全光譜LED在專業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用

飛利浦燈具（上海）有限公司 李亞利

LED光源，一種固態(tài)半導(dǎo)體光電器件，作為第四代照明技術(shù)，由于綠色環(huán)保，高效節(jié)能，壽命長，可智能化的優(yōu)點(diǎn)已被廣泛使用在照明，汽車，顯示等各個行業(yè)。照明市場一般可劃分為普通照明和專業(yè)照明，而專業(yè)照明產(chǎn)品相對于普通照明產(chǎn)品具備更高技術(shù)附加值和利潤率，因此越來越多的企業(yè)開始朝專業(yè)照明細(xì)分領(lǐng)域發(fā)力，例如工業(yè)照明，辦公照明，商業(yè)照明，體育照明，景觀照明等等。但是不同的專業(yè)照明領(lǐng)域?qū)庠葱阅艿囊蠓浅＞唧w，如發(fā)光效率，光質(zhì)量，發(fā)光角度等，其中光源的光譜能量分布就是其中很重要的一個指標(biāo)。從美國能源之星DOE公布的多年計劃中，可以發(fā)現(xiàn)LED性能路線經(jīng)過近10年的快速發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入相對平穩(wěn)階段，其發(fā)展已經(jīng)從早期集中于提高流明輸出和可靠性，轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化光輸出方式提高光質(zhì)量為主。照明行業(yè)通常以太陽光作為評價各種光源光質(zhì)量優(yōu)劣的基準(zhǔn)，這是因?yàn)殚L久以來人類是通過自然的太陽光來分辨周圍環(huán)境，作為人造光源，LED的發(fā)光光譜越接近太陽光就越容易被人眼所接受。市場上主要應(yīng)用的白光LED是采用藍(lán)光芯片加黃光熒光粉的方式，即藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉后，部分轉(zhuǎn)化成黃光，與其余的藍(lán)光復(fù)合生成白光。這種白光的輸出方式將直接導(dǎo)致LED光源的較低的顯色指數(shù)，色空間分布不均勻的現(xiàn)象，最嚴(yán)重的是帶來一些照明領(lǐng)域越來越重視的藍(lán)光危害的問題。因此，光譜接近太陽光的全光譜LED便應(yīng)運(yùn)而生。

1.全光譜LED的定義

所謂全光譜，即光譜包含整個可見光380nm-780nm和非可見光（紫外≤380nm和紅外≥780nm）范圍，并且曲線連續(xù)，波峰波谷無明顯比例失調(diào)現(xiàn)象。太陽光是真正的全光譜，其顯色指數(shù)被定義為1，其他人造光源只能無限接近，而不可能完全做到和太陽光一樣的光譜分布。全光譜LED在業(yè)內(nèi)的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)行了很多年，目前市場化的也僅能做到在可見光范圍內(nèi)光譜連續(xù)，接近于太陽光光譜，要做到真正的包含整個紫外和紅外區(qū)域的連續(xù)光譜，還存在巨大困難。所以本文提到全光譜LED僅限于包含可見光的全光譜。

2.全光譜LED的制備方法

全光譜LED制備方法有很多，市場上主流的是紫光芯片+藍(lán)光芯片+多種熒光粉的方式。這種雙芯片激發(fā)多種熒光粉的方法有效的彌補(bǔ)了普通LED在紫光區(qū)域的缺失，同時為了增加光譜的連續(xù)性，引入青色熒光粉以補(bǔ)充490nm處普通LED光譜凹陷的問題，引入紅色熒光粉增強(qiáng)紅色光譜。

3.全光譜LED在專業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 體育照明

目前主流的體育場館照明由于實(shí)況轉(zhuǎn)播對真實(shí)顏色還原的需求，主要采用CRI90的高顯指LED燈具。從圖1全光譜LED和普通LED的發(fā)光光譜，可以看出，對比于高顯指CRI905000K的普通LED，全光譜LED的光譜輻射能量在420nm紫光，490nm青光和650nm紅光處，得到了大幅的加強(qiáng)。尤其是LED行業(yè)從2015年開始逐漸采用IEC TM-30的方法來代替CRI來評價光源的顯色性，全光譜LED將更具備優(yōu)勢。相對于CRI僅有8個標(biāo)準(zhǔn)色相比，TM-30-15體系采用99個從105000個物體的顏色中仔細(xì)選取的標(biāo)準(zhǔn)色，它們代表了生活中能看到的常見各種顏色，用Rf（色仿真度）和Rg（色飽和度）來量化光源顯色特性。全光譜LED的Rf值高達(dá)98，而高顯指的普通LED僅能達(dá)到85左右。

圖1 太陽光譜，全光譜LED和普通LED發(fā)光光譜

3.2 工業(yè)照明（高棚燈和低棚燈）

2017年起光生物安全報告IEC/EN62471以及IEC/TR 62778被加入國家CCC的強(qiáng)制認(rèn)證。LED燈具被普遍認(rèn)為存在藍(lán)光危害，人眼長時間直視，達(dá)到一定藍(lán)光劑量后，會對視網(wǎng)膜造成永久性光化學(xué)傷害，屬于室內(nèi)用燈的光生物安全問題。IEC/EN62471報告里將光輻射安全即藍(lán)光危害等級分為四類，無危險(RG0)–低危險(RG1)–中度危險(RG2)–高度危險(RG3) ，如表1所示。如果燈具被定義為RG 2，則需要特殊注明燈具的應(yīng)用距離和可直視時間。普通LED的制備方式?jīng)Q定其光譜成分主要集中在藍(lán)光和黃光波段，并且在400nm-500nm藍(lán)光部分占據(jù)整個輻射能量很大一部分。對LED而言，藍(lán)光危害程度隨色溫的升高而增加，即藍(lán)光≥冷白≥自然白≥暖白；隨發(fā)光面的增大而減??；隨功率的增大而增加。市場上，大多數(shù)功率大于1W的LED被IEC/EN62471定義為藍(lán)光危害RG2等級。

