LED灯具光品质与照明舒适度探讨

LED灯具光品质与照明舒适度探讨

杨党委

深圳市中电照明股份有限公司

摘要：LED光源是当前发展最快和最为普及新光源，短短十几年间在照明行业呈现爆炸式增长，各种照明光源、灯具产品几乎全部都已普及。但由于LED技术尚处于不断成熟的发展阶段，当前业界对其设计和使用中在光品质方面还存在一些不足，也得到了市场的一些不理解和诸多质疑。本文将从光品质及如何增加照明舒适度，用理论和实际相结合的方法，详细分析LED的光色特性，眩光、显色性、色温、频闪等光品质特性，澄清行业对LED存在的错误认识，提高LED灯具的光品质，提高LED灯具照明舒适度，推进LED行业的良性，健康发展。

关键词：LED照明；眩光；蓝光危害；频闪

随着全球能源及环保意识的逐渐加强，高功率LED取代传统光源，进入普通照明应用，已经成为LED业界的主流趋势和终极市场。随着LED技术的迅猛进步，LED在光色和光效方面都有了很大的进步和突破，LED在作为光源应用在照明产品上的技术和方法也很大程度的提高和改善，在灯光使用方面，照度均匀度相比高压钠灯已有优势，光衰问题明显改善，相比其他光源并不逊色。LED的光色特性，眩光、显色性、色温等光品质特性对于LED照明扮演重要角色，这些更深层次的问题逐渐摆在业界的面前，如何进一步提高LED这些光品质，本文将从光散射理论、黑体辐射理论等理论，用理论和实际相结合的方法，比较详细分析LED灯具的光品质特性，试图澄清行业对LED存在的一些错误认识，帮助企业在开发生产产品时加大光品质的设计部分，推进LED行业的健康发展。客户在购买使用灯具时，特别注重灯光效果、美观和节能，而对于灯光的照明方式和灯具带来的健康方面问题缺少相关的知识和判断力，国家在灯具光品质及照明舒适度方面相关标准相对较少。所谓“光品质，提高照明舒适度”，首先是照明必须满足场所的功能性要求，其次是照明必须满足人们的心理要求，如色温、亮度对人情绪的影响，以及光影是否和谐。不合理的照明工具和不恰当的照明方式对健康都会产生很大影响。明亮，舒适的的光线可以改变大脑的内部时钟，控制睡眠。长时间在灯光下工作，会降低人体对钙的吸收，强烈的光波还会使不正常的细胞增加，正常细胞死亡。在满足功能性的要求方面，光源质量的好坏对照明的影响很大。优质的光源可以达到和日光同样的效果，而劣质光源不仅会扭曲视觉效果，而且长时间受劣质光源照射，眼睛很容易疲劳。如果灯光亮度不均衡，比如窗口或其他区域的亮度比室内亮度高得多，人们就会感到眩光，使人很不舒服，严重的还会损害视觉功能。

为了在灯具的设计和使用中达到相对较高的光品质，提高照明舒适度，我将从以下几方面做详细的讨论和分析。

一．优化灯具结构，降低眩光

眩光（Dazzle）是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。视野内产生人眼无法适应之光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚或丧失明视度。在视野中某—局部地方出现过高的亮度或前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一。

以下几中方法能够比较有效的解决眩光问题。

1.采用散射的办法来降低LED光线过度集中的问题，例如，用透光性很好的亚克力材料来进行散射雾化处理LED发出的光线，但它会损失部分光效。还有一种办法是采用反射的办法，LED的光效利用率则很高。例如，使用磨沙的银色反光材料来分散光源的光线，不要让LED发光元件处在人眼直接能够看见的地方，光线至少经过一次反射到达人眼会比较舒服的。利用扩散板，磨砂板也是比较常用的方法。

2.另一方面改善灯具光线出光角度，降低光源深度，也是较为可行的方案选择。在灯具口部设计防眩杯。

3.改变灯具发光位置，相较于“直射式”，“侧射式”LED灯具的眩光得到较大的改善。

二．提高LED品质，保证光源光性能符合使用环境要求。

光的颜色和显色性在照明产品中十分重要，尤其在光色和显色性要求较高的场所光的颜色特性主要表现在光的色表和显色能力两个方面光辐射由许多光谱辐射组成光谱成分越全，光的色表和显色性能越完善但两种光谱成分不同的光可以有相同的色表，而显色性却可能差别很大因此，不能根据光的颜色确定其显色性。产品中在选择LED时要尽可能选择色坐标在接近黑体轨迹线上的LED。

做LED照明一定要尽量提高光品质，而光品质的含义主要是光色和显色性。光色则要求色温漂移度较小，并且多批次产品光色的一致性好。而显色性是超高显色指数强调的照射后的特殊照明效果而不是跟阳光比真实性。色温偏移度是光色考核的唯一标准，而大批量、多批次交货是大规模应用的前提。在此又提出了免分档的概念，免分档，它不是不分档。免分档是确保所有产品在无麦克亚当椭圆以内。要实现免分档则需要高端精细的设备、精细完善的工艺管控标准，同时需要与业界定级原材料供应商通力合作。另外一个高显指主要经历蓝光激发YGA荧光粉、蓝光激发红、绿荧光粉（或者红粉加黄粉）、紫光芯片激发RGB荧光粉三代，而未来采用紫光激发RGB，更多是超高的光效。采用紫光芯片获得超高显指数，使用14-21的主光芯片，可以获得90lm/w，而它的Ra大于97，R1-R15都大于90，紫光芯片激发RGB荧光粉，器件的寿命空间分布明显要比蓝光空间分布要好，而且在约束的时候，它的光色差异会更小。

