旭宇光电:基于全光谱LED的健康照明应用研究

时间: 2019-09-16

  摘要:随着LED照明技术的不断发展,照明不仅要高效节能,健康舒适的光色质量也越来越受到人们关注。针对新技术的不断涌现,人们对照明光品质及舒适度提出了更高要求,特别是针对健康照明内涵要求在不断提高。本文重点研究全光谱LED+智能系统改善与提升照明光质量,模拟自然光的可见光全光谱LED在照明系统中得到大量推广与应用,体现以人为本的健康照明理念。

  半导体封装企业聚焦与研发的可见光全光谱LED,采用芯片+荧光粉配合实现为评价基础,提高LED全光谱在可见光波段的连续性,在室内照明工程中得到推广与应用,体现了LED健康与绿色的典型优势。研究人员模拟一年四季不同时间段光色变化的光谱规律,发现光对于人体视觉、情感和生理等方面会产生明显的影响,考虑到光照对人体生理节律方面的影响,聚焦以人为本的照明用光理念,预计全光谱LED将会在健康照明应用中占据重要地位。全光谱LED结合智能控制技术可以实现按需调整满足特定环境下的照明质量要求,在学校、家居、公共场所及种植大棚等长时间照明中得到大量应用[1]。

  照明是光照射到场景、物体及其环境使其可以看见的过程。全光谱LED对光照质量有了较大提升,但全光谱LED本身不能按需调整满足特定环境下的需求,仍然待相关人员研究与完善。典型例如生产车间的灯具在白班和夜班时都是同样地照亮,并未考虑到灯具对人体生理节律方面的影响,人体在不同时间段工作时的情况,以及工人的年龄分布,长时间工作下的视觉疲劳等。此外,在其它一些照明场景中,如敬老院、学校和种植大棚等不同场合,以及办公场所或家居环境中的照明需求是不同的,尽管已有企业及科研院校携手在开发全光谱LED,研究模拟阳光一年四季及早晚不同时间段色温变化的全光谱LED应用。

  太阳光乃万物之源,是人类生存的必要条件之一,经过千万年的进化,自然光已经在人类进化历程中留下了深深的遗传烙印。在人们工作和生活中,对健康照明的理解就是利用符合光生物安全的人工光源营造满足照明品质及非视觉效应要求,改善及提高人们工作、学习、生活的条件和质量,促进心理和生理健康,并实现良好可见度和舒适愉快环境的照明应用。通常,人们在人工光源照明条件下观察事物,当物品的反射光谱不一样时,红色的苹果反射红色光谱的能力更强,黄色柠檬反射黄色光谱的能力更强,在人工光照下色温与显色性决定光色还原性,同一种物品在不同色温及显色指数光照下所展现的光色是不一样的。如果把照明LED的显色指数、色饱和度与色彩保线,其光色就接近太阳光让人眼的观感越舒服,对物品所展示的颜色也就越真实,一个极其重要的判断依据是该产品的光谱图与可见自然光光谱图的吻合度[2]。目前行业内实现全光谱健康照明的主要技术应用大致分为3种,采用单一波段蓝光芯片+荧光粉调配实现全光谱、采用双波段蓝光芯片+荧光粉调配实现全光谱,和采用紫光芯片+荧光粉调配实现全光谱。

  采用蓝光芯片结合荧光粉方案生产低色温的全光谱产品时,单蓝光芯片激发绿粉和红粉就能够得到光谱连续性好且显色性高的全光谱LED,其显色指数CRI、色彩保真度Rf和色彩饱和度Rg均能实现大于97。其具有稳定性好、蓝光占比小和批量良率高等优势,适合应用于大中小功率的全光谱LED系列产品。高色温的全光谱LED产品一般采用蓝光芯片+青粉+绿粉+红粉的技术方案实现,由于青粉外量子效率相对较低且稳定性较差,采用这种方案全光谱不适宜大功率LED用;且高色温LED蓝光辐射功率大、对芯片波段要求高且青光部分相对辐射功率很难提升,导致R12大于90的全光谱LED良品率偏低。此外,高色温LED光谱在蓝绿光区域存在较大的鸿沟,光谱连续性有待进一步提升。

  基于采用单一波段蓝光激发荧光粉实现LED全光谱的连续性差、显色指数良率不高的问题,我们开发了采用多蓝光芯片激发荧光粉的全光谱LED技术方案,此方案显色指数CRI能够达到98,甚至99,光谱连续性更好,和太阳光谱的相似度更高。最为关键的是,采用该技术做高色温方案时,位于430-450nm波段范围的蓝光辐射功率相对较低,蓝光危害等级能够达到RG0.但该方案技术对芯片波段及光功率要求较高,且技术控制难度系数大。

