用亮度和色溫測算LED藍(lán)光危害饒豐;吳曉程;王雅靜;許昊【摘要】提出了一種采用亮度結(jié)合色溫估算熒光粉轉(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)光下的歸一化光譜功率分布，然后計算光源的色溫，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)，容許亮度與色溫的關(guān)系.研究表明:對于同型號的熒光粉轉(zhuǎn)換型LED,當(dāng)色溫小于7500K時，亮度在100000cd/m2以下不會引起藍(lán)光危害.在藍(lán)光危害限值范圍內(nèi)，色溫和容許亮度成反比，且對應(yīng)曲線隨環(huán)境溫度變化很小，因此,對于同一類型白色LED,該曲線可用來評估LED燈具是否對人眼構(gòu)成藍(lán)光危害.【期刊名稱】《科學(xué)技術(shù)與工程》【年(卷)，期】2014(014)032【總頁數(shù)】3頁(P121-123)【關(guān)鍵詞】藍(lán)光危害;發(fā)光二極管;色溫【作者】饒豐;吳曉程;王雅靜滸昊【作者單位】常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，常州213002;常州工學(xué)院常州光電技術(shù)研究院，常州213002;常州工學(xué)院常州光電子材料與器件重點實驗室，常州213002;常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，常州213002;常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，常州213002;常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，常州213002【正文語種】中文【中圖分類】O432.2熒光粉轉(zhuǎn)換型白色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],藍(lán)光危害就是其中之一[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[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0.2nm，光譜誤差不大于3%，同時點燈條件要求嚴(yán)格[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]:式（1）中，L（入）是光譜輻射亮度，B（入）是藍(lán)光危害加權(quán)系數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)給出，△入是采樣間隔。無危害級燈具的加權(quán)輻射亮度小于100。對于LED燈具，L（入）與歸一化光譜基本成正比式（2）中，x為系數(shù)，spec（入）是歸一化光譜。而x可以通過歸一化光譜spec（入）和LED燈具的亮度L求得：式（3）中，V（入）是人眼的視見函數(shù)?？梢?，如果已知LED燈具的亮度L和歸一化光譜spec（入*則藍(lán)光危害可以計算出來。對于熒光粉轉(zhuǎn)換型LED，歸一化光譜與色溫在著內(nèi)在的聯(lián)系，因此，LED藍(lán)光危害與亮度、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1W的熒光粉轉(zhuǎn)換型LED中選擇色溫較均勻地分布在4500-7500K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2，數(shù)控高精度恒流電源給待測LED陣列供電，電流誤差為±1mA,恒溫器給LED陣列提供穩(wěn)定的襯底溫度，精度為±0.3二積分球和光譜儀結(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12h，老化過程中，保持環(huán)境溫度（25±1）OC,LED的驅(qū)動電流350mA，誤差3%。測試中，保持環(huán)境溫度變化不超過1C,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Fig.1Theschematicdiagramofthephotoelectricandcolorimetricanalyzer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。然后代入式（3）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°C時350mA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。可見，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2LED樣品的色溫Fig.2ThecolortemperaturesofLEDsamples圖31號和20號LED的光譜Fig.3ThespectraofLEDsno.1andno.20圖4無藍(lán)光危害時，LED色溫與亮度的關(guān)系Fig.4LEDcolortemperaturevs.lightintensitywithoutthebluelighthazard圖4是燈具無藍(lán)光危害時，LED色溫與亮度的關(guān)系?？梢?，對于環(huán)境溫度從(10~40)C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7500K以下，亮度小于100000cd/m2時，沒有藍(lán)光危害危害。對于樣品LED，如果熒光粉失效，LED發(fā)出藍(lán)色的光，色溫就不能描述其光譜特性，該方法就無效了。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兩部分的關(guān)系，因此，通過這些常規(guī)測量，結(jié)合圖4,能夠得到LED是否超過藍(lán)光危害限值。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。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。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】1SterankaFM，BhatJ，CollinsD，etal.HighpowerLEDs-technologystatusandmarketapplications.PhysStatSol，2002;194(2):380—3882周太明，周詳，蔡偉新.光源原理與設(shè)計(第二版).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006:395—363ZhouTaiming，ZhouXiang，CaiWeixin.Principleanddesignoflightsource(2nd).Shanghai:FudanUniversityPress，2006:395—3633BueelerM，SpoerlE，SeilerT.UVcollagencross-linkingofthecornea-SafetyaspectsanddesignofaUVilluminationsystem.ProcofSPIE，2008(6844，68440Z):1605—74224饒豐，楊武.大功率LED藍(lán)光危害隨點燈條件的變化.科學(xué)技術(shù)與工程，2013;23(13):6806—6809，6814RaoFeng，YangWu.ThechangeofbluelighthazardofhighpowerLEDswithlightingconditions.ScienceandTechnologyEngineering，2013;23(13):6806—6809，68145申崇渝，徐征，趙謖玲，等.LED藍(lán)光泄露安全性研究.光譜學(xué)與光譜分析，2014;34(2):316—321ShenChongyu，XuZhen，ZhaoSuling，etal.StudyonthesafetyofbluelightleakofLED.SpectroscopyandSpectralAnalysis，2014;34(2):316—3216代彩紅，吳志峰，陳斌華，等.光輻射安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較研究.照明工程學(xué)報，2013;24(增):101—110D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