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今天,好好聊聊健康照明

2019/06/11

科學研究發現,光作為人體晝夜節律系統主要驅動力之一,無論是自然的太陽光還是人造光源,都會引發一連串的生理節律反應。光通過視覺和非視覺作用,不同程度地影響著人體健康。因此,倡導“健康照明”,提高光品質及舒適性具有非常重要的現實意義。

太陽光譜是最健康的光譜。太陽光譜主要包括紫外、可見及紅外光譜。紫外線具有殺菌消毒的作用.可以殺滅螨蟲等微生物或病原體,促進維生素D合成,對佝僂病和軟骨癥有預防和治療作用,還能預防老年人骨質疏松癥,有消炎止痛、促進局部血液循環、調節免疫力等作用;紅外線在人體組織代謝、血液循環、人體免疫功能增強等方面具有很好的治療作用;同時對于肌肉痙攣、肌肉勞損、軟組織損傷、身體組織消腫有治療作用。

所謂健康照明主要是指用于照明的人造光源光譜應盡可能接近太陽可見光譜(即仿自然光照明),照明必須滿足場所的功能性要求和人們的心理要求。既要求燈光的舒適度,又要在色溫、亮度、光與影的和諧度方面滿足人們的心理情緒。在高顯色指數的基礎上,減少藍光(R12)的相對能量,以防止藍光危害;增加紅光(R9)的相對能量,以促進人體的身心健康。

01藍光問題

據官方數據統計,我國7-12歲、13-15歲、16-18歲學生患有眼疾概率分別為45.71%、74.36%及83.28%,青少年眼疾發病率已超越日本成為世界第一大國。

人們普遍將原因歸為兩方面,一是孩子功課壓力大,過度用眼;二是長時間對著手機和平板電腦這類電子產品。兩方面因素造成了青少年眼部疲勞,致使眼睛調節能力下降,進而誘發眼部疾病。

根據國際照明委員會CIE于2002年發布的研究報告(CIE S 009/E:2012):藍光可以引起視網膜的光化學損傷,主要集中在視網膜色素內表皮細胞,并在視網膜上形成弧光和盲點。眼睛之所以能看到東西是因為視網膜上分布有視桿細胞和視錐細胞,其中視網膜軸向末端有個地方叫黃斑中心凹,這里是視力最敏銳、視覺細胞最豐富的區域,而之所以呈現黃色是因為其富含葉黃素。正常情況下,隨著年齡增長,黃斑凹老化引起視覺衰退。

但長期處于藍光照射下,過量的藍光直接進入視網膜并產生大量自由基,造成黃斑凹加速氧化,最終導致黃斑凹處的視覺細胞大量死亡,而這種損傷是無法自行修復的。

2018年4月,西班牙巴塞羅那全球健康研究所(ISGlobal)公布,夜間藍光照射的時間越長,人們的身體節律就越會被打破,從而導致乳腺癌和前列腺癌的發病率升高。這項研究結果“評估了在西班牙人工照明夜間曝光與乳腺癌和前列腺癌風險之間的關系。必須強調:任何波段的光譜只要超量都是有害的。

02藍顏色的光=藍光成分?

以下四張光譜圖從左到右依次是可見自然光、鎢絲燈(白熾燈)、熒光燈、LED燈。 

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四種光源的顏色依次為自然光、暖色、白、冷白。可以看出,即使是日常白熾燈發出的暖色光也一樣含有藍光成分。藍光成分普遍地存在于各類燈具和光源中,區別的只是藍顏色的光不怎么含有其他顏色的成分。而且白光LED是靠藍光激發熒光粉發出黃紅光,然后融合本身的藍色光一起形成白光,因此其藍光成分的比例相對較其他類別的光源更集中。

03健康照明的人造光源選擇

圖3是《IEEE PAR 1789-2015 危險性評估草案LED照明閃爍的潛在健康影響》中光源頻閃對觀察者造成危害的分級圖,綠色部分為不可察覺區(無危害區),黃色為低風險區,白色為有害區。人眼可以辨別的極限頻率大概是60Hz,也就是說靠視覺難以區分60Hz、100Hz和3000Hz發光頻率。大量研究指出,長時間暴露在有危害的光源頻閃環境中,輕則眼部疲勞視力衰退,重則頭暈惡心神經系統受損。

由于白熾燈和熒光燈都是直接工作在工頻下,因此其發光的頻率大概在100Hz前后(波形見圖4),對該頻率下波動深度無危害的上限標準規定為3。3%。僅依靠鎢絲發熱的白熾燈或者熒光粉余暉的熒光燈都是很難滿足這個要求。

非調光時,LED是恒流驅動,不存在頻閃問題;調光時可通過PWM等控制方式,將頻閃控制在3.3%以下,達到頻閃安全。所以,頻閃危害對傳統光源是個老大難問題,而對LED產品來說基本沒有頻閃危害問題。

