LED燈具的光品質分析

文尚勝

(華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510640)

1 引言

隨著全球能源及環保意識抬頭，高功率LED取代傳統燈泡，進入普通照明應用，已經成為LED業界夢寐以求的終極市場。

從照明角度看待LED燈具，主要有光效、配光、光衰等問題。隨著LED技術的迅猛進步，國際大廠研發LED發光效能突破100 lm/W，實驗室水平更是超過200 lm/W［1］。LED配光水平大為提高，照度均勻度相比高壓鈉燈已有優勢，光衰問題明顯改善，相比其他光源并不遜色。LED的穿透性、眩光、顯色性、色溫等光品質特性對于LED照明扮演重要角色，這些更深層次的問題逐漸擺在業界的面前，若是LED這些光品質無法與傳統光源相媲美，未來LED要進入普通照明應用的機會恐怕也不大。

鑒于LED照明在推廣過程中遇到了諸多對其光品質的質疑聲，本文從光散射理論、黑體輻射理論等理論，用理論和實際相結合的方法，比較詳細分析LED燈具幾個爭議性的光品質特性，例如穿透性、眩光、顯色性、色溫等，試圖澄清行業對LED存在的一些錯誤認識，推進LED行業的健康發展。

2 LED光線的穿透性分析

2.1 光線的散射理論

當光束通過均勻的透明介質時，從側面難以看到光。但當光束通過不均勻的透明介質時，則從各個方向都可以看到光，這是介質中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結果，這種現象稱為光的散射。散射可分為兩大類:(1)懸浮質點的散射:如膠體、乳濁液、含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射屬于此類。(2)分子散射:由于分子熱運動造成密度的局部漲落引起的散射。純凈的液體或氣體所產生的微弱的散射，就屬于此類。

根據大氣中散射體顆粒與光波長的大小比較關系，光線散射遵循2種不同的定律:(1)瑞利散射:當散射體的尺寸小于波長時，散射光強與波長λ的四次方成反比。 (2)米-德拜散射:散射體顆粒度遠大于波長時，散射光強對波長的依賴性不強。

2.2 LED光線在雨、霧空氣中的穿透性分析

大氣中懸浮顆粒物，是懸浮在大氣中的固體、液體顆粒狀物質 (或稱氣溶膠)的總稱。由于來源和形成不同，它的形狀、密度、粒徑大小，光、電、磁學等物理性質及化學組成有很大差異。大氣中顆粒物的粒徑從0.001微米至1000微米之間都有。一般粒徑大于50微米的顆粒物受重力作用很快沉降到地面，在大氣中滯留幾分鐘到幾小時;霧中顆粒粒徑主要為0.2微米到10微米之間;雨滴顆粒粒徑一般在10微米以上［2］。霧中的懸浮顆粒和雨滴對光線的散射作用造成的穿透力的下降，直接導致照明強度的下降［3］。

可見光通常指波長范圍為:390nm～780nm的電磁波，人眼可見范圍為:312nm～1050nm之間。霧中顆粒粒徑部分大于可見光波長還有部分在可見光波長附近，雨滴顆粒粒徑則都大于可見光波長。根據瑞利散射和米-德拜散射的適用范圍，小于可見光波長的顆粒散射與波長有關，大于波長的顆粒散射與波長無關。故道路照明中燈具光線的穿透能力是和光源的顏色是有一定關系的。波長較長的黃光穿透性要稍稍優于白光，亦即是說，LED的穿透力不如傳統的鈉燈，這一點是毋庸置疑的。室內照明不存在雨霧等使用環境，LED的這一弱點主要在道路照明方面有所體現。就一般地區的天氣狀況來看，晴朗氣候遠多于雨霧等惡劣氣候，LED的光線穿透性這方面的不足相比于其眾多優勢而言，畢竟是瑕不掩瑜。

3 LED眩光現象分析

3.1 眩光產生原因

1984年北美照明工程學會對眩光 (Glare)的定義為:在視野內由于遠大于眼睛可適應的照明而引起的煩惱、不適或喪失視覺表現的感覺［4］。根據產生的后果，眩光分為三種類型:不適型眩光、光適應型眩光和喪能型眩光。

