健康照明产品的设计方法

董孟迪 孙耀杰 邱婧婧 林燕丹

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

从最初的篝火照明，逐渐发展到油灯、蜡烛等灯光照明;直到1879年之后，人们开始用白炽灯照明，从此进入电光源照明时代［1］，人类对人工光源的追求是一个循序渐进的过程。随着生活水平的提高，科学技术的发展，人们对照明的要求也逐日提高，在追求功能、经济方面的要求的同时，要求照明能够满足人们在生理、心理上的需求，希望通过照明营造出令人满意的、幸福的、有利于健康的生活环境［2］。

健康的照明产品需要考虑的因素非常多。首先，健康的照明需要满足最基本的功能性照明的要求。在不同的应用领域、照明场合，对照明的亮度、显色能力的要求往往各不相同［3］。

其次，健康的照明需要考虑光生物安全。近年来的光生物学研究表明，光辐射与人类健康息息相关，不管是紫外光、可见光还是红外光，在适当照射的情况下，都能对人体产生积极的影响。然而，当照射不当时，光辐射会对人体健康带来潜在性的危害。光辐射对人体的危害，主要是对人体皮肤危害、对人体眼睛前表面 (角膜、结膜、晶状体)危害、以及对人体视网膜危害三种。人体皮肤受到紫外辐射过度照射后，会形成红斑或晒焦，紫外光也会直接伤害到皮肤细胞的DNA和细胞内其他的大分子，加速皮肤老化。人体眼睛的前表面在紫外辐射下，会产生光化学反应，致使角膜和结膜发炎，产生光致角膜炎;而在近紫外及长期高剂量的红外光照射下，晶状体会受到伤害，形成白内障。对于人眼视网膜，只能接收到300nm－1400nm波段的辐射(眼角膜能抵挡波长短于300nm的光波，晶状体能抵挡部分300－400nm的光波)，因此，视网膜免受紫外光的伤害。当亮度较高，或照射时间较长时，可见波段的蓝光会对人眼造成视网膜光化学损伤，造成光致视网膜炎。此外，可见波段及红外波段光能量产生的热量也会致使视网膜细胞变性，造成热损伤。

健康的照明还需要考虑光的非生物效应。150多年来，科学家始终认为视杆细胞和视锥细胞是人眼唯一的感光细胞。直到2002年，美国Brown大学的Berson等人［4］发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞，即视网膜特化感光神经节细胞 (ipRGC)。这类感光细胞能够参与调解人体内许多非视觉生物效应，包括人体生命体征的变化，技术的分泌和兴奋程度［5］。同时，ipRGC细胞还会影响人体褪黑激素的分泌，进而影响人们的睡眠质量，调解人体的生理节律。非视觉生物效应函数曲线C(λ)的峰值波长位于464nm，属于蓝光区域，适当地使用蓝光成分较多的光源进行照明，可以缔造一个减缓疲劳的工作环境［6］。

综上所述，健康照明产品的设计是一个综合问题的考虑，要考虑到照明的基本功能、光生物安全、非视觉生物效应等等各种因素。自20世纪90年代初期，高亮度蓝光LED面世以来，半导体照明技术在世界范围内得到了广泛关注和快速发展。蓝光LED配合荧光粉得到的白光LED光源具有发光效率高，使用寿命长，耗电量低，光源体积小，光谱可控性强等优点，已经在背光源、信号指示灯及室内外普通照明领域得到广泛的应用，并开始向汽车照明、防爆灯具、生物医疗仪器等特殊照明领域渗透。LED的内在特征决定了它是最为理想的光源去替代传统的光源，高光效、低能耗的特点使其能满足节能、环保的要求，而在光谱可控性上的优势，使得LED能够更好地满足光生物安全及非视觉生物效应方面的要求。

伴随着LED照明光源在光效、可靠性、寿命等技术指标上的不断提升，他的光生物健康——蓝光伤害性，一直是学术界及产业界讨论的核心话题。本文将基于多种单色光 (RGBA)LED混合产生白光LED的方法，通过理论计算，获得较为合理的组合边光LED光谱分布，使其具有较高的一般显色指数Ra、较高的辐射光效LER以及较低的蓝光危害加权辐照度值EB。进而，对一种健康照明产品的设计方法进行介绍。

2 理论依据

2.1 显色指数

光源的显色性是指与参照标准相比较，一个光源对于物体颜色外貌所产生的效果。光源的显色性是衡量光源的视觉质量的重要指标［7］。目前，国际上通用的显色性评价指标是CIE制定的显色指数(CRI)，它表示物体在该光源照射下表现的颜色与标准光源照射下所表现颜色的差别程度。CIE规定用普朗克辐射体或标准照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100。评价时，采用一套14种标准颜色样品，根据待测光源的光谱、色温参数计算14种颜色样品在参照光源和待测光源下的色差△Ei，最后可求得光源的特殊显色指数Ri及一般显色指数Ra分别如式 (1)、式 (2)所示:

