用人体功效学分析白光led在室内照明中的应用

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1.引言
作为一种具有巨大发展潜力的光源，led的长寿命、牢固的结构、较低的功耗和灵活的外形尺寸等优点受到了人们越来越多的关注，近几年，led特别是单色led被广泛地应用于大屏幕、信号灯和景观照明中。随着led技术的不断发展，白光led的光效、显色性、色温及单颗led的功率和led模块的光通量等参数指标不断取得新的突破，人们对led应用于照明充满了期待。
然而，将白光led应用于普通的室内照明也面临着一系列的挑战，例如单颗led的光通量还难以满足普通照明的需求、单位成本过高、光效比节能灯低、色差大、稳定性不足等。虽然研究成果形势喜人，但要生产出真正符合照明要求的市场化产品仍需一定的时间，这是led研发人员、生产商和使用者都无法回避的事实。本文从照明的人体功效学出发，分析目前白光led的发展现状以及与健康的光环境所需要的正常指标之间的差异，对促进led在室内照明的应用进程提出了一些建议。
2.照明的人体功效学
人体功效学也叫人类功效学或人体工程学，以“人—机—环境”系统为研究对象，运用实测、统计、分析等方法,研究“人—机—环境”系统中三大要素之间的关系,以解决系统中人的效能、健康问题。也就是说，人体功效学的研究致力于设计和评价人的需要、人的能力、人的极限，以及如何与各项任务、工作、产品、环境和系统协调。照明的人体工效学，就是研究光环境的设计如何满足人的需要，使人们更快、更好地完成各项视觉作业或尽量满足舒适健康的需求。
照明光环境应该充分考虑满足人们视觉功能的需要，使人们能在一个合适的视觉环境中正常地开展工作，即能看得清楚；又要满足人们心理上的需要，即要看得舒服。最近的一项研究表明，光还能通过影响人体内褪黑激素的分泌而影响人体的生理节律和健康。因此，考虑人体功效学的良好的光环境应该从人的视觉、心理和生理的需要出发，综合考虑多项因素，否则就会对人们的工作效率、心理或生理健康造成不良影响。
3.白光led的发展现状
3.1.光效
led自上世纪60年代诞生以来，以每10年亮度提高30倍，价格下降10倍的“海兹定律”般的速度发展。据报道，目前白光led光效的实验室数据已超过100lm/w，而进入商业领域的大功率白光led也达到40lm/w。随着关键技术的突破，未来大功率led的光效仍具有很大的上升空间，最高有可能达到150～200lm/w。
3.2光通量
随着大功率led的面世和封装、散热等关键技术的突破，5wled的商业化进程已初具规模，这使led模块的光通量得到很大提高。来自日亚公司最新的研究数据表明，功率分别为5.5w和11w，光通量分别为250lm和400lm的大功率led集成模块已经研制成功。这使led用于普通照明的进程又向前迈进了一大步。
3.3.色温和显色性
白光led的色温和显色性与白光led的制备方案密切相关。1996年日亚公司首先采用ingan蓝光芯片加yag（钇铝石榴石）黄色荧光粉的方法制成白光led。此后，人们又采用r、g、b三色芯片混光和近紫外芯片激发r、g、b三色荧光粉混光制成了白光led。制备白光led的几种主要方案及其色温和显色指数范围如下表所示。采用蓝光led加yag荧光粉的方式因其工艺较为简单，技术成本较低，是目前制备白光led最常用的方式，但其显色指数也相对较低。添加一定的红光荧光粉和绿光荧光粉虽能提高显色指数，但由于红光荧光粉的相对转化率较低，通常会引起总体光通量的衰减，即光效的下降。采用近紫外的led加rgb三基色荧光粉理论上可以获得任意色温及较高显色指数的白光led，但目前用于紫外led荧光粉的技术尚未成熟。单芯片涂荧光粉的方法根据荧光粉的涂敷技术的不同，通常具有80~800k的色温差异。多芯片的led理论上可以获得任意色温和高显色性的白光led，但由于多芯片led的正向电压和光输出不同，另外它们的温度特性和光维持特性也不相同，因而对电路设计的要求较高，目前技术还不成熟，模块间色温差异较大。
4.考虑人体功效学对白光led照明的要求
如前面所述，考虑照明的人体功效学应考虑人们对照明环境的要求。室内环境是人们生活和工作大部分时间停留的环境，因此人们对室内照明环境的需求就越来越高。能否达到这些要求，是led代替传统光源进行室内照明的关键。
4.1.视觉功能的需求
为了满足人们的视觉需求，即要让人们能看得清楚，这就要求照明光环境具有一定的照度水平、照度均匀度和显色性。
要满足一定的照度水平，就要求led具有足够的光通量。以一个小阅览室为例，假设阅览室面积为6m×8m，则大约需要20000~30000lm的光通量才可以满足人们正常的阅读需要。若不考虑其他因素，应用目前市场上200lm的大功率颗粒也需要100~150颗粒的led才能够达到这样的照度要求。由于目前较好的市场产品的光效在30~40lm/w左右，不论能耗或成本，led还不能与节能灯或荧光灯进行竞争。此外，led灯具的光学设计技术方面的不成熟使目前led灯具的配光分布不够稳定，要达到一定的照度均匀度也需要很高的成本。但对于小面积的重点照明，用少量能耗的led可以满足视觉的需要，在均匀度方面也比较容易满足。而在显色性方面，目前的白光led基本能满足一般室内活动的需要。