另一方面,由于LED的易調光性及可在一個燈具中集成多種芯片,因此可實現更好的色彩還原,減少視覺疲勞。所以LED相對傳統光源在頻閃危害的控制、色彩還原度等方面更具優勢,同時也更節能環保。因此,只要設計合理、科學,作為健康照明的人造光源,LED照明將是最佳選擇。

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IEEE PAR 1789-2015 頻閃危害分級圖


04健康照明LED產品標準

健康照明是一個及其復雜的系統,直至目前國家并沒有關于健康照明的明確指標,健康照明還在前進、探索階段。

目前市場上的健康照明產品不少,但質量參差不齊,更多是商家促銷的噱頭,市場較為混亂,急需一個權威、統一、模板性作用的健康照明標準,引導健康照明行業的良性發展。雖然健康照明標準的制定并非易事,但其重要性不可忽視。

隨著照明產業的不斷發展,每項技術在能效和光的品質方面都各有所長,但不變的是標準的重要性,因為照明環境的質量、性能和安全性,甚至于我們的生活質量,都取決于標準。

目前主要參照的是:前面提到的CIE S 009后來被國際電工委員會IEC采納了,變成了IEC 62471:2006 燈與燈系統的光生物安全,這個便是關于光生物安全的第一部國際技術法規。然后這個IEC 62471:2006被歐盟采納并加嚴了部分要求后變成了EN 62471:2008,并在EC/244/2009 EUP指令中要求強制執行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 藍光危害項目,并強制執行。國內參照IEC 62471:2006發布了GB/T 20145-2006,其次GB 7000。1-2015也參照IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。

技術法規(標準): IEC/TR 62778:2014 沿用了IEC 62471:2006的測試原理和基本方法,對藍光危害劃分為光譜輻照度和光譜輻亮度兩個大類。照度就是視光源為一個點光源測定其投射到單位面積上的能量;亮度是把人眼作為一個點去直視光源,測定光源單位面積的能量。以下是IEC 62471:2006中給出的藍光危害的限值。

可以看出,標準對其結果分成三個等級,即豁免級、低風險和中風險。其中GB 7000.1-2015規定了燈具產品的藍光危害不可超過低風險,而且兒童可移式燈具及電源插座夜燈這兩個類別產品的藍光危害更是不能超過豁免級。

下圖是同等功率的不同色溫LED光源的光譜分布,可以看到色溫高(顏色偏冷)的LED藍光成分(大概430nm到490nm這部分)要遠遠高出色溫低的(顏色偏暖)。IEC推薦的不同色溫和光度低風險以下的組合數據:2350K、4000K以及6500K的推薦光度依次為不高于40Mcd/m2、8。5 Mcd/m2、5 Mcd/m2的亮度和4000Lx、850Lx、500Lx的照度。也就是說色溫越低,允許的光度越大。

結合辨識度、色彩還原和能效等綜合因素,推薦選擇色溫介于3500K-5000K、書桌照度介于300Lx-1000Lx、室內照度介于100Lx-350Lx的燈具產品。其中色溫產品外包裝一般有標示,照度值可通過安裝高度、擬使用的面積和使用產品總功率來粗略計算。例如,13W的LED臺燈發光面距離桌面400mm高度時正下方照度值約為1000 Lx,那么如果打算選購類似高度的LED臺燈產品,其功率就應該介于7W-13W之間。

而安裝高度增加一倍,照度衰減4倍。客廳面積50平方,高度大概3.5米,那么算上墻面的等效面積大概就是100多平方,要達到100Lx的照度水平,就需要100m2×100 Lx=10000 lm的光通量,那么按照LED一般的能效水平100 lm/W,那么就需要安裝總功率約合100W的燈具產品。

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光譜分布隨色溫變化圖

最后,就是盡可能選擇帶光線擴散板(透明陶瓷片或乳白色磨砂罩)的燈具產品。下面有一組比對數據可以看到,同一樣品編號白黑兩組測試數據分別代表帶有磨砂罩和去掉磨砂罩時的結果。可以看到去掉磨砂罩后,藍光輻亮度普遍上升了10倍到100倍之間。

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去掉磨砂罩前后藍光危害的比對圖

05目前照明技術存在的問題

LED光源是一種具有環保、節能、長壽命等特性的綠色光源。同時,LED相對傳統光源在頻閃危害的控制、色彩還原度等方面更具優勢。因此,LED照明正在逐步取代日光燈和節能燈。

然而,目前白光LED照明主要通過藍色LED+黃色熒光粉來形成。白光LED的光譜范圍較窄,尤其是短波藍光區域的能量比較集中,與太陽光譜實際相差很大,還有明顯的眩光效應,使得LED照明光源對人體長時間照射會產生不利影響。現有的點膠與封裝工藝存在光衰減風險;又因其散熱性差,不能適應大功率照明要求。

盡管目前一些企業已經建立自己的標準,如具有明確指標,確保無藍光、無眩光、無頻閃等。其顯色指數、色溫、照度、亮度等指標都符合GB/T 20145-2006、GB 7000.1-2015的要求,但沒有任何一個標準,具有絕對的權威性,可保證產品按此標準生產出來,就一定是健康照明產品。

