一種評估LED藍(lán)光危害的方法

饒 豐，吳曉程，王雅靜，許 昊

(1.常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，213002,江蘇,常州；2. 常州光電技術(shù)研究院，213002,江蘇,常州；2.常州光電子材料與器件重點實驗室，213002,江蘇,常州)

一種評估LED藍(lán)光危害的方法

饒 豐1,2,3，吳曉程1，王雅靜1，許 昊1

(1.常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，213002,江蘇,常州；2. 常州光電技術(shù)研究院，213002,江蘇,常州；2.常州光電子材料與器件重點實驗室，213002,江蘇,常州)

提出了一種估算熒光粉轉(zhuǎn)換型LED的藍(lán)光危害方法。先選擇同型號普通照明用白色LED樣品21只，用光譜儀測量其正常發(fā)光下的歸一化光譜分布，然后計算光源的色溫和藍(lán)白比，以及在藍(lán)光危害限值范圍內(nèi)可以容許的亮度，最后得到在藍(lán)光危害限值內(nèi)，容許亮度與色溫和容許亮度與藍(lán)白比的關(guān)系。研究表明：對于該類型的熒光粉轉(zhuǎn)換型LED，當(dāng)色溫小于7 500 K時，亮度在100 000 Cd/m2以下不會引起藍(lán)光危害，如果LED的熒光粉失效，只要亮度小于31 400 Cd/m2,也不會對人眼造成藍(lán)光危害。色溫和容許亮度曲線及藍(lán)白比和容許亮度曲線隨溫度變化很小，對于同一類型白色LED，這2條曲線均可用來評估LED燈具是否對人眼構(gòu)成藍(lán)光危害。

藍(lán)光危害;發(fā)光二極管;色溫;藍(lán)白比

0 引言

LED亮度高、壽命長，節(jié)能環(huán)保，被認(rèn)為是下一代理想的光源[1-2]。目前，LED已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于照明和顯示領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，LED光效和功率進(jìn)一步增大，亮度將越來越高。當(dāng)人們在享受的LED帶來的高亮和舒適的同時，LED也有可能造成人眼的輻射危害[3]。其中，藍(lán)光危害就是最典型的危害[4]。因此，準(zhǔn)確、方便、快捷地評價LED燈具的藍(lán)光危害，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

為了規(guī)范光生物安全性(包括藍(lán)光危害在內(nèi))的檢測，2002年國際照明學(xué)會發(fā)布了CIES009/E:2002《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，2006年，國際電工委員會等同采用了該標(biāo)準(zhǔn)，出版了IEC62471：2006年[5]、2008年、2009年又進(jìn)行了修改，最終發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR62471-2-2009。2012 年IEC又發(fā)布了技術(shù)報告IEC/TR62778-2012《IEC62471標(biāo)準(zhǔn)的光源和燈具的藍(lán)光危害評價應(yīng)用》[6]。我國于2006年也等同采用了CIES009/E：2002，出版了國家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T20145-2006[7]。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)光危害是由光譜輻射亮度加權(quán)藍(lán)光危害系數(shù)得到，但是，在實際測量中，要想得到準(zhǔn)確結(jié)果，光譜儀步長要求為0.2 nm，光譜誤差不大于3%，同時對點燈條件(如電流波動，溫度等)有著嚴(yán)格的要求[8]。因此，該方法一般在實驗室使用，不方便在生活中對一般照明進(jìn)行評估。同時，該標(biāo)準(zhǔn)是針對一切燈具，并不體現(xiàn)LED燈具的特點。

照明用LED一般是采用熒光粉轉(zhuǎn)換型光源，其歸一化光譜有著自己的規(guī)律[9]，本文擬結(jié)合LED光譜特性和亮度，設(shè)計出一種適用于日常生活，根據(jù)常規(guī)量即可評估LED藍(lán)光危害的方法。

1 理論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，燈具的藍(lán)光危害一般用藍(lán)光加權(quán)輻射亮度表示[4]：