4.2.心理的需要
在正常的室内工作或活动，人们不但要求得到视觉功能的满足，同时也需要一定的视觉舒适度，这是人们对照明光环境的心理需要，也就要求视场内的光环境不可有直接眩光或间接眩光，色温要合适、灯具的布置要舒适。在要求视场的眩光方面，对白光led既是优势又是挑战。由于led较小的发光点和光束角，使光的出射方向很容易控制，但另一方面，通常led光强较为集中，最大光强分布处若处理不当则容易对观测者造成眩光。研究表明，不舒适眩光不但会引起工作效率的下降，同时也会造成视觉疲劳和头痛等不良反应。另外，若选用rgb三芯片led，虽能形成任意色温的白光，但较大的色差会影响视场整体的舒适和美观。若选用蓝光led加yag粉的方式，则色温基本偏高。为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要求的照度相适应，图1所示是照度与色温对应的舒适区域。因此，较高的色温也会影响白光led在室内照明中的应用，因为它要求相应高的照度，才能使人感觉舒适。另一方面，led灵活的外形尺寸使led灯具在设计上具有很大的空间，可以充分满足装饰性的要求。
4.3.生理的需要室内照明中人们对生理上的需要主要表现为健康的需要。除了长期的紫外光照射会对皮肤造成不良影响以外，光影响健康的另外两个途径常常被人们所忽略，一个是光通过视觉影响健康，另一个是光通过生理节律系统影响健康。与白光led用于室内照明有紧密联系的两个效应就是视网膜的蓝光危害效应及光通过抑止人体内褪黑激素的分泌影响人体的生理节律系统和健康。通常紫外光的危害发生于人眼的前眼部分，即对角膜会造成伤害。而蓝光由于其波长比紫外光长，可以透过眼底到达视网膜；而其单位能量在可见光范围内最强，容易灼伤视网膜及形成早期白内障。另一方面，人体褪黑激素的分泌受光照的影响，当褪黑激素分泌失常时容易引起人体生理节律的混乱，严重时引起癌症或其他病变。
图2a是一种常见的蓝光led加yag粉所得的白光led的光谱能量分布曲线。可以看到，在400~500nm的区域内，这种白光led的能量分布具有一个明显的峰值。添加一定量的红光荧光粉后可以在一定程度上降低这一峰值，但是目前普遍使用的白光led的这一蓝光区域峰值与蓝光视网膜危害的光谱敏感度曲线（如图2b所示）及影响生理节律系统的神经节细胞对光的敏感度曲线（如图2c所示）有较多的重叠区域，这不得不引起我们的重视。而如果使用紫外led加三基色荧光粉及rgb多芯片白光led，这两种效应则可以忽略。
5.促进白光led在室内照明的应用
大功率白光led虽然在光效、显色性及单颗功率方面取得很大突破，各led厂商也以迅猛的势头不断更新已经取得的成就。但是，在考虑到人体功效学方面，对于缔造一个符合人居需要的照明环境，led显然还有很长的路要走。为了促进led更多、更合理地应用于室内照明中，以下的几个方面是led设计者、生产者和应用者应该共同关注的。
5.1.重视合理的照明设计
就视觉功能的需要而言，目前led的光通量和光效还难以满足大面积普通照明的需要。因而，合理的照明设计是将led应用于室内照明的关键。例如，可以利用led进行局部重点照明，或利用led便于控制这一特性进行辅助照明和调光设计。设计时应同时结合视觉功能、心理和生理的需要，扬长避短，缔造健康、舒适的光环境。
5.2.重视led上、中游与下游的紧密联系
毫无疑问，led上中游对led技术的发展和应用起了关键性的作用，但下游的应用和需求同时也为led上中游起到引领的作用。科研工作者、工程师和设计师应该加强联系，使led产业的发展更加合理和人性化。
5.3.加强led二次光学设计技术
led照明应用中的一项关键技术是led二次光学设计技术，通过二次光学设计，能优化led的配光分布，在避免眩光的同时使led射出的光线更加合理，达到照明的要求。
5.4.制定led室内照明标准
目前我国有关检测部门已经着手开展对照明led测试方法的研究，包括检测设备的开发工作。全国照明电器标准化技术委员会已经将照明led的技术标准和测试方法标准列入标准工作计划，希望通过照明led标准的制定，促进led技术的发展和在照明领域的应用。对于led室内照明标准，应重点解决led的光学特性，即光通量、光分布、亮度、光谱分布、色度坐标、色差、显色指数、光衰等指标。此外，电器附件的特性、机械特性、温度特性和器具安全特性等也应列入考虑的范围。
6.结束语
将白光led应用于室内照明中的进程在近两年中取得了重大的突破，在考虑照明的人体功效学的基础上，白光led在室内照明中具有一定的优势，然而，也还存在诸多不足。led设计者、生产者和应用者应该联合起来，共同为led技术的发展添砖加瓦，早日使新一代的光源发挥最大作用，获得更多的效益。