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旭宇光電：基于全光譜LED的健康照明應(yīng)用研究

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年11月26日 19:12

摘要：隨著LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展，照明不僅要高效節(jié)能，健康舒適的光色質(zhì)量也越來越受到人們關(guān)注。針對新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，人們對照明光品質(zhì)及舒適度提出了更高要求，特別是針對健康照明內(nèi)涵要求在不斷提高。本文重點研究“全光譜LED+智能”系統(tǒng)改善與提升照明光質(zhì)量，模擬自然光的可見光全光譜LED在照明系統(tǒng)中得到大量推廣與應(yīng)用，體現(xiàn)以人為本的健康照明理念。

引言

半導(dǎo)體封裝企業(yè)聚焦與研發(fā)的可見光全光譜LED，采用“芯片+熒光粉”配合實現(xiàn)為評價基礎(chǔ)，提高LED全光譜在可見光波段的連續(xù)性，在室內(nèi)照明工程中得到推廣與應(yīng)用，體現(xiàn)了LED健康與綠色的典型優(yōu)勢。研究人員模擬一年四季不同時間段光色變化的光譜規(guī)律，發(fā)現(xiàn)光對于人體視覺、情感和生理等方面會產(chǎn)生明顯的影響，考慮到光照對人體生理節(jié)律方面的影響，聚焦以人為本的照明用光理念，預(yù)計全光譜LED將會在健康照明應(yīng)用中占據(jù)重要地位。全光譜LED結(jié)合智能控制技術(shù)可以實現(xiàn)按需調(diào)整滿足特定環(huán)境下的照明質(zhì)量要求，在學(xué)校、家居、公共場所及種植大棚等長時間照明中得到大量應(yīng)用[1]。

照明是光照射到場景、物體及其環(huán)境使其可以看見的過程。全光譜LED對光照質(zhì)量有了較大提升，但全光譜LED本身不能按需調(diào)整滿足特定環(huán)境下的需求，仍然待相關(guān)人員研究與完善。典型例如生產(chǎn)車間的燈具在白班和夜班時都是同樣地照亮，并未考慮到燈具對人體生理節(jié)律方面的影響，人體在不同時間段工作時的情況，以及工人的年齡分布，長時間工作下的視覺疲勞等。此外，在其它一些照明場景中，如敬老院、學(xué)校和種植大棚等不同場合，以及辦公場所或家居環(huán)境中的照明需求是不同的，盡管已有企業(yè)及科研院校攜手在開發(fā)全光譜LED，研究模擬陽光一年四季及早晚不同時間段色溫變化的全光譜LED應(yīng)用。

全光譜LED健康照明

太陽光乃萬物之源，是人類生存的必要條件之一，經(jīng)過千萬年的進化，自然光已經(jīng)在人類進化歷程中留下了深深的遺傳烙印。在人們工作和生活中，對健康照明的理解就是利用符合光生物安全的人工光源營造滿足照明品質(zhì)及非視覺效應(yīng)要求，改善及提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，促進心理和生理健康，并實現(xiàn)良好可見度和舒適愉快環(huán)境的照明應(yīng)用。通常，人們在人工光源照明條件下觀察事物，當物品的反射光譜不一樣時，紅色的蘋果反射紅色光譜的能力更強，黃色檸檬反射黃色光譜的能力更強，在人工光照下色溫與顯色性決定光色還原性，同一種物品在不同色溫及顯色指數(shù)光照下所展現(xiàn)的光色是不一樣的。如果把照明LED的顯色指數(shù)、色飽和度與色彩保真度調(diào)配到接近100，其光色就接近太陽光讓人眼的觀感越舒服，對物品所展示的顏色也就越真實，一個極其重要的判斷依據(jù)是該產(chǎn)品的光譜圖與可見自然光光譜圖的吻合度[2]。目前行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)全光譜健康照明的主要技術(shù)應(yīng)用大致分為3種，采用“單一波段藍光芯片+熒光粉”調(diào)配實現(xiàn)全光譜、采用“雙波段藍光芯片+熒光粉”調(diào)配實現(xiàn)全光譜，和采用“紫光芯片+熒光粉”調(diào)配實現(xiàn)全光譜。