通常，光源的显色指数指的是和一般显色指数。当待测光源的相对光谱功率分布已知时，可根据CIE制定的标准计算方法得到该光源的显色指数［8，9］。

2.2 光源的光效

光源的光效定义为输入电功率 (watt)转化为流明输出 (lumen)的转换效率，包括电能转化为光辐射的效率和光辐射转化为可见光的效率。前者是光源的辐射效率，也成为外量子效率，其单位为1;后者被称为光源辐射发光效率 (LER)，其单位为lm/W。光源的辐射发光效率LER可有公式 (3)求得。本文中所指的发光效率皆为辐射发光效率LER。

式中，S(λ)是光源的相对光谱功率分布，V(λ)是明视觉曲线。从公式 (3)可以看出，光源的辐射发光效率只取决于光源的相对光谱功率分布。

2.3 蓝光危害

可见光波段中的蓝光成分 (400－500nm)可能引起眼睛视网膜的蓝光伤害。人类眼睛视网膜上的视杆细胞及视网膜色素上皮细胞 (RPE)受到蓝光长时间照射会引起光损伤，由于RPE细胞的死亡而导致感光细胞的丢失，从而出现老年性黄斑变形。

2006年，IEC和CIE共同制定了光生物安全标准［10］，在标准中规定了蓝光伤害的评价方法，对光源中蓝光伤害的有效辐射量进行了限值。视网膜蓝光伤害有效辐射值由光谱辐射亮度与蓝光危害函数B(λ)［11，12］加权积分计算得到，B(λ)如图 1 所示。标准中规定，对于边角小于0.011弧度的小型光源，眼睛的光谱辐照度Eλ与蓝光危害函数 B(λ)加权积分后不应该超出下面的限值:

式中:EB为视网膜位置的蓝光危害加权辐照度值;Eλ(λ，t)为光谱辐照度，单位为W·m－2·nm－1;B(λ)为蓝光危害加权函数;△λ为波长带宽，单位为nm;t为辐射持续时间，单位为s。

图1 视网膜蓝光危害加权函数B(λ)Fig.1 Blue－light hazard function，B(λ)

3 模拟程序

在本文的计算中，将用多种单色光LED(RGBA)光谱混合产生白光LED的相对光谱功率分布，进而通过计算机程序计算得到白光光谱偏离合体轨迹的距离△Eab*，辐射发光效率LER，显色指数Ra及蓝光危害有效辐射照度EB。

单色光LED的相对光谱功率分布由公式 (4)及公式 (5)计算得到:

式中，λ0为光谱的峰值波长，△λ0.5为光谱的半高宽。

实际上，这个单色光光谱的数值模型是一个高斯模型，由此模型计算得到的单色LED光谱分布与实际LED的光谱分布基本一致［13，14］。图2所示为本文计算中所使用的4种单色光LED的相对光谱功率分布。根据上述4种单色LED相对光谱功率分布，可以混合得到白光LED的相对光谱功率分布:

式中，SLED(λ)为白光LED的相对光谱功率分布，SR(λ)，SG(λ)，SB(λ)和 SA(λ)分别为红光、绿光、蓝光和琥珀光4种单色光LED的相对光谱功率分布，pR，pG，pB和pA分别为4种单色光LED的发光比例。

图2 模拟计算中使用的4种单色光LED的相对光谱功率分布Fig.2 Relative SPDs of four single color LEDs used in the simulation program

对于不同的pR，pG，pB和pA的组合，皆可得到一条组合白光的相对光谱功率分布。本文通过计算机程序，对pR，pG，pB和pA的比例进行优化，得到了一系列目标光谱，这些光谱具有不同的相关色温 (CCT)，其△Eab* ＜0.0054，显色指数Ra＞90，并且具有较高的发光效率LER。

对于每一条组合白光的相对光谱功率分布，可计算其蓝光危害有效辐射量。在本文中，为了简化计算，我们做出了三个假设。第一，假定光源的边角小于0.011弧度，用蓝光加权辐照度来衡量蓝光危害的有效辐射量。第二，假定照射面为一个1m×1m的平面，且接收到的光通量为1000lm，即照度为1000lx。第三，假定照射面的照度分布均匀，且眼睛位于此平面上。有了这三个假定，眼位的光谱辐照度可以根据光源的相对光谱功率分布计算得到，并可据此计算光源的蓝光危害加权辐照度 (W/m2)。

4 结果和讨论

表1所示为通过计算机程序优化得到的模拟结果，选取了常用LED光源色温对应的最佳pR，pG，pB和pA比例组合，其对应的相对光谱功率分布见图3－图10。

图3 2700K相对光谱功率分布Fig.3 Spectral power distribution(2700K)

图4 3000K相对光谱功率分布Fig.4 Spectral power distribution(3000K)

图5 3500K相对光谱功率分布Fig.5 Spectral power distribution(3500K)

