可調(diào)光調(diào)色LED燈具藍(lán)光危害的測(cè)量與分析

楊遠(yuǎn)禮

(中認(rèn)尚動(dòng)(上海)檢測(cè)技術(shù)有限公司， 上海 200233)

引言

智能照明時(shí)代已然拉開帷幕，LED照明不再單純的追求高能效和長(zhǎng)壽命，還對(duì)舒適度和智能化提出了新的要求，可調(diào)光調(diào)色LED燈具的應(yīng)用也越來越多?？烧{(diào)光調(diào)色LED燈具一般可以對(duì)亮度和相關(guān)色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。亮度調(diào)節(jié)是在陰暗或明亮的環(huán)境下，增強(qiáng)或減弱LED燈具的亮度，增加舒適度；相關(guān)色溫的調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶所需要的情景來改變色溫，例如休閑模式，更適合用低色溫(如3 000 K)的燈光，給人溫馨的感覺，工作模式則適合于高色溫(如5 000 K)，使人更容易集中精神?？烧{(diào)光調(diào)色LED燈具在不同的調(diào)光模式下，其藍(lán)光危害也不同。

1 藍(lán)光視網(wǎng)膜危害

目前的白光LED光源，大多是采用藍(lán)光磊晶上封裝黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，藍(lán)光波長(zhǎng)介于400～500 nm之間，而人眼視網(wǎng)膜在長(zhǎng)期受到藍(lán)光輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)損傷[1]。為了防止這種損傷，人眼受到的輻射不應(yīng)超過下述的藍(lán)光危害曝輻限值，即光譜輻亮度與藍(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后的藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB不應(yīng)超過下面式(1)、式(2)的限值：

(J·m-2·sr-1)(t≤106s)

(1)

(W·m-2·sr-1)(t>104s)

(2)

式中：Lλ(λ,t),Lλ光譜輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·nm-1；B(λ)藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)；Δλ波長(zhǎng)帶寬，單位為nm；t輻射持續(xù)時(shí)間，單位為s；B(λ)為藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)為恒值，其值見表1。

表1 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)

由式(1)、式(2)可知光譜輻亮度Lλ和輻射持續(xù)時(shí)間t決定了藍(lán)光危害，如果藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB超過100 W·m-2·sr-1，由式(1)可得其最大允許輻射持續(xù)時(shí)間tmax為式(3)。

(3)

根據(jù)IEC 62471—2006標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)光視網(wǎng)膜危害等級(jí)分為無危險(xiǎn)類：在10 000 s內(nèi)不造成對(duì)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害；低危險(xiǎn)類：在100 s內(nèi)不造成對(duì)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害；中度危險(xiǎn)類：在0.25 s內(nèi)不產(chǎn)生視網(wǎng)膜藍(lán)光危害；以及高危險(xiǎn)類，即超過中度危險(xiǎn)限值。對(duì)于連續(xù)輻射燈危險(xiǎn)類的發(fā)射限見表2。

表2 連續(xù)輻射燈各危險(xiǎn)類的發(fā)射限

2 藍(lán)光測(cè)試一般條件

測(cè)量輻亮度的裝置如圖1所示，將亮源成像到探測(cè)器上，具有一個(gè)圓形視場(chǎng)光闌，形成平均視場(chǎng)αeff的角度范圍，探測(cè)器上讀出在平均視場(chǎng)上的單位接收面積單位立體角內(nèi)的入射輻射功率φ(單位：W)，在相同的位置和視場(chǎng)光闌下，使用小積分球來測(cè)量相對(duì)光譜分布圖。根據(jù)IEC/TR 62778—2014標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)試燈具時(shí)，一般測(cè)試條件為距離200 mm，視場(chǎng)角α=0.011 rad[2]。

圖1 測(cè)量輻亮度的裝置Fig.1 Device for radiance measurement

由式(1)可知，光譜輻亮度Lλ加權(quán)后求和得到輻亮度LB，不同的色溫對(duì)應(yīng)不同光譜輻亮度Lλ，如圖2藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)和不同色溫下相對(duì)光譜輻亮度Lλ的曲線圖，對(duì)于相同功率和封裝的LED模塊，其色溫越高，藍(lán)光危害越大[3]。以下選取兩種典型的可調(diào)光調(diào)色LED燈具，分別在不同調(diào)光模式下評(píng)估其藍(lán)光危害。