  采用410-415nm短波段的紫光芯片激发RGB混合荧光粉来实现全光谱具有光谱连续性好、蓝光辐射功率低、与太阳光谱相似度高且显指指数高等优点。但开发适合于紫光激发荧光粉实现高光效和高稳定性的荧光粉至关重要,现有蓝粉技术在稳定性和外量子效率方面有较大提升空间,目前国外技术相对领先,仍然需要我国相关技术人员研发攻关来实现。且现有红粉会对蓝粉、绿粉存在再吸收问题,中金黄金股份有限公司关于收到《中国证开发只吸收或较大吸收紫光的新型红粉是实现高光效紫光全光谱技术的关键。

  深圳市LED产业标准联盟(LED Standards Alliance of Shenzhen,LSA)[2]专家委员会于2016年10月成立全光谱标准工作组,该技术规范由旭宇光电(深圳)股份有限公司、商旅管理服务进入20时代 中国领衔全球商!深圳清华大学研究院和深圳市计量质量检测研究院等单位牵头,并联合LED封装行业多家企业共同起草该标准,通过近2年对全光谱与日光的调研、研究及讨论,针对自然光与LED光的深入研究,总结了全光谱的典型特征及技术特点,根据照明应用需求将自然光的优点最大化及人工光源的缺点最小化,通过建立典型应用案例的监测、评定和综合评估数据库,最终发布SZTT/LAS 024.1-2019《室内健康照明设计规范第1部分:全光谱技术要求》团体标准,为全光谱LED的封装、照明应用、项目设计及施工验收提供了标准依据[3]。

  典型LED全光谱的光谱特性具有由红到蓝(400700nm)的连续光带的光谱功率分布曲线,类似于相同色温太阳光的光功率分布。全光谱就是模拟(相同色温的)自然光光谱,并去除自然光中有害的紫外线和红外线。与自然光相比,全光谱的完整性应接近于自然光光谱的相似度,全光谱LED较普通LED降低了蓝光峰值,提升了可见光波段的连续性,有效提升了LED照明光品质。

  在可见光的波段内对人眼的敏感度极高及相似度应接近,从人眼明视觉与暗视觉函数V()和V()可以看出,主要色区波段470-650nm和次要色区波段400-470nm、650-700nm。在450-650nm波段范围里我们要求相似度百分数达到0.95以上,在次要波段400-450nm和650-700nm范围内,要求相似度在0.70以上,以目标光谱与太阳光光谱进行对比来表示与自然光光谱的相似度M按式1计算。

  根据研究结果表明,光谱的完整性会影响视觉的辨色能力,尤其是儿童发育阶段,色彩逼真度即色彩真实度的表现,表征各标准色在测试光源照射下与参考光源相比的相似程度。取目标光谱A()的倒数为连续性的指标。即连续性C()=A(),可以通过规定不同波段范围C()的大小来限定光谱的波动幅度,针对不同光色在相应波段的相似度来规范全光谱的光谱特性如表1。

  通常与太阳光谱相似、光谱连续性好及显色指数高,则对物体的色彩还原能力更高,被测光源下物体的颜色与参照光源下物体的颜色相符程度的度量为显色指数(color-rendering index)。光的显色性(color-rendering properties)特征是参照标准色卡相比较,LED光源对所规定的色片颜色所产生的效果来判定光显色性的优劣。根据全光谱是要求低蓝光的光谱特性,其显色指数中的R12是饱和蓝的关键指标,其值的大小影响类日光中蓝光的相对光谱功率。全光谱的显色指数Ra及R9R15显色性应满足表2要求。

  国内外科研机构正在研究光照对人类健康的影响及构建健康照明趋势,国际标准CIE 218:2016《室内健康照明路线;推荐元素,国内研究机构也针对健康照明提出视觉健康舒适度指标要求,基于眼视光学和主观认知所形成的评价照明产品对于人眼视觉生理功能变化及视觉疲劳影响的指标VICO指数(Visual Comfortable),独立于照明产品物理指标(相关色温、显色指数、照度、亮度、闪烁),评价LED照明产品对于人眼视觉生理功能影响的指标[4]。就全光谱色度性能而言,根据国际照明委员会(CIE)的推荐标准及国家标准的定义,色度性能应符合表3的相应要求。

  针对LED照明产品的蓝光危害,国际电工委员会发布了国际标准IEC/TR 62778-2014《评估光源和灯具蓝光危害时IEC 62471标准的应用》,针对光生物危害进行了限定及分级管理。我国也发布了GB/T 20145:2006《灯和灯系统的光生物安全性》、GB/T 34034-2017《普通照明用LED产品光辐射安全要求》、GB/T 34075-2017《普通照明用LED产品光辐射安全测量方法》和GB/T 36005-2018《半导体照明设备和系统的光辐射安全测试方法》等针对蓝光危害要求和测试的相应国家标准,为企业提供了生产及产品质量管控的标准依据。