图6 4200K相对光谱功率分布Fig.6 Spectral power distribution(4200K)

图7 4500K相对光谱功率分布Fig.7 Spectral power distribution(4500K)

图8 5000K相对光谱功率分布Fig.8 Spectral power distribution(5000K)

图9 5700K相对光谱功率分布Fig.9 Spectral power distribution(5700K)

图10 6400K相对光谱功率分布Fig.10 Spectral power distribution(6400K)

模拟计算的结果表明，用本文所述的4种单色光LED可以混合得到较为理想的白光LED光谱，具有高显色性和高辐射光效。在模拟计算时，将特殊显色指数R9也作为一个条件限制量，这是由于红－绿通道对显色能力非常重要［15，16］。可以看到，本文模拟计算得到的混合白光LED的辐射光效LER在300以上 (6400K除外)，其显色指数Ra皆在97以上，且特殊显色指数R9也在90以上。

对于代表蓝光危害有效辐射量的视网膜位置的蓝光危害加权辐照度值EB，其数值随着相关色温的升高而不断增大。尤其，当相关色温达到6400K时，EB达到0.907W/m2，接近光生物安全标准中规定的1W/m2的限值。

表1 计算机模拟优化结果Table 1 Optimal results from the simulation program

为尽量降低组合白光LED带来的潜在性蓝光危害，我们对计算机模拟计算得到的结果进行进一步优化。通过调节组合白光中蓝光成分的含量，降低视网膜位置的蓝光危害加权辐照度值EB。进一步优化后的结果如表2所示。

在优化时，只是降低蓝光LED的发光比例，其他三种单色光的发光比例保持不变。将表2优化结果与表1的结果进行比较，可以发现，在降低了蓝光LED的发光比例之后，组合白光的一般显色指数Ra及特殊显色指数R9仍然保持在较高水平，Ra大于95而R9大于94。表2中，组合白光的辐射光效LER较表1有所提高，蓝光危害加权辐射照度EB则较表1有所降低，这表明降低蓝光的发光比例有利于提高辐射光效LER，降低蓝光危害辐射，并且组合白光的显色指数仍然保持在较高水平。但是，蓝光成分的发光比例并不能无条件减少。下面，通过举例来表明蓝光成分并不能无限减少。

表2 降低潜在性蓝光危害优化结果Table 2 Optimal results of reducing potential blue light hazard

当4种单色光LED的发光比例为pR:pG:pB:pA=0.505:0.430:0.915:0.451时，组合得到的白光LED的色温为7500K，辐射光效 LER为280lm/W，一般显色指数Ra为96.3，特殊显色指数R9为96.2，蓝光危害加权辐射照度 EB为0.978W/m2。

保持单色光中红光、绿光、琥珀光的发光比例不变，只改变蓝光成分的发光比例，我们可以得到一系列蓝光发光比例下，组合白光的LER、Ra、EB的变化趋势，如表3及图3、图4所示。

图3、图4表明，组合白光的CCT、Ra、LER、EB随蓝光发光比例成线性变化。在红光、绿光、琥珀光的比例保持在0.505:0.430:0.451的前提下，CCT、Ra、LER与蓝光发光比例成单调递增关系;EB与蓝光发光比例成单调递减关系。但△Eab*需小于0.0054［8，17］的条件限制了蓝光发光比例变化的范围，在本例中，pB只能在0.572－0.915之间变化。并且，随着蓝光成分发光比例的下调，得到的组合白光的相关色温发生较大的变化，这也是限制蓝光发光比例变化范围的一个因素。

表3 CCT、Ra、LER、EB随蓝光发光比例的变化趋势Table 3 Variation trend of CCT，Ra，LER and EBwith pB

图3 CCT、Ra随蓝光成分变化趋势Fig.3 Variation trend of CCT，RawithpB

图4 LER、EB随蓝光成分变化趋势Fig.4 Variation trend of LER and EBwithpB

5 总结

近年来，LED被广泛应用到各个领域。因LED具有高效节能、光谱灵活可控等特点，是满足健康照明要求的理想光源。

本文基于RGBA混光产生白光的原理，通过计算机软件模拟计算，得到了一系列色温下，具有高显色性、高辐射光效的白光LED光谱分布。通过调节成分光中蓝光成分的发光比例，降低了视网膜蓝光危害加权辐照度，从而减少了光源的潜在性蓝光危害。在达到减少潜在性蓝光危害的同时，调整后的组合白光的显色指数、辐射光效并没有降低，是一种较为合理，适用于健康照明的LED光谱分布。

在本文中，基于RGBA混光原理对获得较为健康的LED光谱分布的方法进行了介绍，但此方法不仅限于RGBA混光的方法，还可以应用到其他LED混光的情况，比如RGBW混光，亦可通过调节组合成分光中蓝光的含量来达到降低组合光潜在性蓝光危害的目的。

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