兼顧光健康與節(jié)能的“LED+白熾燈”照明模式

黃三曉，方文卿，陳太陽，張友銘，楊超普

(1.南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.南昌大學(xué) 國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330047；3.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西 商洛 726000)

引言

紅外光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛,也是人們最初發(fā)現(xiàn)的不可見光之一[1]。研究發(fā)現(xiàn)，650 nm的光能抑制兒童和青少年眼軸的異常增長，可達(dá)到預(yù)防近視的作用[2]；780 nm的光能降低色盲發(fā)生率，提高患者視力[3]；670～1 000 nm的光可加速傷口愈合，減輕受損視神經(jīng)退化[4]。

水過濾的760～1 400 nm波段是進(jìn)行光生物調(diào)節(jié)研究常用的長波范圍[5]。水過濾的作用主要是去除紅外光的熱效應(yīng)，但本文證明了白熾燈產(chǎn)生的紅外光即使在無水過濾的情況下也幾乎不會帶來安全隱患。

本文比較了分別用紅外熒光粉、紅外LED、白熾燈來補(bǔ)充深紅及近紅外光的優(yōu)劣，綜合考慮，發(fā)現(xiàn)白熾燈更具優(yōu)勢。目前，中國燈具行業(yè)仍存在差異性不足、技術(shù)創(chuàng)新路線缺失等老問題[6]。白光LED+直流白熾燈的照明方式比較新穎，對健康照明有一定的指導(dǎo)意義。

1 三種補(bǔ)光方式的優(yōu)選

1.1 不同光源光譜比較

用積分球(SPEC-2000A)測得電腦白屏、手機(jī)白屏、LED燈、白熾燈的光譜，乘以明視覺視覺函數(shù)可得到相同亮度(即相同光譜面積)的光譜分布，如圖1中插圖所示，然后乘以人眼透射率，可得到它們在視網(wǎng)膜上的光譜分布，如圖1所示。

圖1 相同亮度不同光源在視網(wǎng)膜上的光譜分布(插圖為入眼前相同亮度不同光源光譜分布)Fig.1 Spectral distribution of different light sources with the same brightness on the retina (The inset shows the spectraldistribution of different light sources with the same brightness before entering the eye)

從圖1中可以看出，電腦白屏、手機(jī)白屏、LED燈的光譜連續(xù)性差，且存在光強(qiáng)較大的藍(lán)光峰，相比白熾燈而言，缺少了大量的可到達(dá)視網(wǎng)膜上的深紅和近紅外光。

本文中視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量(簡記為Rr)，指的是視網(wǎng)膜上750～1 400 nm的光在整個(gè)可到達(dá)視網(wǎng)膜上的光譜范圍380～1 400 nm波段的面積占比，可用式(1)計(jì)算得到：

(1)

Ψ(λ)為視網(wǎng)膜上的光譜分布。

以2 700 K白熾燈Rr為100%為參照。上述四種光源的視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量Rr如表1所示。

表1 照明、顯示光源到視網(wǎng)膜上的深紅及近紅外光含量比較Table 1 Comparison of deep red and near-infrared light contents of illuminating and displaying light sources reaching the retina

電腦白屏、手機(jī)白屏含有的深紅及近紅外光極少，Rr分別為0.1%和0.2%，幾乎不含深紅光和近紅外光，LED燈Rr為0.8%，含有的深紅和近紅外光也極少，但白熾燈卻含有大量的深紅和近紅外光，這些光對人的身心健康有重要的作用。

有相關(guān)研究表明，近紅外光也會對眼睛造成傷害，玻璃工人受長時(shí)間高功率密度(2 000 J/cm2/day)的近紅外光輻射會增加得白內(nèi)障的風(fēng)險(xiǎn)[7]。但白熾燈發(fā)出的光中，近紅外光的光功率密度極低，僅為0.5 J/cm2/day(設(shè)40 W白熾燈下，2 m遠(yuǎn)看白紙書3 h)，因此幾乎不會增加得白內(nèi)障的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 白熾燈的再認(rèn)識

白熾燈有壽命短、光效低、有頻閃等缺點(diǎn)，且其燈絲制造還需消耗寶貴的鎢資源。正因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，使其早早退出歷史舞臺，但是在光健康至尚的當(dāng)代，若對白熾燈進(jìn)行合理利用和改造，有望逆轉(zhuǎn)人們對白熾燈的刻板印象。