圖2 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)和不同色溫下相對(duì)光譜輻亮度Fig.2 Blue light hazard function & relative spectral radiance distribution of different CCT

3 均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試

本次選取一個(gè)可調(diào)光的LED吸頂燈做測(cè)試，燈具的光源腔用鉚釘固定，LED光源不可替換，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)整燈進(jìn)行測(cè)試[4]，測(cè)試條件為距離200 mm，視場(chǎng)角α=0.011 rad。圖3為試樣照片和測(cè)試圖。此LED燈具為開關(guān)切換調(diào)光，使用了5 000 K和3 000 K同規(guī)格同數(shù)量同驅(qū)動(dòng)電流的兩種LED光源模塊，光輸出模式有三種，分別為黃光模式：僅3 000 K的LED模塊亮，額定輸入功率12 W；白光模式：僅5 000 K的LED模塊亮，額定輸入功率12W；全亮模式：LED模塊全亮，額定輸入功率24 W；燈具出光面為乳白色塑料透光罩，出光均勻，無斑狀光點(diǎn)。在測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的為圖4中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域，其直徑約為2.2 mm，輻亮度為此區(qū)域的平均值。分別在三種調(diào)光狀態(tài)下對(duì)此相同區(qū)域進(jìn)行藍(lán)光危害測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見圖5相對(duì)光譜分布和表3藍(lán)光危害數(shù)據(jù)。

圖3 均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED吸頂燈Fig.3 Dimmable LED ceiling lamp with uniform light-emitting surface

圖4 藍(lán)光危害測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的區(qū)域Fig.4 Blue-light hazard testing area corresponding to visual angle 0.011rad

圖5 不同調(diào)光模式下的相對(duì)光譜分布圖Fig.5 Relative spectral radiance distribution of different dimming modes

表3的結(jié)果顯示，全亮模式輻亮度LB為黃光模式和白光模式之和，兩種色溫的LED模塊發(fā)出的光經(jīng)過乳白色的透光罩，在0.011 rad視場(chǎng)角內(nèi)形成新的均勻的亮源，全亮模式下的藍(lán)光危害是黃光和白光的疊加，所以在這種均勻出光的情況下，應(yīng)該選擇最高功率即全亮模式下來測(cè)試藍(lán)光危害，而不是選擇色溫最高的模式下進(jìn)行測(cè)試。

表3 不同調(diào)光模式下的藍(lán)光危害

4 非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試

本次選取一個(gè)LED臺(tái)燈，燈具的光源腔為一次性卡扣密閉，LED光源不可替換，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)整燈進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為距離200 mm，視場(chǎng)角α=0.011 rad。圖6為試樣照片和測(cè)試圖。此LED燈具為開關(guān)切換調(diào)光，使用了5 000 K和4 000 K同規(guī)格同數(shù)量同驅(qū)動(dòng)電流的兩種LED光源模塊，光輸出模式也有三種，分別為黃光模式：僅4 000 K的LED模塊亮，額定功率6 W；白光模式：僅5 000 K的LED模塊亮，額定功率6 W；全亮模式：LED模塊全亮，額定功率12 W；出光面為乳白色塑料透光罩，由于透光罩離LED光源比較近，LED光源在透光罩上形成了清晰的斑狀光點(diǎn)，詳見圖7。在測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的為圖7中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域，其直徑約為2.2 mm，輻亮度為此區(qū)域的平均值[2]。在三種調(diào)光狀態(tài)下分別測(cè)試藍(lán)光危害，其測(cè)試結(jié)果見圖8相對(duì)光譜分布和表4藍(lán)光危害數(shù)據(jù)。

圖6 非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED臺(tái)燈Fig.6 Dimmable LED desk lamp with non uniform luminous surface