1.1單藍光芯片全光譜

采用藍光芯片結(jié)合熒光粉方案生產(chǎn)低色溫的全光譜產(chǎn)品時，單藍光芯片激發(fā)綠粉和紅粉就能夠得到光譜連續(xù)性好且顯色性高的全光譜LED，其顯色指數(shù)CRI、色彩保真度Rf和色彩飽和度Rg均能實現(xiàn)大于97。其具有穩(wěn)定性好、藍光占比小和批量良率高等優(yōu)勢，適合應(yīng)用于大中小功率的全光譜LED系列產(chǎn)品。高色溫的全光譜LED產(chǎn)品一般采用“藍光芯片+青粉+綠粉+紅粉”的技術(shù)方案實現(xiàn)，由于青粉外量子效率相對較低且穩(wěn)定性較差，采用這種方案全光譜不適宜大功率LED用；且高色溫LED藍光輻射功率大、對芯片波段要求高且青光部分相對輻射功率很難提升，導(dǎo)致R12大于90的全光譜LED良品率偏低。此外，高色溫LED光譜在藍綠光區(qū)域存在較大的鴻溝，光譜連續(xù)性有待進一步提升。

圖1基于單藍光芯片激發(fā)熒光粉實現(xiàn)可見光全光譜

1.2雙藍光芯片全光譜

基于采用單一波段藍光激發(fā)熒光粉實現(xiàn)LED全光譜的連續(xù)性差、顯色指數(shù)良率不高的問題，我們開發(fā)了采用多藍光芯片激發(fā)熒光粉的全光譜LED技術(shù)方案，此方案顯色指數(shù)CRI能夠達到98，甚至99，光譜連續(xù)性更好，和太陽光譜的相似度更高。最為關(guān)鍵的是，采用該技術(shù)做高色溫方案時，位于430-450nm波段范圍的藍光輻射功率相對較低，藍光危害等級能夠達到RG0.但該方案技術(shù)對芯片波段及光功率要求較高，且技術(shù)控制難度系數(shù)大。

圖2基于多芯片激發(fā)熒光粉實現(xiàn)可見光全光譜

1.3紫光芯片全光譜

采用410-415nm短波段的紫光芯片激發(fā)RGB混合熒光粉來實現(xiàn)全光譜具有光譜連續(xù)性好、藍光輻射功率低、與太陽光譜相似度高且顯指指數(shù)高等優(yōu)點。但開發(fā)適合于紫光激發(fā)熒光粉實現(xiàn)高光效和高穩(wěn)定性的熒光粉至關(guān)重要，現(xiàn)有藍粉技術(shù)在穩(wěn)定性和外量子效率方面有較大提升空間，目前國外技術(shù)相對領(lǐng)先，仍然需要我國相關(guān)技術(shù)人員研發(fā)攻關(guān)來實現(xiàn)。且現(xiàn)有紅粉會對藍粉、綠粉存在再吸收問題，開發(fā)只吸收或較大吸收紫光的新型紅粉是實現(xiàn)高光效紫光全光譜技術(shù)的關(guān)鍵。

圖3基于紫光芯片激發(fā)熒光粉實現(xiàn)可見光全光譜

技術(shù)標準規(guī)范

深圳市LED產(chǎn)業(yè)標準聯(lián)盟（LED Standards Alliance of Shenzhen,LSA）[2]專家委員會于2016年10月成立全光譜標準工作組，該技術(shù)規(guī)范由旭宇光電（深圳）股份有限公司、深圳清華大學(xué)研究院和深圳市計量質(zhì)量檢測研究院等單位牽頭，并聯(lián)合LED封裝行業(yè)多家企業(yè)共同起草該標準，通過近2年對全光譜與日光的調(diào)研、研究及討論，針對自然光與LED光的深入研究，總結(jié)了全光譜的典型特征及技術(shù)特點，根據(jù)照明應(yīng)用需求將自然光的優(yōu)點最大化及人工光源的缺點最小化，通過建立典型應(yīng)用案例的監(jiān)測、評定和綜合評估數(shù)據(jù)庫，最終發(fā)布SZTT/LAS 024.1-2019《室內(nèi)健康照明設(shè)計規(guī)范第1部分：全光譜技術(shù)要求》團體標準，為全光譜LED的封裝、照明應(yīng)用、項目設(shè)計及施工驗收提供了標準依據(jù)[3]。