(1)鎢資源消耗：可用碳絲取代鎢絲，減少鎢資源消耗；世界上最長壽命的碳絲白熾燈，已連續(xù)亮了109年[8]，至今還在工作。

(2)壽命：2 700 K的白熾燈額定壽命只有1 000 h，與LED燈壽命50 000 h以上不匹配，這顯然是“LED+白熾燈”這種組燈模式的致命缺點(diǎn)。延長白熾燈壽命的主要途徑有兩條：一是直流工作；二是降低色溫。直流供電可避免燈絲熱脹冷縮導(dǎo)致的機(jī)械疲勞，從而提高燈絲壽命；降低色溫，白熾燈壽命有望指數(shù)上升，有文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)白熾燈實(shí)際工作電壓為額定電壓(220 V)的70%時(shí)(即154 V)，其壽命可延長100倍[9]；我們測得，2 700 K白熾燈工作電壓為額定電壓的70%時(shí)，相應(yīng)色溫只有2 490 K。設(shè)色溫和白熾燈壽命對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系如式(2)：

(2)

t為壽命，T為色溫，C、α為待定系數(shù)，可根據(jù)2 700 K@1 000 h及2 490 K@100 000 h兩對值求得。于是，由此式可粗略估算幾個(gè)典型值：2 800 K@140 h；2 600 K@8 100 h；2 500 K@78 000 h。由此可見，2 500 K直流白熾燈壽命能夠和白光LED壽命相匹配。

(3)光效：白熾燈可見光光效一般在15 lm/W左右，其大部分電能轉(zhuǎn)化成對發(fā)光貢獻(xiàn)極小的深紅及近紅外光，而健康照明正需要深紅及近紅外光，因此，當(dāng)對光的需求從可見光轉(zhuǎn)變成深紅和近紅外光時(shí)，白熾燈的光效將大大提高。

(4)電耗：40 W白熾燈(對白熾燈的照明亮度無要求，可用較小功率白熾燈)每天亮3個(gè)小時(shí)的電費(fèi)才8分錢，因此，當(dāng)補(bǔ)充深紅及近紅外光得到照明界的普遍認(rèn)可時(shí)，白熾燈耗能費(fèi)電也將成為一個(gè)偽命題。

(5)頻閃：前面提到，直流供電不僅可望提高白熾燈壽命，帶來的另一好處是無頻閃。

1.3 電光轉(zhuǎn)換效率比較

用LED激發(fā)深紅和近紅外熒光粉可以補(bǔ)充深紅及近紅外光，用電光轉(zhuǎn)換效率為70%的紫光LED激發(fā)750～1 400 nm的深紅及近紅外熒光粉，最高效的假設(shè)每個(gè)光子都能被熒光粉有效吸收。其電光轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式如式(3)：

(3)

λR為750～1 400 nm的熒光粉波長。深紅及近紅外熒光粉波長和電光效率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 深紅及近紅外熒光粉波長和電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系Fig.2 Relationship between the wavelength of deep red and near infrared phosphor and electro-optical conversion efficiency

以圖2陰影部分質(zhì)心所對應(yīng)波長為750～1 400 nm熒光粉的平均波長，計(jì)算得質(zhì)心波長為1 041.4 nm,從而可得該波段熒光粉的電光轉(zhuǎn)換效率為27.2%。白熾燈的深紅及近紅外光的電光轉(zhuǎn)換效率ηB可用黑體輻射光譜750～1 400 nm波段面積除以總的電功率對應(yīng)的光譜面積來表示，且不計(jì)一切熱損耗，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同色溫白熾燈深紅及近紅外光的電光轉(zhuǎn)換效率Table 2 Electro-optical conversion efficiency of deep red and near-infrared light of incandescent lamps at different color temperatures

從表2中可以看出，白熾燈色溫越高，深紅及近紅外光的電光轉(zhuǎn)換效率越高，與熒光粉27.2%的電光轉(zhuǎn)換效率相比，白熾燈具有非常明顯的優(yōu)勢。

1.4 補(bǔ)深紅及近紅外光方式比較

深紅及近紅外LED、深紅及近紅外熒光粉、白熾燈都能彌補(bǔ)當(dāng)前照明光源缺乏深紅及近紅外光的缺陷，可以從它們合成光的光譜連續(xù)性、合成光的復(fù)雜性及資源節(jié)約等方面加以比較，從而選出最優(yōu)的補(bǔ)光方案。