上述圖譜也說明,雖然市場商用照明燈具大多滿足前面所提到的指標值,但是現有日光燈和LED燈大多有明顯的藍光,光譜都明顯偏離自然光譜,并不是健康照明產品。

判斷一個照明燈具是否是健康照明產品除了顯色指數、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等指標外,一個極其重要的判據應該是該產品的光譜圖與可見自然光光譜圖的吻合度。因為即使該產品的光譜圖明顯偏離自然光譜,其顯色指數、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等技術指標也可以達到要求,但明顯偏離可見自然光光譜的產品,并不是真正的健康照明產品。

可以認為產品光譜圖與自然光譜吻合度大,又滿足上述指標要求的產品應該是健康照明產品。隨著行業對健康光環境認識的深入,相信未來會有更加完善的標準出現。

06健康照明技術的發展趨勢

2018年3月,第十屆法蘭克福國際燈光照明及建筑物技術與設備展(Light+Building 2018)中一大亮點為COELUX的燈具系統(圖A),采用了LED 光源,并使用含有產生瑞利散射的二氧化鈦納米顆粒的透明聚合物,來模仿大氣層分解不同波長的光,從而達到逼真的太陽光效果。

2018年5月波士頓Tech Jam展會上,歐司朗首次展出人因照明(HCL)技術(圖B),成為展會上的焦點之一。“人因照明” 其實就是仿自然光照明技術,技術關鍵就是提供高效穩定的仿自然光照明光源。

2018年6月21日,韓國LED 照明公司Mimi照明結合首爾半導體的最新光半導體技術和東芝材料公司的“TRI-R技術”,開發一種太陽光光譜的復制技術的新一代光源(圖C)。它能優化RGB(紅、綠、藍)三原色的平衡,類似于太陽光的光譜,并把LED中眾所周知影響生理效應的藍光降低到接近太陽光的水平。 SunLike這種新一代LED技術已經被應用于家庭照明,為消費者提供健康照明。在2018年的愛迪生獎頒獎典禮上,SunLike被列為“十大必看產品”,其技術得到了全球專家的認可。此外,2018年3月,它還獲得了德國電子零件雜志Elektronik”的年度產品金獎。

2018年6月,佛山國星光電采用長波紫光芯片和特殊熒光粉技術,全光譜系列LED光譜接近太陽光(圖D),顏色品質逼近太陽光,光譜覆蓋400-780 nm波段,可實現高品質的太陽光式照明,且紫光波段比標準參考光源低,減少了低能波段(400-440 nm)對視網膜的損傷,是更健康、更舒適的人工太陽光。

上海師范大學項目組基于發光陶瓷與多光色LED復合芯片光源設計的結合,得到光譜更接近可見自然光的LED健康照明器件:以商品透明氧化鋁陶瓷為基片,采用陶瓷制釉工藝,以多種LED發光材料、介質及基礎釉料配成發光釉料,通過靜電噴涂、絲網印刷等工藝涂布在透明陶瓷基片上,低溫燒結,不要求還原氣氛,得到發光陶瓷。再組裝LED芯片,成為LED照明用發光陶瓷制品。這種方法的特點是:工藝設備簡單;節能環保;透明陶瓷的加工尺寸和力學性能有保障。

另外,加工工藝對材料的發光性能影響小,也有利于后續LED芯片組裝及應用。改變熒光粉的組成及發光層的厚度,可以調節出光效率和光譜特性。多光色LED復合芯片光源的設計;確保芯片功率和光譜匹配。復合芯片光源可以共激發發光陶瓷并可調制照明器件的光色性。

結合上述發光陶瓷與復合光源,采用倒裝的方式組裝復合LED芯片,得到光譜更接近可見自然光(圖A)的LED健康照明器件,色溫5127K(圖B),顯色指數Ra達到98(圖C),發光效率95Lm/W,光譜覆蓋400-720 nm波段,藍光成分比自然光降低,減少了藍光波段(400-440 nm)對視網膜的損傷;光譜的舒適度、色溫、亮度、光與影的和諧度等方面更容易滿足人們的心理情緒,優化了自然光光譜,真正實現仿自然光LED健康照明。

用上述類似的技術,以玻璃、透明塑料片為基板,用硅膠作為粘結劑,涂覆多種LED發光材料,得到發光玻璃及塑料發光片,再組裝多光色復合LED芯片,同樣得到仿自然光LED健康照明器件。

使用本方法制備的LED照明器件,保持LED照明節能、環保的特點。可以減少藍光,光譜均衡、連續。同時,由于發光陶瓷具有很好的導熱性能及光散射作用,照明光源實際為面光源,大大減少了眩光效應,利用這一技術還可滿足大功率照明的應用需求。該技術不需點膠工藝,可以大大降低光衰減風險,同時可增加熒光粉的用量和選擇范圍。該制備方法工藝簡單,生產周期短,成本低,適合規模生產。該技術的中國專利申請已受理。

文章來源于LEDinside

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