白光led光源的研究

白光led光源的研究

1其他光生物安全隨著第一個照明設(shè)備的發(fā)展，它逐漸發(fā)展為照明設(shè)備如汽油和蠟燭。1879年后，人們開始用綠燈照明。從那時起，人們逐漸利用了照明設(shè)備。隨著生活水平的提高,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對照明的要求也逐日提高,在追求功能、經(jīng)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(huán)境。健康的照明產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域、照明場合,對照明的亮度、顯色能力的要求往往各不相同。其次,健康的照明需要考慮光生物安全。近年來的光生物學(xué)研究表明,光輻射與人類健康息息相關(guān),不管是紫外光、可見光還是紅外光,在適當(dāng)照射的情況下,都能對人體產(chǎn)生積極的影響。然而,當(dāng)照射不當(dāng)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(jié)膜、晶狀體)危害、以及對人體視網(wǎng)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(xì)胞的DNA和細(xì)胞內(nèi)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(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng),致使角膜和結(jié)膜發(fā)炎,產(chǎn)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(nèi)障。對于人眼視網(wǎng)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(wǎng)膜免受紫外光的傷害。當(dāng)亮度較高,或照射時間較長時,可見波段的藍(lán)光會對人眼造成視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷,造成光致視網(wǎng)膜炎。此外,可見波段及紅外波段光能量產(chǎn)生的熱量也會致使視網(wǎng)膜細(xì)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(yīng)。150多年來,科學(xué)家始終認(rèn)為視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞是人眼唯一的感光細(xì)胞。直到2002年,美國Brown大學(xué)的Berson等人發(fā)現(xiàn)了哺乳動物視網(wǎng)膜的第三類感光細(xì)胞,即視網(wǎng)膜特化感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)。這類感光細(xì)胞能夠參與調(diào)解人體內(nèi)許多非視覺生物效應(yīng),包括人體生命體征的變化,技術(shù)的分泌和興奮程度。同時,ipRGC細(xì)胞還會影響人體褪黑激素的分泌,進而影響人們的睡眠質(zhì)量,調(diào)解人體的生理節(jié)律。非視覺生物效應(yīng)函數(shù)曲線C(λ)的峰值波長位于464nm,屬于藍(lán)光區(qū)域,適當(dāng)?shù)厥褂盟{(lán)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(huán)境。綜上所述,健康照明產(chǎn)品的設(shè)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(yīng)等等各種因素。自20世紀(jì)90年代初期,高亮度藍(lán)光LED面世以來,半導(dǎo)體照明技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。藍(lán)光LED配合熒光粉得到的白光LED光源具有發(fā)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(yōu)點,已經(jīng)在背光源、信號指示燈及室內(nèi)外普通照明領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并開始向汽車照明、防爆燈具、生物醫(yī)療儀器等特殊照明領(lǐng)域滲透。LED的內(nèi)在特征決定了它是最為理想的光源去替代傳統(tǒng)的光源,高光效、低能耗的特點使其能滿足節(jié)能、環(huán)保的要求,而在光譜可控性上的優(yōu)勢,使得LED能夠更好地滿足光生物安全及非視覺生物效應(yīng)方面的要求。伴隨著LED照明光源在光效、可靠性、壽命等技術(shù)指標(biāo)上的不斷提升,他的光生物健康———藍(lán)光傷害性,一直是學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界討論的核心話題。本文將基于多種單色光(RGBA)LED混合產(chǎn)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(shù)Ra、較高的輻射光效LER以及較低的藍(lán)光危害加權(quán)輻照度值EB。進而,對一種健康照明產(chǎn)品的設(shè)計方法進行介紹。2理論基礎(chǔ)2.1色指數(shù)的測定光源的顯色性是指與參照標(biāo)準(zhǔn)相比較,一個光源對于物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。光源的顯色性是衡量光源的視覺質(zhì)量的重要指標(biāo)。目前,國際上通用的顯色性評價指標(biāo)是CIE制定的顯色指數(shù)(CRI),它表示物體在該光源照射下表現(xiàn)的顏色與標(biāo)準(zhǔn)光源照射下所表現(xiàn)顏色的差別程度。CIE規(guī)定用普朗克輻射體或標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為參照光源,并將其顯色指數(shù)定為100。評價時,采用一套14種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品,根據(jù)待測光源的光譜、色溫參數(shù)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(shù)Ri及一般顯色指數(shù)Ra分別如式(1)、式(2)所示:通常,光源的顯色指數(shù)指的是和一般顯色指數(shù)。當(dāng)待測光源的相對光譜功率分布已知時,可根據(jù)CIE制定的標(biāo)準(zhǔn)計算方法得到該光源的顯色指數(shù)。2.2輻射光照的光照u光源的光效定義為輸入電功率(watt)轉(zhuǎn)化為流明輸出(lumen)的轉(zhuǎn)換效率,包括電能轉(zhuǎn)化為光輻射的效率和光輻射轉(zhuǎn)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(fā)光效率(LER),其單位為lm/W。光源的輻射發(fā)光效率LER可有公式(3)求得。本文中所指的發(fā)光效率皆為輻射發(fā)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(fā)光效率只取決于光源的相對光譜功率分布。