LED与绿色照明的深层次问题

LED与绿色照明的深层次问题

　　能源和环境是当前社会的两大主题，半导体照明是解决节能环保问题的重要途径。LED技术与产业的发展比人们的预期快得多，而LED的某些光学特性是以往任何人造光源无法比拟的，如色彩丰富、色饱和度高、色域宽、光束集中、响应速度快、可数字化控制与调节等。这些新特性的应用将改变人们传统照明的经验和习惯，引发照明理念和光文化的变革，LED无疑是绿色照明的魅力无穷的奇葩。

　　由于LED的广泛应用，在实施绿色照明理念中一些深层次的问题凸显出来，我们列举一些比较尖锐的问题，希望通过百花齐放、百家争鸣的方式辨明是非，以推动绿色照明工程和半导体照明工程健康地发展，有不当之处，欢迎赐教。

　　1、辐射度学、光度学和色度学有本质的区别

　　辐射度学、光度学和色度学是现代光学与光工程学的基础，它们的本质区别在于：辐射度学是研究电磁辐射能量计量的科学，是用能量单位描述辐射能的客观物理量。而光度学和色度学是用物理的方法研究与人眼视觉生理及周围环境有关的主观量，是试图用物理的科学的方法描述人眼能感知的电磁波的度量、测量和表达方式，是与人的视觉生理、心理、传统、习惯、地域、照明条件及观察条件等诸多因素有关。由于对三个度学量的本质区别理解不深，造成许多混乱。希望通过讨论达成共识。

　　1.1 发光强度

　　发光强度是国际单位制中7个基本计量单位之一，发光强度的正确定义是：发光频率540×1012Hz(对应空气中555nm的光波长)的单色辐射，在给定方向上辐射强度为(1/683)w/sr时，光源在该方向上的发光强度规定为1坎德拉(Candela，记作cd)。这是光度学中引用的客观物理量的定义，如果用光通量流明来表示发光强度就是主观量，因为光通量流明是与人眼的光谱光视效率有关的量。

　　1.2 照明的能效标准是主观量，不是客观物理量

　　现在大都用发光效率(Lm/W)单项技术指标表达LED的先进性，只采用发光效率表示LED的能效，这是不科学的。由于人眼对不同光谱辐射有不同的敏感度，照明的效率实际上是很复杂的系统效率，如图1所示。

　　中国照明网技术论文·LED照 中国照明网技术论文·LED照明

　　图1. 照明的效率

　　照明效率有电源、光源、灯具、控制器和能源管理的效率、被照物光谱效率等。对于功能性照明系统应根据视觉作业来选择照明标准，根据不同标准的要求选择光源和灯具。人眼接收不同光谱和能量的光有生理效率和心理效率，不能简单地用LED的发光效率说明如何节能。最近Osram、Cree等都标出白光LED的色坐标值，这才是光学性能参数的正确表示方法。

　　1.3 色温(相关色温)和显色指数的概念不能适用于LED

　　光度学和色度学是基于黑体热辐射的理论发展起来的，它将随着光源的发展而发展和更新的。LED是固态冷光源，LED光源对基于传统光源建立起来的理论冲击很大。我们体会主要有两点：一是LED是冷光源，不是连续辐射;二是LED的色饱和度提高很多。因此，LED与传统光源无法统一在原有的理论和标准之中。用RGB三基色组成相关色温3500K的白光，测得的显色指数CRI只有27，而人眼实际观察的视觉效果很好。

　　在大量学术研究和测试的基础上，CIE177:2007技术报告指出：“在一系列的光源对比中，技术委员会的结论是，CIE的CRI不适用于测试白光LED光源的显色范围”。研究认为，不论是用荧光粉封装的白光LED还是RGB三基色的白光LED都不适用CRI指数，CIE正在组织研究制订新的国际标准。

　　2、 深入研究LED光辐射的健康与安全性问题

　　绿色照明还应强调光环境对人的健康与安全的影响，由于目前白光LED主流技术是蓝光加荧光粉的黄光构成，蓝光成份相对比较高，蓝光对人的作用和影响特别重要。

　　2.1 蓝光可以促进维生素AD的合成，有助于钙的吸收，防止钙的流失，办公室、车间、商业区使用LED光源对健康有益。初生婴儿用蓝光LED照射可以去黄胆。

　　2.2 司辰视觉效应——蓝光抑制褪黑素的分泌

　　人眼视网膜除了椎体和杆体细胞接收光向大脑视皮层传递光信息外，还有一种感光神经节细胞将光信号传递到下丘脑的通路(RHT),这个信号是由视神经交叉上核(SCN)、脑外神经核(PVN)、上部 神经节最后传递到松果体腺，司辰视觉效应主要是通过视神经交叉上核——内源性振荡器调节人的生理节律;通过松果体腺控制褪黑素(MLT)的分泌。MLT是一种重要的神经内分泌激素，有调节免疫、调节神经、抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、抗细胞凋亡、镇静、催眠等多种功能，不同色光对MLT的影响顺序是：蓝光>绿光>黄光>紫外光>红光。在不同视觉作业中使用LED蓝光会使人精神振奋，减少差错。

　　2.3 频闪对健康与安全的影响

　　实验表明8-15Hz的频闪光对人的影响最大，使人感觉紧张、头昏、焦虑，用核磁共振测量大脑视皮层反映强烈。实验还表明100Hz以下(有数据称160Hz以下)的频闪都有一定危害。日光灯50Hz的频闪对人健康的危害性有待深入研究。

　　3、节能、环保、健康是绿色照明的三大主题元素

　　诚如前面所述，光效是评价光源节能效果的重要指标，但用光源消耗1W的电能所能发出的光通量大小来表示光效，是不科学，也是不全面的。是否是绿色照明产品，还应考虑光源寿命问题，及以此带来的环保问题。

　　在《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)的资料中显示，用传统光源测试的原理和方法，无极灯光效(55~70Lm/W)不及三基色荧光灯光效(93~104Lm/W)，但是寿命无极灯(40000~80000h)是三基色荧光粉(12000~15000h)的4~5倍。在无极灯寿命周期内，三基色荧光灯要更换光源4~5次之多。考虑到在此过程中造成的生产、运输和销售等能源消耗，无极灯也是满足绿色照明产品节能、环保要求的。

　　所以，绿色照明的节能与环保应综合评价，要从科学的光效评价方法与光源寿命两个方面综合考虑光源的节能指标，而两者在绿色照明产品的价值权重应深入、全面地加以研究。在绿色照明的三大主题元素中，健康无疑是照明的根本所在，也是真正贯彻“以人为本”的科学发展观的具体体现。

　　4、LED引发绿色照明深入研究的课题

　　人眼的视觉特性决定了对照明的量和质的要求，LED新的光学特性将推动光度学和色度学的发展，推动CIE、IEC国际标准的研究和修订。中国是世界照明电器第一大使用国和生产国，建议中国照明学会组织海峡两岸学者、专家、企业家开展以下一些专题研究：

　　(1) LED与其他光源对人的生理、心理光学效应比较研究;

　　(2) 照明对人体内分泌系统的影响研究;

　　(3) 照明的舒适性或舒适度研究;

　　(4) 照明对人体细胞及营养物质的作用研究;

　　(5) 照明(特别是单色光、LED高饱和度色光)的心理光学效应研究;

　　(6)两岸合作参与CIE、IEC、ISO等国际标准的修订。(20091023)