LED藍(lán)光危害:檢測合格即安全?

饒 豐 胡春香 楊 武

(1.常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇常州 213002;2.江蘇省丹陽高級中學(xué)，江蘇丹陽 2123000;3.杭州創(chuàng)惠儀器有限公司，浙江杭州 310015)

1 引言

發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode，LED)具有重量輕、體積小、能耗低、響應(yīng)速度快、抗震性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)越的性能，是最有潛力的下一代光源［1，2］。隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED光效和功率不斷增大，亮度也不斷提高。過去LED出射光不會(huì)對人體造成危害的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返［3］，因此，研究LED產(chǎn)品的光生物安全性，具有重要的意義。

2002年國際照明學(xué)會(huì)出版了 CIE S009/E:2002，規(guī)定了燈和燈系統(tǒng)生物安全六大測試項(xiàng)目及其安全限值。2006年，國際電工委員會(huì)等同采用該標(biāo)準(zhǔn)，出版了IEC62471:2006。由于lEC在安全方面的巨大影響，燈具光生物安全迅速得到人們的重視。2008年，M.Paul等研究了LED光生物安全測量時(shí)遇到的問題和解決方法［4］。2010 年，K.C.Smith研究了激光和LED光生物安全的區(qū)別［5］。2011年，P.N.Youssef等分析了光對視網(wǎng)膜的危害的原理和人眼的自我保護(hù)機(jī)制［6］。2012年，P.P.Zak和M.A.Ostrovsky研究發(fā)現(xiàn)LED照明對兒童和青少年的潛在危害比成人更大［7］，A.V.Aladov、A.L.Zakgeim和 M.N.Mizerov研究了色溫從1800K到18000K的LED燈具的藍(lán)光危害，發(fā)現(xiàn)在同樣照度下，色溫越高，藍(lán)光危害越大［8］。同年，我國的陳慧挺等對大功率LED路燈的光生物安全性進(jìn)行了測量［9］，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光危害是最主要的危害因素。然而，這些研究均是針對規(guī)定溫度，規(guī)定的老化時(shí)間和額定電流下光生物安全進(jìn)行研究。在實(shí)際使用過程中，LED的光生物安全性隨環(huán)境溫度、隨點(diǎn)燈時(shí)間和驅(qū)動(dòng)電流變化，而目前鮮有LED光生物安全隨點(diǎn)燈條件變化的分析和實(shí)驗(yàn)。

本文選擇LED光生物安全最主要的因素——藍(lán)光危害為研究對象，選擇功率為1W、光電性能較均一的大功率白色LED30余只為研究樣本，運(yùn)用LED光色電綜合分析儀，測量環(huán)境溫度25℃時(shí)電流從30mA到400mA時(shí)的光譜，額定電流時(shí)，環(huán)境溫度從20℃到70℃時(shí)的光譜，以及12周內(nèi)每老化一周的光譜，然后計(jì)算藍(lán)光相對加權(quán)輻射亮度和單位光通量內(nèi)藍(lán)光相對加權(quán)輻射亮度，得到這兩個(gè)參數(shù)隨電流、溫度和點(diǎn)燈時(shí)間的變化規(guī)律，并分析導(dǎo)致變化的原因。因此，實(shí)際LED照明安全性需要考慮點(diǎn)燈條件。

2 實(shí)驗(yàn)

選擇Philips公司同型號1W熒光粉轉(zhuǎn)換型白色LED50余只，標(biāo)稱色溫5500K，標(biāo)稱光通量85lm。然后，測量LED實(shí)際的光通量和色溫，剔除實(shí)測值與標(biāo)稱值差異較大的LED，最后得到30余只LED，作為研究樣本。

本研究的實(shí)驗(yàn)裝置是LED光色電綜合測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)控高精度恒流電源給待測LED供電，積分球和光譜計(jì)能夠快速測量待測LED的光通量和光譜分布，通過電腦處理，可以得到待測LED的色坐標(biāo)，恒溫夾具給LED提供穩(wěn)定的基底溫度。

圖1 光色電綜合分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Light，color，electricity comprehensive analysis system

不同驅(qū)動(dòng)電流下，LED光譜測量時(shí)，保持基底溫度為25±1℃，驅(qū)動(dòng)電流從30mA開始，每10mA測量一次，一直測到400mA。

不同環(huán)境溫度下，LED光譜測試時(shí)，采用350mA驅(qū)動(dòng)電流，基底溫度從20℃上升至70℃，每隔10℃測量一次光譜.