用多種不同波長的深紅及近紅外LED可拼湊成連續(xù)的深紅及近紅外光，但其材料體系較為復(fù)雜(如，制造短于660 nm的紅光LED涉及AlGaInP體系；700～850 nm涉及AlGaAs體系；900～1 000 nm涉及InGaAs體系等)。且單色LED半峰寬一般小于50 nm，因此，初步計(jì)算欲合成750～1 400 nm的連續(xù)的深紅及近紅外光至少需要13種不同波長的發(fā)光二極管拼湊而成。電路控制復(fù)雜，且易造成白光顏色的漂移，系統(tǒng)的可維護(hù)性也下降[10]。

深紅和近紅外熒光粉的合成也同樣涉及多元體系，不能做到資源節(jié)約，還存在熒光粉熱穩(wěn)定性差，發(fā)光易隨時(shí)間而改變等問題。深紅及近紅外熒光粉相對近紅外LED而言，半峰寬更寬，因此，其合成連續(xù)的深紅及近紅外光相對簡單。但與紅外LED和紅外熒光粉相比，用白熾燈補(bǔ)充深紅及近紅外光具有更易實(shí)現(xiàn)、操作簡單、資源節(jié)約、光譜連續(xù)等特點(diǎn)，具體比較如表3所示。

表3 三種補(bǔ)光方法的綜合比較Table 3 Comprehensive comparison of three light supplementation methods

2 模擬光譜合成及計(jì)算

2.1 模擬光譜合成

用紫光LED(峰值波長λ1:405 nm，半峰寬ω1:17 nm)激發(fā)綠(λ3:529 nm，ω3:108 nm)、黃綠(λ4:567 nm，ω4:96 nm)、紅(λ5:648 nm，ω5:96.2 nm)三色熒光粉，由于藍(lán)色熒光粉被激發(fā)效率較低，因此用藍(lán)光LED(λ2:450 nm，ω2:18 nm)代替藍(lán)色熒光粉，上述5種光譜可用Gauss分布函數(shù)表示，其為白光LED的組成光譜。

白熾燈光譜用壽命和LED壽命相匹配的2 500 K黑體輻射光譜代替，且規(guī)定其光譜面積為一個(gè)單位面積(作參照)。模擬的目標(biāo)光譜為3 100 K、3 200 K、3 300 K、3 400 K的黑體輻射光譜，且控制其光譜面積分別為1.5、2.0、2.5、3.0倍單位面積(不同光譜面積代表不同的電功率)。其合成光譜光功率分布函數(shù)P(λ)的計(jì)算公式如式(4)：

(4)

A1-A5為擬合系數(shù)，其大小對應(yīng)各種光的光強(qiáng)占比，h為普朗克常量，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為白熾燈色溫。

用LED+2 500 K白熾燈模擬3 200 K不同功率的黑體輻射光譜為例，模擬情況如圖3所示。

圖3 白熾燈及白光LED光譜模擬3 200 K黑體輻射光譜Fig.3 The spectra of incandescent lamp and white LED were simulated with 3 200 K black body radiation spectra

每種模擬情況都控制2 500 K白熾燈電功率相等，即其對應(yīng)光譜面積不變。合成光譜380～650 nm波段和目標(biāo)黑體輻射光譜擬合較好；重合部分大致為750～1 400 nm波段，主要為2 500 K白熾燈光譜，因?yàn)槊糠N模擬情況下，白熾燈的面積都固定不變，即白熾燈的電功率都相同。

雖然重合部分和目標(biāo)光譜模擬情況較差，但是卻能達(dá)到為白光LED光源補(bǔ)充連續(xù)的深紅及近紅外光的目的。白光LED+直流白熾燈的大體示意圖如圖4所示。

圖4 組燈方式簡單示意圖Fig.4 Simple schematic diagram of joint lamp mode

2.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

可用發(fā)光效率η、視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量Rr來衡量合成光譜的好壞，合成光譜發(fā)光效率計(jì)算公式如式(5)：

(5)

SL為白光LED光譜面積，因?yàn)長ED激發(fā)熒光粉整個(gè)過程的電光轉(zhuǎn)換效率為70%，因此可用(SL/70%)表征LED電功率，SB為白熾燈光譜面積，可用于表征白熾燈的電功率，其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同合成光源發(fā)光效率和深紅及近紅外光含量比較Table 4 Comparison of luminous efficiency and content of deep red and near infrared light of different synthetic light sources