2.1全光譜LED技術(shù)特征

典型LED全光譜的光譜特性具有由紅到藍（400~700nm）的連續(xù)光帶的光譜功率分布曲線，類似于相同色溫太陽光的光功率分布。全光譜就是模擬（相同色溫的）自然光光譜，并去除自然光中有害的紫外線和紅外線。與自然光相比，全光譜的完整性應(yīng)接近于自然光光譜的相似度，全光譜LED較普通LED降低了藍光峰值，提升了可見光波段的連續(xù)性，有效提升了LED照明光品質(zhì)。

在可見光的波段內(nèi)對人眼的敏感度極高及相似度應(yīng)接近，從人眼明視覺與暗視覺函數(shù)V()和V′()可以看出，主要色區(qū)波段470-650nm和次要色區(qū)波段400-470nm、650-700nm。在450-650nm波段范圍里我們要求相似度百分數(shù)達到0.95以上，在次要波段400-450nm和650-700nm范圍內(nèi)，要求相似度在0.70以上，以目標光譜與太陽光光譜進行對比來表示與自然光光譜的相似度M按式1計算。

M=∫maxmin∣A（）-S（）∣/S（）………………………………………（1）

式中：

S（）-太陽光光譜；A（）-目標光譜；

圖5人眼明暗視覺函

2.2全光譜LED技術(shù)要求

根據(jù)研究結(jié)果表明，光譜的完整性會影響視覺的辨色能力，尤其是兒童發(fā)育階段，色彩逼真度即色彩真實度的表現(xiàn)，表征各標準色在測試光源照射下與參考光源相比的相似程度。取目標光譜A（）的倒數(shù)為連續(xù)性的指標。即連續(xù)性C（）=A（）′，可以通過規(guī)定不同波段范圍C（）的大小來限定光譜的波動幅度，針對不同光色在相應(yīng)波段的相似度來規(guī)范全光譜的光譜特性如表1。

通常與太陽光譜相似、光譜連續(xù)性好及顯色指數(shù)高，則對物體的色彩還原能力更高，被測光源下物體的顏色與參照光源下物體的顏色相符程度的度量為顯色指數(shù)（color-rendering index）。光的顯色性（color-rendering properties）特征是參照標準色卡相比較，LED光源對所規(guī)定的色片顏色所產(chǎn)生的效果來判定光顯色性的優(yōu)劣。根據(jù)全光譜是要求低藍光的光譜特性，其顯色指數(shù)中的R12是飽和藍的關(guān)鍵指標，其值的大小影響類日光中藍光的相對光譜功率。全光譜的顯色指數(shù)Ra及R9~R15顯色性應(yīng)滿足表2要求。

國內(nèi)外科研機構(gòu)正在研究光照對人類健康的影響及構(gòu)建健康照明趨勢，國際標準CIE 218:2016《室內(nèi)健康照明路線圖》明確了“健康照明”推薦元素，國內(nèi)研究機構(gòu)也針對健康照明提出視覺健康舒適度指標要求，基于眼視光學(xué)和主觀認知所形成的評價照明產(chǎn)品對于人眼視覺生理功能變化及視覺疲勞影響的指標VICO指數(shù)（Visual Comfortable）,獨立于照明產(chǎn)品物理指標（相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、照度、亮度、閃爍），評價LED照明產(chǎn)品對于人眼視覺生理功能影響的指標[4]。就全光譜色度性能而言，根據(jù)國際照明委員會（CIE）的推薦標準及國家標準的定義，色度性能應(yīng)符合表3的相應(yīng)要求。