表1 光生物危險等級及危害描述

LED高/低棚燈占據(jù)專業(yè)照明燈具市場很大一部分，適用于工廠、車間、倉庫、候車室、車站、機(jī)場、商場等大型寬敞場所的照明燈具。其設(shè)計主要使用的LED功率均在1W以上，根據(jù)IEC/EN62471中的能量傳遞原則，如果LED定義為RG1，燈具不可能為RG2，可直接應(yīng)用LED的光生物安全報告于燈具層面；但是如果LED 為RG2，燈具層面由于其光學(xué)配件的影響需重新測定。隨著LED工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，追求高流明，高光效，高色溫將成為主流趨勢， LED的發(fā)光強(qiáng)度越來越大，即單位發(fā)光面積內(nèi)的光通量越來越大，極可能面臨不能通過光生物安全報告中RG1測試的情況。根據(jù)IEC/EN62471規(guī)定，被劃歸為RG2的燈具需被嚴(yán)格定義應(yīng)用距離及可直視時間。這樣一來，不僅會給消費(fèi)者帶來心理性的恐慌，更會使此類燈具的應(yīng)用受到很大的限制。

全光譜LED由于其光譜特點(diǎn)，可以有效的解決普通LED富藍(lán)化的問題，降低光源的藍(lán)光危害等級。它主要通過增補(bǔ)普通LED在短波青光、短波綠光、長波紅光部分缺少的部分增強(qiáng)光譜連續(xù)性，使光源的輻射能量在整個光譜區(qū)域均勻分配，從而降低400nm-500nm內(nèi)的藍(lán)光比例。

3.3 辦公照明

辦公照明不僅是指一個單純的照度達(dá)標(biāo)的明亮的辦公環(huán)境，如何保證辦公人員的生理舒適性以提高工作效率才是其主要目標(biāo)。全光譜LED以其接近與自然太陽光的光譜特性，具有天然的優(yōu)勢，接近于100的顯色指數(shù)會帶給員工更好的精神面貌。全光譜LED中的短波紫光成分不僅有殺菌的作用，更有助于人體合成維生素D，加強(qiáng)鈣質(zhì)吸收，促進(jìn)骨骼生長。除此，全光譜LED可將能量成分在藍(lán)光波段的有效弱化，并且其長波紅光對室內(nèi)的植物生長也可起到加速作用。

3.4 植物照明

顧名思義，利用植物需要太陽光進(jìn)行光合作用的原理，模擬太陽光或者完全代替太陽光對植物進(jìn)行補(bǔ)光從而幫助植物快速生長的專業(yè)照明燈具。不同的植物對光源光譜能量分布有不同的需求；不同的波長對植物生長的作用也不盡相同，全光譜LED不僅節(jié)能環(huán)保，更由于其光譜連續(xù)，接近太陽光光譜的特性是目前市場上最具認(rèn)可的植物照明燈。

4.全光譜LED在專業(yè)照明領(lǐng)域的局限

4.1 價格

盡管全光譜LED越來越受到各大制造公司的重視開始加大投入，由于較低的市場占有量決定了其成本很難降低，目前全光譜LED的價格是普通LED的3倍左右。專業(yè)照明領(lǐng)域單燈使用LED顆粒相對較多，有時高達(dá)幾百顆，昂貴的價格限定了它的實(shí)際應(yīng)用。

4.2 效率

市場上主流全光譜LED的效率大概在122lm/W左右，遠(yuǎn)低于普通LED的150lm/W的流明效率。此差異源于普通LED經(jīng)過多年市場化開發(fā)，藍(lán)光芯片和黃光熒光粉的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入相當(dāng)成熟的階段，內(nèi)外量子效率和轉(zhuǎn)換效率達(dá)到很高的水平，但全光譜LED所用的紫光芯片和多色熒光粉的效率還有待提高。

4.3 可靠性及壽命

全光譜LED采用的多種熒光粉混合以實(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)的光譜連續(xù)。不同顏色的熒光粉來自不同的材質(zhì)，不同的制備方法，其發(fā)光特性不同，轉(zhuǎn)化效率也不同，最重要的是這些熒光粉對溫度和濕度的耐受力不同。比如紅光熒光粉較差的抗腐蝕和抗?jié)穸刃裕嗌珶晒夥鄣哪蜏匦缘鹊龋湓诶匣瘻y試中壽命衰減速度是不一樣的，這將導(dǎo)致在整個LED使用過程中隨時間而出現(xiàn)的色漂移問題，即色溫和顯色指數(shù)發(fā)生改變。

5.小結(jié)

全光譜LED 因其接近于自然太陽光的光譜特性，在各個照明領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)是大勢所趨。目前，照明市場很大的份額還是被普通LED所占據(jù)，沒有大規(guī)模推進(jìn)全光譜LED的應(yīng)用，相信隨著成本，效率，壽命的進(jìn)一步優(yōu)化、全光譜會循序漸進(jìn)的被接受，成為專業(yè)照明領(lǐng)域一個更好的光源選項(xiàng)。

[1]李琪,辛易.全光譜LED發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].中國照明電器,2017.3(1):12-16.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).IEC 62471 中光源和燈具的藍(lán)光危害評價的應(yīng)用.