用人體功效學(xué)分析白光LED在室內(nèi)照明中的應(yīng)用



1、引言



　　作為一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓庠?，LED的長(zhǎng)壽命、牢固的結(jié)構(gòu)、較低的功耗和靈活的外形尺寸等優(yōu)點(diǎn)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，近幾年，LED特別是單色LED被廣泛地應(yīng)用于大屏幕、信號(hào)燈和景觀照明中。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。

　　然而，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。

 

　　2、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)和評(píng)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。

 

 

　　3 白光LED的發(fā)展現(xiàn)狀

　　3.1 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。

 

　　3.2 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，5W LED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。

3.3 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）黃色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。制備白光LED的幾種主要方案及其色溫和顯色指數(shù)范圍如下表所示。

　　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。

 

　　4、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。

　　4.1 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。

　　4.2、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。

　　4.3 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。

　　圖2a是一種常見(jiàn)的藍(lán)光LED加YAG粉所得的白光LED的光譜能量分布曲線。可以看到，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（如圖2b所示）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（如圖2c所示）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。

 

　　5、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。

　　5.1 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。

5.2 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。

　　5.3 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。

　　5.4 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。

 

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　將白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明中的進(jìn)程在近兩年中取得了重大的突破，在考慮照明的人體功效學(xué)的基礎(chǔ)上，白光LED在室內(nèi)照明中具有一定的優(yōu)勢(shì)，然而，也還存在諸多不足。LED設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者和應(yīng)用者應(yīng)該聯(lián)合起來(lái)，共同為L(zhǎng)ED技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦，早日使新一代的光源發(fā)揮最大作用，獲得更多的效益。