分析白光LED在室內(nèi)照明中應(yīng)用

作為一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓庠矗琇ED的長壽命、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)受到了人們越來越多的關(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。雖然研究成果形勢喜人，但要生產(chǎn)出真正符合照明要求的市場化產(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，對促進(jìn)LED在室內(nèi)照明的應(yīng)用進(jìn)程提出了一些建議。

1、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)為研究對象，運(yùn)用實(shí)測、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、健康問題。也就是說，人體功效學(xué)的研究致力于設(shè)計(jì)和*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功能的需要，使人們能在一個(gè)合適的視覺環(huán)境中正常地開展工作，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、心理和生理的需要出發(fā)，綜合考慮多項(xiàng)因素，否則就會對人們的工作效率、心理或生理健康造成不良影響。

2、白光LED的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1光效

LED自上世紀(jì)60年代誕生以來，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。

2.2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，5WLED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。

2.3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)$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。
采用藍(lán)光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單，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轉(zhuǎn)化率較低，通常會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。

3、考慮人體功效學(xué)對白光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，因此人們對室內(nèi)照明環(huán)境的需求就越來越高。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。

3.1視覺功能的需求

為了滿足人們的視覺需求，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)行競爭。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。但對于小面積的重點(diǎn)照明，用少量能耗的LED可以滿足視覺的需要，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。