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LED對光色和健康的影響

日期:2017-07-11
    世紀90年代初藍光LED芯片問世,繼而用藍光芯片激發黃色光熒光粉混合制成的白光LED光源誕生。白光LED燈用于普通照明領域,與傳統白熾燈、熒光燈相比有光效高、壽命長、可調光等優點,是照明領域的大變革。在國家大力推廣和扶植下,國內LED產業發展異常迅速,目前LED已廣泛應用于室內外照明領域。國內LED照明的生產企業眾多,技術水平參差不齊,產品質量懸殊大,應用中問題不少,尚不為人們充分接受。其中眩光和光色問題最為突出,國內已有一些討論藍光的文章。本文先簡述LED特點,再討論光色對人類視覺作用的影響,希望引起生產者和使用者的充分認識,讓LED照明產業健康發展。
  一、LED照明光源
  白熾燈發明已有130多年,熒光燈也有70多年的歷史,人們已習慣在這類光色環境中生活。因此要改善LED照明的光色特性,應盡量向前兩類光源靠近,求得人們能完全接受的LED光色。熒光燈是利用汞原子在激發電離放電中產生254 nm紫外線照射到三基色熒光粉上,得到色溫2700-6500K的光色,發光效率最高約110 lm/W,一般為60-80 lm/W。通常色溫高的光源光效高;色溫低的光源光效低。
  1.LED光源工作特點
  現在普及型LED光源中采用的是氮化鎵(GaN)芯片,發射的藍光波峰值約為450nm,藍光與其激發的熒光粉輻射的黃色光可合成白光。這種LED的特點是色溫高、光效高、顯色性差,輸出光中含有近50%的藍光。為了得到中、低色溫的LED光源,可將藍色光束輻射到紅、綠色的稀土熒光粉體上,調整各色熒光粉配比就能制得高顯色(Ra≥80)的光源,其輻射光中藍光會減少,但光效明顯低于高色溫光源。LED光源是色溫高的光效高,色溫低的光效低,與熒光燈的特性相反。
  LED光源的發光面積小,表面亮度高,光束呈小立體角的定向輻射,含有較多藍光,直接用于照明會讓人感到不舒適。藍光會對人類產生許多作用,如光化學、生理物理、心理等效應,即所謂“藍光效應”。
  2.LED照明光源應用
  LED光源目前最高發光效率已達200 lm/W以上,工作壽命約30000小時以上。LED燈泡若用來替代白熾燈泡,則節能效果巨大;若與節能熒光燈比,光效提高不是很大。直管型LED燈與熒光燈管相比,光效最多提高1倍。而LED燈能連續調光,利于節能,但是光照度分布不均勻。
  LED光源的工作特性是離散性較大,穩定性較差。當工作電流或環境溫度變化時,其發光效率和色溫隨之變化。在壽命期內,光效會降低,色溫也會漂移。其次,半導體PN結耐熱性能差,一旦結溫過高,工作穩定性變差,壽命縮短,甚至失效。LED光源不能在較高溫度的環境中使用。
  市售的一些LED光源與節能熒光燈比,照明光色品質較差,常使人感到刺眼。尤其對室內照明,目前國內市場優質的LED照明產品不多,若讓低價劣質產品充斥市場,必將危害人類的健康。
  二、視覺光環境
  人類接收的信息約有80%由視覺獲取。視覺首先關注的是顏色,也是視覺特征的珍貴功能。每個人的色覺敏感程度有異,因個人視細胞的色知覺能力不同,也與周圍視環境所處的狀態密切相關。人類在進化過程中,受各種各樣的環境變化基因會隨之變化,在進化中逐步適應。但是,這種進化適應是十分緩慢的。要適應光環境的變化或許需要幾代人。當前LED光源呈現的光色變化很大,人們周圍的光環境處在大變革期,光污染嚴重,人的視覺較難適應,必然感到不舒適。值此,需要深入追索其因,采取有效措施,研制出品質可靠的LED光源。
  三、眼球的透光性
  自然界中存在紫外線、可見光、紅外線等。眼球的透光性與這些光的波長相關。
  1.紫外線
  遠紫外線UVC(<280 nm)可被角膜吸收;中紫外線UVB(280-315 nm)和近紫外線UVA(315-380nm)可被角膜和水晶體吸收。UV-A有少量可透過視網膜,抵達眼底脈絡膜。在強烈的紫外線照射下,角膜表層的上皮細胞會發生光化學反應,造成角膜開裂及上皮剝離的角膜炎,如電光性眼炎、雪盲性眼炎等。在較弱的紫外線下長期受輻射,晶狀體會混濁受損,產生白內障病癥。
  2.可見光
  可見光(380-780nm)進入眼睛內,通過角膜、房水、晶狀體、玻璃體等屈光間質,最后在視網膜上成像。眼睛接到光信號后,傳遞給神經系統。對LED照明而言,最關注的是380-550nm的藍色光,峰值在450nm附近。藍光波長比其它可見光短,容易透過眼球,抵達視網膜。如果溫度較高還會發生凝固效應,產生白內障。生活用品中也存在許多藍光,如兒童玩具、激光指示器等,若使用不當會損傷視網膜、脈絡膜,嚴重的會破壞視覺功能。
  3.紅外線
  紅外線中的近紅外IRA(780-1400nm)吸水性較差,但滲透性優良,可以到達眼底;中紅外IRB(1400-3000nm)和遠紅外IRC(>3 000nm)可被角膜、房水、晶狀體、玻璃體中的水分吸收。因此,玻璃加工者、紅外激光器研究者等容易患白內障眼病。
  四、眩光
  眩光主要取決于發光體的亮度。若發光體的光通量相同,發光面積越小,表面亮度越高。LED光源發光面積小,亮度高,必定產生眩光。其次,光源的色溫越高,含藍光越豐富,透入眼睛的能力就越強,刺激性就越大。如果眼睛直視裸露光源,會感覺不舒適,注意力分散或視覺能力下降,會傷害視網膜。
  LED光源和燈具設計中必須考慮降低眩光。例如,液晶顯示器LED背光源模板中置有光散射板,用于增大發光面積,并將各發光點的光色相互混合,得到亮度、色溫均勻的平面光源。同理,在LED照明光源的前方配置光散射的、透鏡、泡殼或管殼壁,或者在照明燈具出光處裝散射板可獲得較均勻的輻射光,也可以加隔柵板,減少眩光污染。