LED老化實(shí)驗(yàn)過程中，保持環(huán)境溫度25±1℃，LED的驅(qū)動(dòng)電流400mA，誤差3%。分別測量12周內(nèi)，每老化1周后的LED光譜，測試時(shí)，基底溫度為25±0.1℃，驅(qū)動(dòng)電流為350mA。

為了測量準(zhǔn)確，每次測量前穩(wěn)定10分鐘。

3 數(shù)據(jù)處理

對于調(diào)光型LED燈具，一般是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小，來改變光輸出的;對于非調(diào)LED燈具，一般采用恒流驅(qū)動(dòng)，輸出與溫度、點(diǎn)燈時(shí)間變化而變化，因此，本文選擇藍(lán)光加權(quán)輻射亮度 (Lb)為研究對象。另外，IEC62471:2006要求測量最佳照度面上的藍(lán)光危害［10］，此時(shí)，進(jìn)入人眼的光通量大小相似，因此，本文還研究了單位光通量內(nèi)的藍(lán)光加權(quán)輻射亮度 (Lb/Ф)。

標(biāo)準(zhǔn)IEC62471:2006規(guī)定:對于對邊角大于0.011弧度的光源，其藍(lán)光加權(quán)輻射亮度L計(jì)算公式為:

式中，Lλ(λ，t)是LED的光譜輻射亮度，B(λ)是藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)給出。為了研究的方便，我們選擇1只LED(編號1)為參考對象，并忽略在測量時(shí)間 (約20分鐘)內(nèi)，LED光譜的變化，則其他LED的相對藍(lán)光相對加權(quán)輻射亮度Lb:

式中:S(λ，t)為LED的光譜，S1(λ，t)為參考LED的光譜，將不同條件的光譜代入，即可得到Lb及Lb/Ф隨隨驅(qū)動(dòng)電流、環(huán)境溫度和點(diǎn)燈時(shí)間的變化規(guī)律。

4 結(jié)果

圖2 Lb，Lb/Ф隨電流的變化曲線Fig.2 Lb，Lb/Ф variation with current

圖2(A)是在不同的驅(qū)動(dòng)電流下，5只LED的Lb隨電流的變化曲線，可見:隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，Lb幾乎線性不斷增加。由于LED結(jié)構(gòu)不同，5只LED的曲線存在差異，這種差異隨著電流的增大而增大。圖2(B)是驅(qū)動(dòng)電流從30mA到380mA時(shí)，5只LED的Lb/Ф隨電流的變化曲線，可見，隨著電流的增加，Lb/Ф也不斷增加，不同LED的變化規(guī)律基本相同，變化幅度均約8%。

圖3 Lb，Lb/Ф隨點(diǎn)燈時(shí)間的變化曲線Fig.3 Lb，Lb/Ф variation with lighting time

圖3(A)是30只LED的Lb隨點(diǎn)燈時(shí)間的變化關(guān)系，可見:在前5周內(nèi)，隨著點(diǎn)燈時(shí)間的增加，Lb指數(shù)變小;5周后，LED的性能基本穩(wěn)定，Lb也基本穩(wěn)定。圖3(B)是隨點(diǎn)燈時(shí)間的變化曲線，可見，在相同的點(diǎn)燈時(shí)間內(nèi)，不同LED的Lb/Ф大小不同，這是由于不同LED結(jié)構(gòu)不同，熱阻也不同造成的。但是，對于同一LED，Lb/Ф隨點(diǎn)燈時(shí)間增加而增大，變化規(guī)律一致，12周內(nèi)變化的幅度約為10%。