表4的結(jié)果顯示，全亮模式輻亮度LB不等于黃光模式和白光模式之和，且低于白光模式，全亮模式在白光的基礎(chǔ)下增加黃光，藍(lán)光危害反而降低了，檢測(cè)結(jié)果有悖常理。分析發(fā)現(xiàn)在全亮模式下，燈具的總功率雖然變大了，但對(duì)應(yīng)測(cè)試視場(chǎng)角區(qū)域內(nèi)的光源卻保持不變，即圖7中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域，全亮模式與白光模式下的區(qū)域相同，對(duì)應(yīng)光源功率也相同，不同的是，測(cè)試視場(chǎng)角外增加了黃光的存在，從而改變了光譜輻亮度分布Lλ，見圖8中白光模式和全亮模式下的相對(duì)光譜分布明顯不同，由式(3)可知輻亮度LB會(huì)變小，得出錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。

圖7 藍(lán)光測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的區(qū)域Fig.7 Blue light hazard testing area corresponding to visual angle 0.011rad

圖8 不同調(diào)光模式下的相對(duì)光譜分布圖Fig.8 Relativespectral radiance distribution of different dimming modes

表4 不同調(diào)光模式下的藍(lán)光危害

由于黃光LED光源和白光LED光源相隔很近，但又不夠同時(shí)分布在同一視場(chǎng)角內(nèi)，即在測(cè)試距離200 mm時(shí)，不能同時(shí)處于在直徑約為2.2 mm的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，黃光不可避免的作為雜散光干擾了輻亮度分布。

為了真實(shí)的得到可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試結(jié)果，避免因測(cè)試設(shè)備的局限性而使得測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏差，在針對(duì)此類燈具的藍(lán)光測(cè)試時(shí)，通過增加適當(dāng)?shù)墓怅@來避免視場(chǎng)角以外的雜散光對(duì)結(jié)果的干擾是很有必要的。本文在全亮模式中增加限制光闌，限制了標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試視場(chǎng)角以外的黃光干擾，如圖7中的全亮模式(增加光闌)所示。很明顯，在圖8的結(jié)果中顯示全亮模式(增加光闌)的光譜分布明顯發(fā)生了改變，與白光模式一致，表4測(cè)試結(jié)果顯示輻亮度LB與也與白光模式相近，均大于未加光闌的全亮模式。

上述臺(tái)燈如果是用于讀寫作業(yè)臺(tái)燈[5]，在全亮模式下直接測(cè)試時(shí)，藍(lán)光危害LB小于100 W·m-2·sr-1，為無危害類，滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺(tái)燈性能要求》[6]中藍(lán)光危害應(yīng)為無危害類的要求，但在白光模式和全亮模式(增加光闌)中藍(lán)光危害LB大于100 W·m-2·sr-1，藍(lán)光危害等級(jí)為低危險(xiǎn)類，不滿足讀寫作業(yè)臺(tái)燈藍(lán)光危害要求，為了避免這種誤判，測(cè)試時(shí)要充分考慮LED燈具不同的調(diào)光模式和出光口面的光分布情況。

因此，對(duì)于非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具在進(jìn)行藍(lán)光危害測(cè)試時(shí)，應(yīng)該避免視場(chǎng)外的雜散光干擾輻亮度分布，確保光譜輻亮度分布與視場(chǎng)中的待測(cè)光源相一致，可以選擇額外增加光闌的方式，或者選色溫最高的模式進(jìn)行測(cè)試。

5 結(jié)論

通過上述的試驗(yàn)對(duì)比，在針對(duì)不同類型的可調(diào)光調(diào)色LED燈具進(jìn)行藍(lán)光測(cè)試時(shí)，應(yīng)該合理的選擇調(diào)光模式。對(duì)于均勻出光的可調(diào)光LED燈具，LED全亮下的藍(lán)光危害為黃光和白光之和，此時(shí)應(yīng)選擇全亮模式測(cè)試；對(duì)于非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具，LED全亮下的藍(lán)光危害不等于黃光和白光之和，測(cè)試時(shí)要通過增加光闌或其他方式來避免雜散光的干擾，使光譜輻亮度分布與視場(chǎng)中的待測(cè)光源相一致，才能得到準(zhǔn)確的藍(lán)光測(cè)試結(jié)果。