針對LED照明產(chǎn)品的藍光危害，國際電工委員會發(fā)布了國際標準IEC/TR 62778-2014《評估光源和燈具藍光危害時IEC 62471標準的應(yīng)用》，針對光生物危害進行了限定及分級管理。我國也發(fā)布了GB/T 20145:2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》、GB/T 34034-2017《普通照明用LED產(chǎn)品光輻射安全要求》、GB/T 34075-2017《普通照明用LED產(chǎn)品光輻射安全測量方法》和GB/T 36005-2018《半導(dǎo)體照明設(shè)備和系統(tǒng)的光輻射安全測試方法》等針對藍光危害要求和測試的相應(yīng)國家標準，為企業(yè)提供了生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量管控的標準依據(jù)。

全光譜LED與智能控制

3.1整體思路及應(yīng)用

全光譜LED本身針對性強，但不夠順應(yīng)照明需求調(diào)整變化，難以獲得較佳的用戶照明體驗。隨著智能技術(shù)在照明領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，啟動智能與全光譜LED結(jié)合的照明系統(tǒng)工作，預(yù)設(shè)當前全光譜LED所在場景，當前環(huán)境是教室、工廠、會議室、咖啡廳、商務(wù)廳、客廳、醫(yī)院及種植大棚等場景時，應(yīng)用智能控制系統(tǒng)進行光照條件模擬，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的各種場景信息進行比對及處理，使光照指標達到最佳需求形態(tài)及特定場景的照明需求，體現(xiàn)了“智能+全光譜LED”的優(yōu)勢及提升用戶體驗感[5]。

3.2全光譜智能照明技術(shù)方案

基于全光譜LED的智能照明系統(tǒng)硬件包括：全光譜LED、傳感器、存儲器、控制器、通訊模塊和通信裝置等器件的結(jié)合應(yīng)用?？刂破鲗φ麄€系統(tǒng)的工作進行控制，亮度傳感器主要是檢測方案照明光譜光亮度；紅外傳感器主要是檢測應(yīng)用環(huán)境中是否有人、動物；驅(qū)動馬達主要是用來驅(qū)動攝像頭轉(zhuǎn)動，跟蹤人臉，通過實時獲得的人臉圖像，確定當前人的狀態(tài)，以及實時確定人的眼睛視覺；存儲器中主要是存儲攝像頭拍攝的圖片以及控制器的控制程序；溫度傳感器主要功能是探測全光譜LED燈光源的溫度情況，系統(tǒng)依據(jù)檢測溫度來調(diào)節(jié)全光譜LED光源的紅外光譜能量來控制場景溫度在設(shè)定值，并動態(tài)調(diào)節(jié)在無人狀態(tài)下的工作模式。比如當全光譜LED光源的溫度過高時，將適當調(diào)節(jié)LED光源，在滿足照明需求的情況下，調(diào)節(jié)溫度。當所在場境中無人時，則關(guān)閉全光譜LED光源，以便及時將溫度降低。通信裝置主要是用于智能全光譜LED光源與外界進行通信，接收外界的控制指令，或者將工作信息通過WiFi、藍牙、3G/4G/5G通信模塊等無線或者網(wǎng)線接口方式發(fā)出，實現(xiàn)實時通信功能[6]。

3.3全光譜LED與智能控制典型應(yīng)用

3.3.1植物光照

確定當前環(huán)境為植物時，智能控制系統(tǒng)識別是否有對植物進行針對性調(diào)節(jié)植物生長的光照，通過攝像頭移動拍攝來確定該植物的種類名稱，然后依據(jù)植物的種類及當前所在生長周期來控制全光譜LED的色溫和照度等參數(shù)，利用光量子效率來調(diào)節(jié)植物生長。設(shè)置光波長調(diào)節(jié)使全光譜LED中激發(fā)出某一波長有利于植物生長，比如在蔬菜大棚中種植有土豆，則可以使全光譜LED光源位于400-520nm（藍光）波長的光增加則有利于高產(chǎn)。