從表4可以看出，合成光源發(fā)光效率隨目標(biāo)光譜面積和色溫的增大而增大，與此相反，視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量隨目標(biāo)光譜面積和色溫的增大而減小，可見發(fā)光效率和視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量難以協(xié)同變化。

太陽光譜一直以來被人們視作最好的光譜，計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜(AM1.5)經(jīng)人眼透射到視網(wǎng)膜上的深紅及近紅外光含量Rr為54.1%。以太陽光中Rr為標(biāo)準(zhǔn)，由表4可知，有兩組模擬情況和太陽光譜的Rr比較接近，一組為目標(biāo)光譜為3 100 K，3.0倍發(fā)光面積的黑體輻射光譜，此時(shí)合成光源對應(yīng)的Rr為54.7%，光效η為53.5 lm/W；另一組為模擬目標(biāo)光譜為3 300 K，2.5倍發(fā)光面積的黑體輻射光譜，此時(shí)合成光源對應(yīng)的Rr為53.3%，η為56.2 lm/W。

3 白熾燈對光品質(zhì)改善驗(yàn)證

為實(shí)際驗(yàn)證白熾燈對白光LED光源的改善能力，用積分球(SPEC-2000A)測量了藍(lán)光激發(fā)的LED、紫光激發(fā)的LED分別加2 500 K直流白熾燈前后合成光譜(圖5)及相關(guān)參數(shù)(表5)的變化情況。從圖5可以直觀的看出，加白熾燈后，合成光源的光譜范圍更廣。其中LED主要負(fù)責(zé)照明功能，白熾燈主要補(bǔ)充750～1 400 nm的深紅及近紅外光，熱光源白熾燈和冷光源LED的組合，使得新的合成光源不僅能滿足人們照明照亮的需要，還能滿足人們對光健康的要求。

圖5 LED加2 500 K直流白熾燈前后光譜比較Fig.5 Before and after spectrum comparison of LED and 2 500 K DC incandescent lamp

由表5可知，藍(lán)光激發(fā)的LED加白熾燈前后視網(wǎng)膜上深紅和近紅外光含量Rr由1.7%增加到58.6%；色溫由5 150 K下降到4 835 K；紫光激發(fā)的LED加白熾燈后Rr由3.2%增加到47.7%，色溫由2 830 K下降到2 806 K；且兩種情況的顯色指數(shù)Ra和特殊顯色指數(shù)R9也都有所提高。雖然加白熾燈后兩種不同光引擎的LED光源的發(fā)光效率都有一定的損失，但其他相關(guān)性能都得到了比較好的優(yōu)化。

表5 不同LED加2 500 K白熾燈前后相關(guān)參數(shù)比較Table 5 Comparison of related parameters of different LEDs before and after plus 2 500 K incandescent lamp

4 結(jié)論

電腦白屏、手機(jī)白屏、LED燈光譜連續(xù)性差，到達(dá)視網(wǎng)膜上深紅及近紅外光含量Rr分別為0.1%、0.2%、0.8%，與白熾燈Rr為100%相比缺少了大量的深紅及近紅外光。直流供電的2 500 K白熾燈不但無頻閃，而且壽命可達(dá)78 000 h，與白光LED壽命相匹配，其深紅及近紅外光的電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40%，比紅外熒光粉的電光轉(zhuǎn)換效率高出12.8%，是最簡單、最理想的補(bǔ)深紅及近紅外光的光源。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的Rr為54.1%，可知白光LED+2 500 K白熾燈最理想的模擬情況有兩種：一種為模擬目標(biāo)光譜為3 100 K，3.0倍發(fā)光面積的黑體輻射光譜；另一種為模擬目標(biāo)光譜為3 300 K，2.5倍發(fā)光面積的黑體輻射光譜。

最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了2 500 K白熾燈對LED光源的光品質(zhì)有一定的改善能力，在可見光發(fā)光效率損失不到一半的情況下都補(bǔ)充了大量的深紅及近紅外光。

白光LED+直流白熾燈是當(dāng)前改善LED光源光品質(zhì)的一種簡單、直接、高效的組燈方法，這種合成光源對部分疾病的治療和預(yù)防有重要作用，其將有望在光健康領(lǐng)域占有一席之地。