(1)

式中：L(λ)是光譜輻射亮度，B(λ)是藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)給出，△λ是采樣間隔。無危害級燈具的加權(quán)輻射亮度小于100。對于LED燈具，L(λ)與歸一化光譜基本成正比：

B(λ)△λ

(2)

式中：x為系數(shù),spec(λ)是歸一化光譜。而x可以通過歸一化光譜spec(λ)和LED燈具的亮度L求得：

△λ

(3)

式中V(λ)是人眼的視見函數(shù)。

可見，如果已知LED燈具的亮度L和歸一化光譜spec(λ)，則藍(lán)光危害可以計算出來。

對于熒光粉轉(zhuǎn)換型LED，歸一化光譜與色溫或藍(lán)白比存在著內(nèi)在的聯(lián)系，因此，LED藍(lán)光危害與亮度、藍(lán)白比或色溫直接應(yīng)該存在內(nèi)在的聯(lián)系，本研究就是基于這種聯(lián)系，開發(fā)出一種方便快捷地藍(lán)光危害估算方法。

2 實驗

從200余只Philip公司生產(chǎn)的功率為1 W的熒光粉轉(zhuǎn)換型LED中選擇色溫較均勻地分布在4 500～7 500 K范圍內(nèi)的21只。采用光色電綜合測試系統(tǒng)測量LED的歸一化光譜分布，儀器結(jié)構(gòu)如圖1，數(shù)控高精度恒流電源給待測LED陣列供電，電流誤差為±1 mA，恒溫器給LED陣列提供穩(wěn)定的襯底溫度，精度為±0.3 ℃。積分球和光譜儀結(jié)合能夠準(zhǔn)確地測量待測LED陣列的歸一化光譜分布。

測試前，LED均老化12 h，老化過程中，保持環(huán)境溫度25±1 ℃，LED的驅(qū)動電流350 mA，誤差3%。測試中, 保持環(huán)境溫度變化不超過1 ℃，無明顯對流風(fēng)。

圖1 光色電綜合分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到無危害級燈具的藍(lán)光危害加權(quán)亮度LB限制為100，可以將歸一化光譜代入式(2)，計算出LB=100時的x值。然后代入(3)式求出對應(yīng)的LED亮度。同時，由歸一化光譜求出LED色溫和藍(lán)白比。最后，分析LB=100時，亮度與色溫或藍(lán)白比的關(guān)系。

考慮到LED燈具光譜隨著外界溫度變化而變化，本研究分別測量了10～40 ℃時，間隔為5 ℃時350 mA驅(qū)動電流下的歸一化光譜，分析LB=100時，亮度與色溫或藍(lán)白比的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

圖2是所選21只樣品的實測色溫分布圖,圖2中按色溫增值排列，橫坐標(biāo)為LED樣品的編號，縱坐標(biāo)為實測的色溫?？梢?，所選樣品基本呈均勻分布。圖3是色溫最高的1號和最低的21號樣品的相對光譜分布，很明顯，色溫高的LED，光譜中藍(lán)光成分比較高，藍(lán)白比[10]比較高，色溫低的LED，光譜中熒光粉發(fā)的光比較多，藍(lán)白比比較低。

圖2 LED樣品的色溫

圖3 1號和20號LED的光譜

圖4是燈具無藍(lán)光危害時，LED色溫與亮度的關(guān)系。可見，對于環(huán)境溫度從10～40 ℃范圍內(nèi)的7條曲線，差別很小，幾乎重合；同時，如果要求燈具不超過藍(lán)光危害限值，LED色溫越高，可允許的亮度越小。如果燈具的色溫-亮度坐標(biāo)在曲線的右上方，則藍(lán)光危害超過限值，離曲線越遠(yuǎn)，超過限值就越多。如果在左下方，則藍(lán)光危害不超限值，無危害。更有意義的是，如果燈具色溫7 500 K以下，亮度小于100 000 Cd/m2時，沒有藍(lán)光危害。

