通用照明白光LED器件光譜節(jié)律刺激效應(yīng)分析

蔡連章，張國芳，潘利兵

(佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000)

引言

近年來，隨著LED芯片及其白光器件封裝技術(shù)的發(fā)展，其在照明、顯示、指示、背光等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。白光LED器件封裝方案有多種，其中藍光芯片激發(fā)黃綠或紅、黃熒光粉發(fā)出白光的方案在通用照明領(lǐng)域已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化[2,3]。隨著人們對光品質(zhì)和光健康認識的深入，相關(guān)色溫(CCT)、顯色指數(shù)(Ra)、照度、眩光等指標以及光對人體的非視覺效應(yīng)研究也在不斷發(fā)展，相關(guān)的評價方法和標準備受關(guān)注[4-6]。進一步深入研究LED光譜的典型參數(shù)特性對生物節(jié)律的影響及其量化關(guān)系，對于照明燈具設(shè)計和器件選型具有重要意義。

1 節(jié)律刺激值理論簡介

實證研究表明，當光線射人視網(wǎng)膜時，光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGCs)向大腦中的視交叉上核(SCN)發(fā)送神經(jīng)信號，而SCN依據(jù)接收到的信號來調(diào)節(jié)褪黑素的分泌[7]。褪黑素是一種睡眠管理激素，其分泌具有明顯的晝夜節(jié)律特征，白天分泌受抑制，晚上分泌活躍。通過考慮所有感光細胞的光譜光視效能的影響，Rea等[8]提出了一種節(jié)律刺激效應(yīng)的量化研究方法，并將該度量方法命名為晝夜節(jié)律刺激值法(Circadian Stimulus，CS)。在該團隊隨后的研究中，該度量方法又深化發(fā)展為兩個相關(guān)的指標，即晝夜節(jié)律刺激值(Circadian Stimulus，CS)與晝夜節(jié)律照度(Circadian Light，CLA)。其中晝夜節(jié)律刺激值代表了夜間褪黑素分泌的受抑制程度，而晝夜節(jié)律照度則是一個基于CIE標準光源A(CIE standard illuminant A)(色溫為2 856 K的黑體輻射體)標準化之后的輻射照度值，以便與一般明視覺照度(勒克斯)進行比較。以下為計算CS和CLA這兩個度量的公式：

(1)

(2)

(3)

式中CLA代表晝夜節(jié)律照度值。常數(shù)1 548是為了將CLA正規(guī)化，使得當2 856 K的黑體輻射體(black body radiator)在1 000 lx(明視覺勒克斯)時CLA的數(shù)值為1 000；E(λ)代表實際測量得到的光譜功率分布值；Mc(λ)代表經(jīng)過人眼晶狀體光譜吸收特征校正過的視黑素光譜光視效能函數(shù)；S(λ)為S型視錐細胞的光譜光視效能函數(shù)；mpλ為黃斑色素透光率(macular pigment transmittance)；V(λ)為明視覺光譜光視效能函數(shù)；V′(λ)暗視覺光譜光視效能函數(shù)；RodSat=6.5W/m2，視桿細胞半飽和常數(shù)(half-saturation constant for bleaching rods)；k=0.261 6,常數(shù)；ab-y=0.7 000,常數(shù)；arod=3.300 0，常數(shù)。綜合式(1)～式(3)可以得到，晝夜節(jié)律刺激值(CS)由晝夜節(jié)律照度值(CLA)決定；CLA由研究對象或環(huán)境中測試得到的光譜功率分布決定。因此，我們可以利用晝夜節(jié)律刺激值計算方法量化研究其值與光譜功率分布間重要特征參數(shù)之間的關(guān)系。

CS和CLA作為光環(huán)境影響的量化指標已經(jīng)被用于若干類型的實驗室研究與實地研究中，如醫(yī)療環(huán)境、辦公環(huán)境等。結(jié)果表明，CS指標可以有效預(yù)測一定時期內(nèi)褪黑素分泌受抑制程度及睡眠表現(xiàn)。本研究制作并測試了通用照明領(lǐng)域常用LED器件光譜數(shù)據(jù)，利用節(jié)律刺激值計算方法[7]，詳細分析了節(jié)律刺激值與光譜色溫、顯指和照度的關(guān)系，得到了一些對于照明燈具設(shè)計和器件選型具有一定參考意義的結(jié)果。

2 LED器件光譜節(jié)律刺激效應(yīng)分析

2.1 LED器件光譜測試

國星光電P3528器件是一種通用照明領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的標準LED封裝器件。我們選擇不同光色參數(shù)的器件并對其光譜進行了精準的測試，器件規(guī)格如圖1所示，使用的測試機為IS(Instrument System)光譜測試系統(tǒng)。

圖1 國星光電 P3528 LED器件Fig.1 Nationstar P3528 LED device

首先，為了研究不同相關(guān)色溫下器件光譜色的節(jié)律刺激效應(yīng)，我們優(yōu)選了應(yīng)用廣泛的顯色指數(shù)80(R80)的不同相關(guān)色溫(correlated color temperature,CCT)(2 200 K/2 700 K /3 000 K/3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K)器件，相對光譜測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 顯色指數(shù)80的不同色溫器件相對光譜Fig.2 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 80

其次，為探討不同典型顯色指數(shù)的光譜色的節(jié)律刺激效應(yīng)，我們補充制作并測試了R70/R90典型色溫器件光譜數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 顯指R70/R90典型色溫器件相對光譜Fig.3 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 70/90