2.3視網(wǎng)膜光生物安全標(biāo)準(zhǔn)可見光波段中的藍(lán)光成分(400-500nm)可能引起眼睛視網(wǎng)膜的藍(lán)光傷害。人類眼睛視網(wǎng)膜上的視桿細(xì)胞及視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(RPE)受到藍(lán)光長時間照射會引起光損傷,由于RPE細(xì)胞的死亡而導(dǎo)致感光細(xì)胞的丟失,從而出現(xiàn)老年性黃斑變形。2006年,IEC和CIE共同制定了光生物安全標(biāo)準(zhǔn),在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了藍(lán)光傷害的評價方法,對光源中藍(lán)光傷害的有效輻射量進行了限值。視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害有效輻射值由光譜輻射亮度與藍(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分計算得到,B(λ)如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后不應(yīng)該超出下面的限值:式中:EB為視網(wǎng)膜位置的藍(lán)光危害加權(quán)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(lán)光危害加權(quán)函數(shù);△λ為波長帶寬,單位為nm;t為輻射持續(xù)時間,單位為s。3單色光led的相對光譜功率分布在本文的計算中,將用多種單色光LED(RGBA)光譜混合產(chǎn)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(fā)光效率LER,顯色指數(shù)Ra及藍(lán)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(shù)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。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(jù)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(lán)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(fā)光比例。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(yōu)化,得到了一系列目標(biāo)光譜,這些光譜具有不同的相關(guān)色溫(CCT),其△Eab*<0.0054,顯色指數(shù)Ra>90,并且具有較高的發(fā)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(lán)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(shè)。第一,假定光源的邊角小于0.011弧度,用藍(lán)光加權(quán)輻照度來衡量藍(lán)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(jù)光源的相對光譜功率分布計算得到,并可據(jù)此計算光源的藍(lán)光危害加權(quán)輻照度(W/m2)。4組合紫外光led光整比例的優(yōu)化表1所示為通過計算機程序優(yōu)化得到的模擬結(jié)果,選取了常用LED光源色溫對應(yīng)的最佳pR,pG,pB和pA比例組合,其對應(yīng)的相對光譜功率分布見圖3-圖10。模擬計算的結(jié)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(shù)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。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(shù)Ra皆在97以上,且特殊顯色指數(shù)R9也在90以上。對于代表藍(lán)光危害有效輻射量的視網(wǎng)膜位置的藍(lán)光危害加權(quán)輻照度值EB,其數(shù)值隨著相關(guān)色溫的升高而不斷增大。尤其,當(dāng)相關(guān)色溫達(dá)到6400K時,EB達(dá)到0.907W/m2,接近光生物安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的1W/m2的限值。為盡量降低組合白光LED帶來的潛在性藍(lán)光危害,我們對計算機模擬計算得到的結(jié)果進行進一步優(yōu)化。通過調(diào)節(jié)組合白光中藍(lán)光成分的含量,降低視網(wǎng)膜位置的藍(lán)光危害加權(quán)輻照度值EB。進一步優(yōu)化后的結(jié)果如表2所示。在優(yōu)化時,只是降低藍(lán)光LED的發(fā)光比例,其他三種單色光的發(fā)光比例保持不變。將表2優(yōu)化結(jié)果與表1的結(jié)果進行比較,可以發(fā)現(xiàn),在降低了藍(lán)光LED的發(fā)光比例之后,組合白光的一般顯色指數(shù)Ra及特殊顯色指數(shù)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(lán)光危害加權(quán)輻射照度EB則較表1有所降低,這表明降低藍(lán)光的發(fā)光比例有利于提高輻射光效LER,降低藍(lán)光危害輻射,并且組合白光的顯色指數(shù)仍然保持在較高水平。但是,藍(lán)光成分的發(fā)光比例并不能無條件減少。下面,通過舉例來表明藍(lán)光成分并不能無限減少。當(dāng)4種單色光LED的發(fā)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(shù)Ra為96.3,特殊顯色指數(shù)R9為96.2,藍(lán)光危害加權(quán)輻射照度EB為0.978W/m2。保持單色光中紅光、綠光、琥珀光的發(fā)光比例不變,只改變藍(lán)光成分的發(fā)光比例,我們可以得到一系列藍(lán)光發(fā)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(lán)光發(fā)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(lán)光發(fā)光比例成單調(diào)遞增關(guān)系;EB與藍(lán)光發(fā)光比例成單調(diào)遞減關(guān)系。但△Eab*需小于0.0054的條件限制了藍(lán)光發(fā)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(lán)光成分發(fā)光比例的下調(diào),得到的組合白光的相關(guān)色溫發(fā)生較大的變化,這也是限制藍(lán)光發(fā)光比例變化范圍的一個因素。5強化相轉(zhuǎn)移的光柵分布近年來,LED被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。因LED具有高效節(jié)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(chǎn)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