3.3.2工廠照明

隨著工業(yè)發(fā)展的需要，很多工廠都需要采用2班或3班倒的工作模式來滿足生產(chǎn)需求，基于車間窗戶采光的局限性，打亂工人的生物鐘出現(xiàn)不適應(yīng)較為突出。設(shè)計師利用室外的光亮度傳感器來確定工廠是處于白天還是晚上，白天時按照人的生理節(jié)律對照明光進行調(diào)節(jié)，讓工人能處于飽滿的精神狀態(tài)。智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)多數(shù)工人的年齡段來確定人的生理節(jié)律典型值，攝像頭對人臉進行跟蹤識別，確定當前工人是否處于疲勞狀態(tài)，若疲勞的人達到一定數(shù)量時，則通過調(diào)節(jié)光譜來緩解人的疲勞。全光譜LED的照明應(yīng)用，可以降低工人工作時的視覺疲勞，進而防止大腦疲勞，在一定程度上提升了工作效率和產(chǎn)品良率。

3.3.3餐廳照明

基于餐廳僅有窗戶面可采光的局限，設(shè)計師在內(nèi)墻壁采用全光譜LED模擬落地窗外場景，根據(jù)日光照射到餐廳內(nèi)的效果而變化。方案設(shè)計首先確定餐廳所在的地理經(jīng)緯度，獲取當?shù)卦诟鱾€季節(jié)的陽光光色、強度及時長等信息，利用攝像頭和傳感器監(jiān)控環(huán)境太陽光變化及亮度信息等，白天可以依據(jù)照明光譜實現(xiàn)環(huán)境真實模擬畫面，夜間時則整到與人的生理節(jié)律相適配的模擬畫面，讓前來用餐的人們更愉快與舒適。當餐廳有人時，啟動照明光譜依據(jù)人的生理節(jié)律來調(diào)節(jié)照明與改變圖案，綜合人的生理節(jié)律，年齡，亮暗周期，光照射量等信息，模擬日光的日變化，動態(tài)調(diào)節(jié)色溫、亮度、照度等光照參數(shù)，為用餐顧客提供舒適的用餐環(huán)境，改善了顧客的用餐體驗。餐廳在環(huán)境沒有人的時候，啟動全光譜LED發(fā)出紫外光波段的光對環(huán)境進行滅菌處理。

結(jié)語

基于全光譜LED搭配智能控制照明系統(tǒng)的設(shè)計能更好地應(yīng)用于各種場景中，充分發(fā)揮全光譜LED對光照質(zhì)量提升的優(yōu)勢，提升人們對光舒適度的認同感。撰寫本文旨在拋磚引玉，明辨有關(guān)概念，以期向人們傳遞對全光譜與健康照明的正確認識，并推廣“全光譜LED+智能”在家居、辦公、醫(yī)院、教室、酒店和農(nóng)業(yè)照明等方面的應(yīng)用，全光譜LED健康照明系統(tǒng)的設(shè)計不僅在照度、亮度等參數(shù)方面控制簡單,而且結(jié)合場景、光照需求、生理和心理特征等信息，營造健康和舒適的高質(zhì)量照明，提供有益于人們身心健康的光環(huán)境。

作者：林金填、曹小兵、陳磊、羅偉

參考文獻

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[2]曹小兵,黎蘭蘭,冉崇高,羅偉.健康照明之全光譜LED應(yīng)用展望[J].中國照明電器,2019(05):11-14.

[3]深圳市市場監(jiān)督管理局標準化處.室內(nèi)健康照明設(shè)計規(guī)范第1部分：

全光譜技術(shù)要求；

SZTT/LAS 024.1

2019[S].深圳；

深圳市LED產(chǎn)業(yè)標準聯(lián)盟.2019.

[4]蔡建奇,高偉,郭婭,郝文濤,杜鵬,溫蓉蓉,楊曉祥.健康照明的基礎(chǔ)研究和標準研制的探討[J].照明工程學(xué)

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[5]CAO X B,ZHENG D S.Intelligent LED Lighting System and Sensor Technology[C/OL].The 11th China lnternational Forum on Solid State Lighting,IEEE xplore.2014：

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[6]汪暉.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望探討[J].電子世界,2018(14):79+81.

來源：

旭宇光電

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