圖4 LED色溫與LED最大容許亮度的關(guān)系

圖5是藍(lán)光危害為100時，藍(lán)白比與LED亮度之間的關(guān)系?？梢?，藍(lán)白比越高的LED，容許的亮度越小，同樣地，如果某個燈具的亮度-藍(lán)白比坐標(biāo)坐落在圖5的右上方，則超出了限值，如果坐落在左下方，則藍(lán)光危害符合要求。曲線擬合方程為：

(4)

因此，對于樣品LED，即使藍(lán)白比為1，即熒光粉失效，不發(fā)光，只要亮度小于31 400 Cd/m2，也不會造成藍(lán)光危害。

圖5 藍(lán)白比與LED最大容許亮度的關(guān)系

LED燈具的色溫和藍(lán)白比利用手持式光譜計就可以測量，亮度則可以通過亮度計測量，而白色LED的光譜大多由藍(lán)光芯片和熒光粉發(fā)出的光組成，色溫和藍(lán)白比基本能夠描述這2個部分的關(guān)系。因此，通過這些常規(guī)測量，結(jié)合圖4、圖5，能夠得到LED的藍(lán)光危害。相對于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，該方法測量難度低、速度快，方便在生活和生產(chǎn)中使用。

本文的方法要求首先得到藍(lán)白比或色溫與最大容許亮度的曲線，對于同一種類型的光源，歸一化光譜相似，本方法的準(zhǔn)確度比較高，如果換一種類型，則要求另測新類型LED的藍(lán)白比或色溫與最大容許亮度曲線，這是因為對于不同類型的LED，由于可能存在同色異譜現(xiàn)象，因此，一般不能用同一條曲線。

4 結(jié)論

本研究首先測量了熒光粉轉(zhuǎn)換新LED光譜，然后計算了藍(lán)光危害為限值時，LED的亮度、色溫和藍(lán)白比，發(fā)現(xiàn)兩者存在良好的數(shù)學(xué)關(guān)系。進(jìn)而提出，采用亮度和色溫或藍(lán)白比估算照明用LED燈具的藍(lán)光危害。

本方法對測量儀器的要求低，所測量均為常規(guī)量，因此，適合生活中LED照明的藍(lán)光危害估算，有利于促進(jìn)LED科學(xué)照明、健康照明和綠色照明。

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AMethodtoEvaluatetheBlueLightHazardofPhosphorConvertedLED

RAO Feng1,2,3,WU Xiaocheng1,WANG Yajing1,XU Hao1

(1.Colleague of Photoelectric Engineering,Changzhou Institute of Technology,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Institute of Photoelectrical Technology of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC)

A method for estimating blue light hazard of phosphor converted LEDs is developed.21 LED samples of the same type for general lighting are selected,and then the relative spectra of these LEDs are measured.The color temperatures and the ratios of blue light to white light (B/W ratios) are calculated,and then the irradiance of LED while the blue light hazard reaches the maximum value are got.Finally,the relationship among maximal irradiances,color temperatures and B/W ratios are obtained.It is shown that there is no blue light hazard when the irradiance is less than 100 000 Cd/m2for the phosphor converted LEDs with color temperature less than 7 000 K.The blue light is no harmful effect when the irradiance is less than 31 400 Cd/m2even the phosphor is useless.Color temperature-irradiance curve and B/W ratio-irradiance curve change little with ambient temperature,which can be used to evaluate the blue light hazard of LED lamps.

blue light hazard;light emitting diode;color temperature;B/W ratio

2014-06-05;

2014-07-02

饒 豐(1983-)，男，博士，講師，主要從事LED光色電性能檢測及生物安全方面的研究。

常州工學(xué)院重點項目(No:YN1209)；常州光電技術(shù)研究院項目(No:CZGY003)；大學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(GDS130109)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.007

O432.2

A

1001-3679(2014)04-0455-04