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      光源器件的創新方向(全光譜技術、健康照明)及趨勢展望

      1健康照明的需求

      經過過去十年的半導體材料技術發展和制造工藝的提升,白色發光二極管(LED)作為新型的固態發光器件已經逐漸取代了傳統光源。其高光效、低能耗、無污染、長壽命等優點,使其在燈具市場的滲透率連年遞增。然而,隨著LED光源的快速發展,各種照明應用對光源提出了新的要求。人們從最初的對LED光效和成本的重視逐漸發展到對其光品質和健康的追求。目前市場上一些光源的光譜缺失、色彩還原性差,一些LED燈由于驅動電源等使用不當,存在頻閃、眩光、用眼安全等諸多問題,用戶體驗不佳。因而為了符合消費者對生活品質以及舒適度的需求,高光品質、舒適健康的照明技術成為近期市場的發展主流趨勢,也對白光LED封裝及模組技術提出了新的挑戰。

      2全光譜白光的技術方案

      目前實現白光的方式主要有以下兩種:第一種是通過多色LED多芯片組合(無熒光粉)實現白光。該技術路線主要要解決“黃色鴻溝“問題,黃光LED芯片成為主要技術瓶頸。以南昌大學江風益教授代表的研究團隊正致力于研究硅襯底高光效黃光LED芯片的開發,并取得了關鍵性進展,黃光LED電光轉換效率突破22.7%,達業界領先(圖1)。由于此實現白光的技術路線對各色芯片的要求較高、初期成本較貴,且考慮到多色芯片長時間熱態使用可能出現的光色差異導致色溫不穩定性問題,應用領域雖潛力巨大但目前仍受到一定限制。

      光源器件的創新方向(全光譜技術、健康照明)及趨勢展望

      第二種方法是單色LED芯片激發多種熒光材料實現連續白光光譜。由于芯片材料及結構單一、簡單、封裝及控制成本較低,是當前實現全光譜白光的主要方案。通過在藍光或其他單色LED芯片上涂敷熒光材料轉化成白光,因此熒光材料是決定白光質量和色彩還原效果的關鍵因素。過去市場常規的藍光芯片+黃色或綠色/紅色熒光粉組合模式,會產生白光LED藍光過剩、短波青光(~490nm)缺失、長波紅光不足問題。新型全光譜LED在芯片和熒光粉選擇及配比上進行了較大改善和優化,從而達到近似于自然光的高品質白光照明體驗。

      高品質白光LED照明體現在舒適性、真實性、安全性、健康性四個方面。其具備優異的視覺舒適性(適當的亮度和亮度均勻性,無閃爍和眩光),高顯色性,用眼安全和迎合晝夜節律調節等特點,滿足消費者心理和生理健康。從LED封裝的角度來說,高品質白色LED光源應具備較高的顯色性以呈現物體的本真顏色,即光源光譜更接近于太陽光或白熾燈標準光源,連續性佳,平滑均勻。其次,光源不含紫外(UV)及紅外(IR)輻射、并符合人眼敏感曲線。同時,滿足對光質量、色飽和度分辨率要求高的場所。例如:高保真、色飽和度照明符合博物館、畫廊的需求;用于商業照明能夠提供較少色差的購物環境,有利于商品的銷售;用于手術燈照明可以正確顯示血液,皮膚以及傷口組織的顏色;用于教育照明還原書本畫面強,提高學習注意力;用于攝像攝影實況轉播,良好的色彩飽和度和高保真度使氣氛還原更加清晰真實;用于家居照明,高品質的白光使人們感覺更舒適,更加享受生活。為更精準的衡量光源還原物體顏色的能力,業界開始采用新的方法來評估對比不同光源的色品質表現,比如,在CRI測試基礎上增加IES TM-30-15評價標準對顏色保真度(RF)和顏色色域度(RG)雙參數體系進行評估,針對性地解決了CRI體系中對比色代表性不足、色空間不對稱、參考光源不連續等問題。此外在光譜設計時,考慮較低的高能藍光占比以減少潛在的藍光危害,及通過封裝設計和傳感來調控LED色溫及亮度隨日照變化及使用場景的需求,并符合人體生理節律。

      3藍光危害與健康光源的特性

      雖然來自學術界、工業界、醫學界的專家已經達成了基本共識,即正確使用合格的白色LED照明產品對人眼來說是安全的,但人眼感應藍光的錐狀細胞的最大吸收波長(440-450nm)與常用藍光芯片的發光波長及視網膜藍光傷害特征曲線有很大的重合,因此,人們會特別關注高能藍光對敏感人群人眼的影響。如圖2所示,藍光傷害曲線是指波段位于415-455nm(峰值:435-440nm),由于波長短,能量高,可以穿透晶狀體到達視網膜,光功率中的藍光成分對視網膜可能造成潛在的化學損傷,加速黃斑區細胞的氧化,引起視覺疲勞和視網膜疾病,如老年性黃斑變性(AMD)。國內外已推出一些相關的安全標準和參考文件作為支持。IEC/EN 62471:2006已經建立了關于評估燈具的光生物安全性的方法。北美的ANSI/IESNA RP-27建立了燈具和燈具系統的光生物安全相關標準。IEC/TR 62778規定了一般照明服務燈具類別的問題,并提供了對LED照明產品應用藍光危險分類的指導。燈具通用安全要求標準EN 60598-1:2015針對LED燈具的要求更新主要包括:針對LED光源的藍光傷害,增加了明確的危害等級要求(RG0/RG1/RG2/RG3);并且基于不同的危害等級,有相應的標簽、說明書及固定燈具的安裝要求。此外,考慮到兒童和老人的眼睛結構對藍光的透過率、敏感性與成年人相比相對較弱,目前已有一些針對他們對藍光危害的承受能力的評價方法研究,但還沒有統一的標準。另外,高能藍光危害的程度與劑量有關。藍光的強度越大,危害等級也就越高。

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