圖4 Lb，Lb/Ф隨環(huán)境溫度的變化曲線Fig.4 Lb，Lb/Ф variation with ambient temperature

圖4(A)是10只LED的Lb隨溫度的變化曲線，可見，隨著溫度的增加，Lb線性減小，20℃到70℃內(nèi)，減小了6%左右。圖4(B)是Lb/Ф隨溫度變化曲線，可見，隨著溫度的增加，相同的光通量內(nèi)下，LED的藍(lán)光危害隨著環(huán)境溫度的增加而增加，但幅度較小，約2%。

5 討論

圖5 藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù)和白色LED光譜Fig.5 Blue light hazard and W－LED Spectrum

圖5為藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù) (實(shí)線)和熒光粉轉(zhuǎn)換型白色LED的歸一化光譜 (虛線)，可見，藍(lán)光輻射峰與藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù)吻合，對于熒光粉轉(zhuǎn)換型白色LED，藍(lán)光加權(quán)輻射亮度主要由藍(lán)光芯片的輻射峰決定。

圖6(A)、(B)和 (C)是輻射功率隨點(diǎn)燈條件的變化曲線，可見:Lb芯片輻射功率隨條件的變化曲線與藍(lán)光危害的變化曲線高度相關(guān)。LED藍(lán)光輻射加權(quán)亮度大小主要由芯片的輻射功率決定。

圖6 (A)輻射功率隨驅(qū)動(dòng)電流的變化，(B)輻射功率隨點(diǎn)燈時(shí)間的變化，(C)輻射功率隨環(huán)境溫度的變化Fig.6 (A)Power variation with current，(B)Power variation with lighting time，(C)Power variation with ambient temperature

Lb/Ф隨歸一化藍(lán)光芯片輻射譜的變化而變化。如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路增大時(shí)，光譜藍(lán)移，半高全寬的變化僅2nm，因此，Lb/Ф不斷增大。如圖8所示，隨著點(diǎn)燈時(shí)間的增加，峰值波長和半高寬雖然變化不明顯，但熒光粉發(fā)的光相對減少，LED光譜中藍(lán)光相對增多，Lb/Ф也就不斷增大。如圖9所示，而隨著溫度的增加，藍(lán)光峰值波長略紅移，但光譜半高全寬略變大，因此Lb/Ф僅略變大2%。

圖7 不同驅(qū)動(dòng)電流下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線。Fig.7 Variation curve with different current

圖8 不同點(diǎn)燈時(shí)間下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線。Fig.8 Variation curve with different lighting time

圖9 不同溫度下LED的歸一化光譜及峰值波長、半高寬隨驅(qū)動(dòng)電流的變化曲線。Fig.9 Variation curve with different temperature

6 結(jié)論

本文實(shí)測不同點(diǎn)燈條件下同一批LED樣品的光譜，計(jì)算其相對藍(lán)光加權(quán)輻射亮度Lb和相對單位光通量內(nèi)的藍(lán)光加權(quán)加權(quán)輻射亮度Lb/Ф，發(fā)現(xiàn)Lb隨驅(qū)動(dòng)電流的增加線性增大，隨環(huán)境溫度和點(diǎn)燈時(shí)間的增加減小;Lb/Ф隨驅(qū)動(dòng)電流、環(huán)境溫度和隨點(diǎn)燈時(shí)間的增加而增大。最后分析了Lb和Lb/Ф的變化原因。

LED光生物安全性是目前半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，研究LED藍(lán)光危害隨點(diǎn)燈條件的變化規(guī)律，有利于測算實(shí)際照明條件下的藍(lán)光危害，有利于LED健康照明，有利于LED標(biāo)準(zhǔn)的修訂。

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