  全光谱LED本身针对性强,但不够顺应照明需求调整变化,难以获得较佳的用户照明体验。随着智能技术在照明领域的成熟应用,启动智能与全光谱LED结合的照明系统工作,预设当前全光谱LED所在场景,当前环境是教室、工厂、会议室、咖啡厅、商务厅、客厅、医院及种植大棚等场景时,应用智能控制系统进行光照条件模拟,根据数据库中存储的各种场景信息进行比对及处理,使光照指标达到最佳需求形态及特定场景的照明需求,体现了智能+全光谱LED的优势及提升用户体验感[5]。

  基于全光谱LED的智能照明系统硬件包括:全光谱LED、传感器、存储器、控制器、通讯模块和通信装置等器件的结合应用。控制器对整个系统的工作进行控制,亮度传感器主要是检测方案照明光谱光亮度;红外传感器主要是检测应用环境中是否有人、动物;驱动马达主要是用来驱动摄像头转动,跟踪人脸,通过实时获得的人脸图像,确定当前人的状态,以及实时确定人的眼睛视觉;存储器中主要是存储摄像头拍摄的图片以及控制器的控制程序;温度传感器主要功能是探测全光谱LED灯光源的温度情况,系统依据检测温度来调节全光谱LED光源的红外光谱能量来控制场景温度在设定值,并动态调节在无人状态下的工作模式。比如当全光谱LED光源的温度过高时,将适当调节LED光源,在满足照明需求的情况下,调节温度。当所在场境中无人时,则关闭全光谱LED光源,以便及时将温度降低。通信装置主要是用于智能全光谱LED光源与外界进行通信,接收外界的控制指令,或者将工作信息通过WiFi、蓝牙、3G/4G/5G通信模块等无线或者网线接口方式发出,实现实时通信功能[6]。

  确定当前环境为植物时,智能控制系统识别是否有对植物进行针对性调节植物生长的光照,通过摄像头移动拍摄来确定该植物的种类名称,然后依据植物的种类及当前所在生长周期来控制全光谱LED的色温和照度等参数,利用光量子效率来调节植物生长。设置光波长调节使全光谱LED中激发出某一波长有利于植物生长,比如在蔬菜大棚中种植有土豆,则可以使全光谱LED光源位于400-520nm(蓝光)波长的光增加则有利于高产。

  随着工业发展的需要,很多工厂都需要采用2班或3班倒的工作模式来满足生产需求,基于车间窗户采光的局限性,打乱工人的生物钟出现不适应较为突出。设计师利用室外的光亮度传感器来确定工厂是处于白天还是晚上,白天时按照人的生理节律对照明光进行调节,让工人能处于饱满的精神状态。智能控制系统可以根据多数工人的年龄段来确定人的生理节律典型值,摄像头对人脸进行跟踪识别,确定当前工人是否处于疲劳状态,若疲劳的人达到一定数量时,则通过调节光谱来缓解人的疲劳。全光谱LED的照明应用,可以降低工人工作时的视觉疲劳,进而防止大脑疲劳,在一定程度上提升了工作效率和产品良率。

  基于餐厅仅有窗户面可采光的局限,设计师在内墙壁采用全光谱LED模拟落地窗外场景,根据日光照射到餐厅内的效果而变化。方案设计首先确定餐厅所在的地理经纬度,获取当地在各个季节的阳光光色、强度及时长等信息,利用摄像头和传感器监控环境太阳光变化及亮度信息等,白天可以依据照明光谱实现环境真实模拟画面,夜间时则整到与人的生理节律相适配的模拟画面,让前来用餐的人们更愉快与舒适。当餐厅有人时,启动照明光谱依据人的生理节律来调节照明与改变图案,综合人的生理节律,年龄,亮暗周期,光照射量等信息,模拟日光的日变化,动态调节色温、亮度、照度等光照参数,为用餐顾客提供舒适的用餐环境,改善了顾客的用餐体验。餐厅在环境没有人的时候,启动全光谱LED发出紫外光波段的光对环境进行灭菌处理。

  基于全光谱LED搭配智能控制照明系统的设计能更好地应用于各种场景中,充分发挥全光谱LED对光照质量提升的优势,提升人们对光舒适度的认同感。撰写本文旨在抛砖引玉,明辨有关概念,以期向人们传递对全光谱与健康照明的正确认识,并推广全光谱LED+智能在家居、办公、医院、教室、酒店和农业照明等方面的应用,全光谱LED健康照明系统的设计不仅在照度、亮度等参数方面控制简单,而且结合场景、光照需求、生理和心理特征等信息,营造健康和舒适的高质量照明,提供有益于人们身心健康的光环境。

  [3]深圳市市场监督管理局标准化处.室内健康照明设计规范第1部分:全光谱技术要求;SZTT/LAS 024.1

  [4]蔡建奇,高伟,郭娅,郝文涛,杜鹏,温蓉蓉,杨晓祥.健康照明的基础研究和标准研制的探讨[J].照明工程学报,2017,28(06):24-28.

  [6]汪晖.智能照明控制技术发展现状与未来展望探讨[J].电子世界,2018(14):79+81.


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