2.2 LED器件光譜節(jié)律刺激效應(yīng)分析

2.2.1 節(jié)律刺激值與色溫和亮度的關(guān)系

豐富的照明應(yīng)用場景，對發(fā)光顏色色溫提出了眾多不同的要求。白光LED器件常規(guī)色溫有2 200 K/2 700 K/3 000 K /3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K多種。通過節(jié)律刺激值計算方法，同時考慮照度值在300、500、1 000 lx三種條件，得到如圖4所示的節(jié)律刺激值與色溫的關(guān)系曲線。圖4曲線數(shù)據(jù)表明：1)節(jié)律刺激值CS隨著光源相關(guān)色溫CCT升高呈現(xiàn)分階段性升高，具體表現(xiàn)為2 200～3 500 K段逐漸升高，4 000～6 000 K段逐漸升高，中間存在一個階躍。該現(xiàn)象的直接原因是研究所用的節(jié)律刺激值理論中CS值有兩種不同光信號傳導通路，且其計算公式(式(1)和式(2))相差較大造成。在本研究中所選的光譜中，4 000 K以下的符合式(2)條件；色溫大于等于4 000 K的符合式(1)條件。這兩種通路的差異源于視錐細胞光傳導通路中的光譜色頡頏機制[8]。具體在照度300 lx條件下，6 000 K色溫的光源比2 700 K色溫的光源節(jié)律刺激值高0.085；4 000 K色溫的光源比3 500 K的低0.112。 2)隨著亮度的升高，節(jié)律刺激值明顯升高，6 000 K色溫條件下，1 000 lx的光源比300 lx的光源節(jié)律刺激值高0.204。3)相對色溫對節(jié)律刺激的影響，亮度明顯影響更加顯著。以上結(jié)果對于照明燈具設(shè)計和選型中色溫和亮度的考量具有非常強的指導意義。

圖4 節(jié)律刺激值與色溫的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between circadian stimulus and color temperature

2.2.2 節(jié)律刺激值與顯指的關(guān)系

在通用照明領(lǐng)域，不同應(yīng)用場景對顯指的要求也有所差異。當今市場主流產(chǎn)品顯指參數(shù)(Ra)主要有70、80、90三個檔位。通過節(jié)律刺激值計算方法，同時考慮照度值在1 000 lx條件下2 700 K/3 000 K/4 000 K /5 000 K/6 500 K多種光譜色光源，得到如圖5所示多色溫條件光譜色的節(jié)律刺激值與顯指的關(guān)系曲線。圖5曲線數(shù)據(jù)表明：1)不同色溫光源，隨著顯指升高，節(jié)律刺激值隨之變化趨勢不同，3 000 K/5 000 K，顯指R80光源節(jié)律刺激值比R70的高約0.06～0.09；但是2 700 K/4 000 K/6 500 K，顯指R80光源與R70的節(jié)律刺激值差異不明顯，在0.003～0.016之間；2)各色溫光源，隨著顯指繼續(xù)升高，節(jié)律刺激值隨之變化趨勢放緩；顯指R90光源節(jié)律刺激值比R80差異很小，在0～0.026之間。以上結(jié)論對于照明燈具設(shè)計和選型中光源顯指的考量具有較強的參考意義。

圖5 節(jié)律刺激值與顯指的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between circadian stimulus and color rendering index

2.2.3 節(jié)律刺激值與照度的關(guān)系

在通用照明領(lǐng)域，照度參數(shù)的設(shè)計和選擇在不同應(yīng)用場景均尤為重要。常見的辦公、閱讀、商照等典型場景照度在1 000 lx以內(nèi)；常見的生活場景如太陽直射的水面上，照度為100 000 lx。通過節(jié)律刺激值計算方法，同時考慮2 700 K /3 000 K/4 000 K/5 000 K/6 500 K多色溫光譜色條件下光源，得到如圖6(a)(b)所示多色溫條件光譜色的節(jié)律刺激值與照度的關(guān)系曲線。圖6(a)曲線數(shù)據(jù)表明：1)隨著照度升高，節(jié)律刺激值隨之大，變化趨勢逐漸變緩；2) 不同色溫光源，變化趨勢接近；圖6(b)曲線數(shù)據(jù)表明：隨著照度升高至10 000 lx以上，節(jié)律刺激值接近0.7的飽和狀態(tài)；各色溫光源，變化趨勢接近。以上結(jié)論對于照明燈具設(shè)計和選型中照度的考量具有較強的指導意義。

圖6 節(jié)律刺激值與照度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between circadian stimulus and illuminance

3 總結(jié)

本研究基于制作并測試了通用照明領(lǐng)域常用不同相關(guān)色溫和顯指的LED器件光譜數(shù)據(jù)，通過節(jié)律刺激值計算方法，詳細計算分析了節(jié)律刺激值與色溫、顯指和照度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：1)節(jié)律刺激值CS隨著光源相關(guān)色溫CCT升高呈現(xiàn)分階段性升高，具體表現(xiàn)為2 200～3 500 K段逐漸升高，4 000～6 000 K段逐漸升高，中間存在一個階躍；2)不同色溫光源，隨著顯指升高，節(jié)律刺激值隨之變化趨勢不同；3)隨著照度升高，節(jié)律刺激值隨之變大，變化趨勢逐漸變緩隨著照度升高至10 000 lx以上，節(jié)律刺激值接近0.7的飽和狀態(tài)。由于節(jié)律刺激值由光譜功率分布決定，但色溫和顯色指數(shù)都存在同色異譜現(xiàn)象，本研究相關(guān)定量結(jié)果只適用于所測試批次的LED器件，相關(guān)定性結(jié)果也只適用于與本研究所測試LED光譜接近的器件或燈具。以上結(jié)果對于照明燈具設(shè)計和器件選型具有一定的參考意義。