、工程師和設(shè)計(jì)師應(yīng)該加強(qiáng)聯(lián)系,使LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加合理和人性化。
4.3加強(qiáng)LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)
LED照明應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù),通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì),能優(yōu)化LED的配光分布,在避免眩光的同時(shí)使LED射出的光線更加合理,達(dá)到照明的要求。
4.4制定LED室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)
目前我國(guó)有關(guān)檢測(cè)部門已經(jīng)著手開(kāi)展對(duì)照明LED測(cè)試方法的研究,包括檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作。全國(guó)照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)將照明LED的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)列入標(biāo)準(zhǔn)工作計(jì)劃,希望通過(guò)照明LED標(biāo)準(zhǔn)的制定,促進(jìn)LED技術(shù)的發(fā)展和在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)于LED室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)重點(diǎn)解決LED的光學(xué)特性,即光通量、光分布、亮度、光譜分布、色度坐標(biāo)、色差、顯色指數(shù)、光衰等指標(biāo)。
此外,電器附件的特性、機(jī)械特性、溫度特性和器具安全特性等也應(yīng)列入考慮的范圍。雖然LED在生活中處處可見(jiàn),但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備,這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。