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LED照明光色对健康的影响(一)
2015-09-23 15:04:36

LED照明光色对健康的影响(一)

引 言

  上世纪90年代初蓝光LED芯片问世,继而用蓝光芯片激发黄色光荧光粉混合制成的白光LED光源诞生。白光LED灯用于普通照明领域,与传统白炽灯、荧光灯相比有光效高、寿命长、可调光等优点,是照明领域的大变革。在国家大力推广和扶植下,国内LED产业发展异常迅速,目前LED已广泛应用于室内外照明领域。国内LED照明的生产企业众多,技术水平参差不齐,产品质量悬殊大,应用中问题不少,尚不为人们充分接受。其中眩光和光色问题最为突出,国内已有一些讨论蓝光的文章。本文先简述LED特点,再讨论光色对人类视觉作用的影响,希望引起生产者和使用者的充分认识,让LED照明产业健康发展。

  一、LED照明光源

  白炽灯发明已有130多年,荧光灯也有70多年的历史,人们已习惯在这类光色环境中生活。因此要改善LED照明的光色特性,应尽量向前两类光源靠近,求得人们能完全接受的LED光色。荧光灯是利用汞原子在激发电离放电中产生254 nm紫外线照射到三基色荧光粉上,得到色温2700-6500K的光色,发光效率最高约110 lm/W,一般为60-80 lm/W。通常色温高的光源光效高;色温低的光源光效低。

  1.LED光源工作特点

  现在普及型LED光源中采用的是氮化镓(GaN)芯片,发射的蓝光波峰值约为450nm,蓝光与其激发的荧光粉辐射的黄色光可合成白光。这种LED的特点是色温高、光效高、显色性差,输出光中含有近50%的蓝光。为了得到中、低色温的LED光源,可将蓝色光束辐射到红、绿色的稀土荧光粉体上,调整各色荧光粉配比就能制得高显色(Ra≥80)的光源,其辐射光中蓝光会减少,但光效明显低于高色温光源。LED光源是色温高的光效高,色温低的光效低,与荧光灯的特性相反。

  LED光源的发光面积小,表面亮度高,光束呈小立体角的定向辐射,含有较多蓝光,直接用于照明会让人感到不舒适。蓝光会对人类产生许多作用,如光化学、生理物理、心理等效应,即所谓“蓝光效应”。

  2.LED照明光源应用

  LED光源目前最高发光效率已达200 lm/W以上,工作寿命约30000小时以上。LED灯泡若用来替代白炽灯泡,则节能效果巨大;若与节能荧光灯比,光效提高不是很大。直管型LED灯与荧光灯管相比,光效最多提高1倍。而LED灯能连续调光,利于节能,但是光照度分布不均匀。

  LED光源的工作特性是离散性较大,稳定性较差。当工作电流或环境温度变化时,其发光效率和色温随之变化。在寿命期内,光效会降低,色温也会漂移。其次,半导体PN结耐热性能差,一旦结温过高,工作稳定性变差,寿命缩短,甚至失效。LED光源不能在较高温度的环境中使用。

  市售的一些LED光源与节能荧光灯比,照明光色品质较差,常使人感到刺眼。尤其对室内照明,目前国内市场优质的LED照明产品不多,若让低价劣质产品充斥市场,必将危害人类的健康。

  二、视觉光环境

  人类接收的信息约有80%由视觉获取。视觉首先关注的是颜色,也是视觉特征的珍贵功能。每个人的色觉敏感程度有异,因个人视细胞的色知觉能力不同,也与周围视环境所处的状态密切相关。人类在进化过程中,受各种各样的环境变化基因会随之变化,在进化中逐步适应。但是,这种进化适应是十分缓慢的。要适应光环境的变化或许需要几代人。当前LED光源呈现的光色变化很大,人们周围的光环境处在大变革期,光污染严重,人的视觉较难适应,必然感到不舒适。值此,需要深入追索其因,采取有效措施,研制出品质可靠的LED光源。

  三、眼球的透光性

  自然界中存在紫外线、可见光、红外线等。眼球的透光性与这些光的波长相关。

  1.紫外线

  远紫外线UVC(<280 nm)可被角膜吸收;中紫外线UVB(280-315 nm)和近紫外线UVA(315-380nm)可被角膜和水晶体吸收。UV-A有少量可透过视网膜,抵达眼底脉络膜。在强烈的紫外线照射下,角膜表层的上皮细胞会发生光化学反应,造成角膜开裂及上皮剥离的角膜炎,如电光性眼炎、雪盲性眼炎等。在较弱的紫外线下长期受辐射,晶状体会混浊受损,产生白内障病症。

  2.可见光

  可见光(380-780nm)进入眼睛内,通过角膜、房水、晶状体、玻璃体等屈光间质,最后在视网膜上成像。眼睛接到光信号后,传递给神经系统。对LED照明而言,最关注的是380-550nm的蓝色光,峰值在450nm附近。蓝光波长比其它可见光短,容易透过眼球,抵达视网膜。如果温度较高还会发生凝固效应,产生白内障。生活用品中也存在许多蓝光,如儿童玩具、激光指示器等,若使用不当会损伤视网膜、脉络膜,严重的会破坏视觉功能。

  3.红外线

  红外线中的近红外IRA(780-1400nm)吸水性较差,但渗透性优良,可以到达眼底;中红外IRB(1400-3000nm)和远红外IRC(>3 000nm)可被角膜、房水、晶状体、玻璃体中的水分吸收。因此,玻璃加工者、红外激光器研究者等容易患白内障眼病。

  四、眩光

  眩光主要取决于发光体的亮度。若发光体的光通量相同,发光面积越小,表面亮度越高。LED光源发光面积小,亮度高,必定产生眩光。其次,光源的色温越高,含蓝光越丰富,透入眼睛的能力就越强,刺激性就越大。如果眼睛直视裸露光源,会感觉不舒适,注意力分散或视觉能力下降,会伤害视网膜。

  LED光源和灯具设计中必须考虑降低眩光。例如,液晶显示器LED背光源模板中置有光散射板,用于增大发光面积,并将各发光点的光色相互混合,得到亮度、色温均匀的平面光源。同理,在LED照明光源的前方配置光散射的、透镜、泡壳或管壳壁,或者在照明灯具出光处装散射板可获得较均匀的辐射光,也可以加隔栅板,减少眩光污染。 (未完待续)


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