超高显指是未来发展的方向，由紫光激发红、绿，随着色温的升高，光效升高很明显，但是紫光激发其他的RGB荧光粉，光效很高很小，因此采用紫光引发RGB做超高显色指数，它往往用在暖白光，未来更多的发展趋势是随着色温升高，提高它的光效。

三．避免高能蓝光，减少蓝光危害

蓝光危害是指当蓝光辐亮度达到标准规定的2类或者3类时，会在较短的时间或瞬间对人眼造成的伤害，它所依据的标准是GB/T20145-2006/CIES009/E：2002，判定的依据是CTL-0744_2009-laser决议。而“富蓝化”的照明对人的生理影响则是润物无声地且要经过数个月甚至几年的时间才会明显影响到人的司辰节律的，这方面是目前世界科研的前沿课题，有较多的研究报告，但是还没有对应的考核标准。

蓝光是组成白色光的重要组成部分，所以在正常情况下滤掉蓝光的说法是片面的，按人的生理时辰节律选择光照成份和质量，才是正确的。为了避免因使用高色温富蓝光的LED照明产品对人体健康可能存在的不利影响，室内LED照明产品的色温不宜超过4000K，一般显色指数应达到80以上。室内照明应避免使用色温5000K及以上的LED照明产品。目前推广低色温LED产品技术和成本上已经完全可行.光生物安全（包括蓝光危害）关系到人们的身体健康和安全，规范照明产品这方面指标的国家标准应该是强制性的，但是目前的国家标准是GB/T20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》却为推荐性标准，建议将该标准的性质改为强制性，并建议增加到照明灯具CCC认证标准中。

四．加强光学设计，提高照明舒适度

合适的照明，能提高近视力和远视力。因为光亮下瞳孔缩小，视网膜上成像更为清晰，视物清楚。当照明不良时，因反复努力辨认，易使视觉疲劳，工作不能持久。眼睛疲劳的症状有眼睛乏累、怕光刺眼、眼痛、视力模糊、眼充血、出眼屎以及流泪等等。眼睛疲劳还会引起视力下降、眼球发胀、头痛以及其他疾病而影响健康，乃至工作失误甚至造成工伤。

实验表明，照度自10lx增加到1000lx时，视力可提高70％。视力不仅受物体亮度的影响。还与周围亮度有关，当周围亮度与中心亮度相等，或周围稍暗时，视力最好，若周围比中心亮，则视力会显著下降。在照明条件差的情况下，作业者长时间反复辨认对象物，使明视觉持续下降，引起眼睛疲劳，严重时会导致作业者的全身性疲劳。视觉疲劳可以通过闪光融合值、反应时的视力与眨眼次数等方法间接测定，表1通过眨眼次数的变化表明照度与视觉疲劳的关系，视觉环境应以提高工效、保证安全、健康、视觉舒适为原则，并注意节能和降低费用。衡量照度的标准，除取决于能否年看清物体以外，还有看清物体的容易程度和主观感觉是否舒适等因此，照度首先满足"可见度"，其次才是"满意度"照度水平要综合考虑视觉功效、舒适感、经济性和节能等因素不同的社会条件、不同地区的照度水平可能存在较大的差别。照明质量包括光环境的亮度分布、照度均匀度、光色和显色性、眩光限制水平、光的方向性和物体立体感等。

五．避免LED照明中的频闪

LED照明产品采用AC转DC的恒压或者恒流电源驱动，光源本身并不会产生频闪，有无频闪取决于LED驱动电源由于驱动器千差万别，每个LED产品的频闪表现也不一样。特别是有些厂家为了节约成本，使用了较为简单的驱动电路，如ACLED，会存在较大的频闪问题。而对于智能照明产品，调光是其必备的功能，而调光恰恰是导致频闪的另外一个诱因。而当产品加载调光功能时，频闪往往会进一步加剧。特别是在调光较暗时，其波动深度比较大，如下图所示。因此对于具有调光功能或者宣称可连接调光控制器的照明产品，应该在其分别在调光最亮以及调光较暗时测量其频闪表现。

2015年发布的IEEE文件中，将频闪风险分为几个等级，如下图所示，绿色面积覆盖的是无风险的等级，而黄色区域则是低风险类，超过黄色部分是不能被接受的。

照明产品的频闪问题因关系到人的健康和安全，已经得到了国际社会的广泛关注，特别是智能产品极易出现不可接受的频闪现象。对于频闪的评估，各种标准的计量方法都不相同，本文简要梳理国际主流法规和标准，推荐目前最为先进的检测设备，相信在已经验证的检测设备的帮助下，解决照明频闪可以事半功倍。

结束语

由于LED光源的显著优点和白光LED技术的逐步成熟，半导体光源中所具有的节能、长寿、光照均匀、灵活方便、绿色环保的应用在城市道路照明系统中越来越多，对节省建设资金，缓减用电矛盾，构建节约型社会具有重大意义总。LED灯具在设计和使用中如何有效提高光品质，增加照明舒适度，不仅有助于节约电能，节能环保，更是在关注人类的健康生活。作为设计开发人员应该从源头开始，从防眩光，提高光品质，减少蓝光危害，避免频闪等方面设计，提高LED灯具的光品质，提高LED灯具照明舒适度。

参考文献：

[1]洪晓、裴林、伍德生、陈松辉.LED灯具商业照明光色品质评价中国照明电器2016.11

[2]藤野雅史（日）.防眩光灯具基本知识及最新技术.中国照明电器，2016.3

[3]文尚胜LED灯具的光品质分析照明工程学报2011.10