不適型眩光，是指在某些太亮的環境下感覺到的不適，這種不舒服的情況會引起眼的一種逃避動作而使視力下降。光適應型眩光，指的是當人從黑暗的環境走入明亮環境時雙眼視覺下降的一種現象。喪能型眩光，是指由于周邊凌亂的眩光源引起人眼視網膜像對比度下降從而導致大腦對像的解析困難的一種現象。

3.2 LED眩光現象分析

發光強度是表征發光器件發光強弱的重要性能。LED大量采用圓柱或圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性，發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向:位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。LED的點光源的特性，使得 LED光源特性有著亮度過高以及眩光的問題發生［5］。LED燈具相較于白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等傳統燈具的一個顯著特點就是光線的方向性很集中。光線方向的過于集中容易造成光照度的局部太亮，產生不適型眩光，這也是目前業界對LED眩光非議較多的根源之所在。

LED照明行業一般采用散射的辦法來降低LED光線過度集中的問題，例如，用透光性很好的亞克力材料來進行散射霧化處理LED發出的光線，但它會損失部分光效。還有一種辦法是采用反射的辦法，LED的光效利用率則很高。例如，使用磨沙的銀色反光材料來分散光源的光線，不要讓LED發光元件處在人眼直接能夠看見的地方，光線至少經過一次反射到達人眼會比較舒服的。相較于“直射式”，“側射式”LED燈具的眩光得到較大的改善。

還有研究表明，光源的光線色度影響了人們對不舒適眩光的主觀感受。隨著藍光成分的增加或是色溫的增加，不舒適度也增加了。由于一些LED光源的藍光成分較多，具有相對較高的色溫，一般認為LED也會產生較強的不舒適眩光。為了解決這一潛在的問題，應盡可能減少LED中的藍光成分，并盡可能地降低其色溫［6］。

從上述分析不難看出，LED相較于傳統光源的確更容易產生眩光。但通過一些簡單的技術手段，這個問題還是比較容易克服，不足以成為普及LED照明的障礙。

4 LED色溫分析

光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫，單位為開爾文 (k)。

各地民眾和路燈管理部門普遍認為，傳統的高壓鈉燈的黃光優于LED燈的白光。其實，這完全沒有科學依據，僅僅是一個先入為主的心理問題。當前白光LED燈在道路照明中不被接受，原因不僅僅是高色溫，而在于高色溫與低照度的共同作用，如圖 1 所示［7］。

圖1 照度和色溫對人的影響

白光讓人清醒，黃光使人昏昏入睡，具體采用什么色溫的光源，主要看應用場合。用來匹配某一特定光源所需要的紅、綠、藍三原色的量叫做該光源三刺激值。有些光源偏黃、偏暖、偏冷、偏青，就是因為光源的三刺激值分配不均而造成的。基于個體對不同色溫各有喜好的心理感受的復雜程度，不能簡單判斷黃光、暖白、中性白、冷白等色溫光源的優劣，更不能斷定LED路燈不適合道路照明。

在道路照明中，為提高人的舒適感和滿意度，高色溫相比低色溫光源需要更高的照度，但數值并不大。LED芯片的光效與色溫密切相關。LED路燈的整燈光效平均值隨著色溫提高而提高，在5 500～6 000 K達到最高值，為59.6 lm/W，然后隨著色溫提高而逐步下降。LED色溫區間的選擇，需要在滿足道路照明設計標準的前提下，充分考慮市民的接受程度，在光效、色溫、成本之間取得平衡。基于目前LED產業的技術水平，5 000～6 500 K區間的冷白光是較好選擇。

5 LED顯色性分析

5.1 顯色性概念

光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度;光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基準光 (太陽光)照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同，如:高壓鈉燈顯色指數Ra=23，熒光燈管顯色指數Ra=60～90。不管那種照明光，包括LED，顯色指數與光譜 (分布)有關。越接近自然光譜 (或者說是標準光譜)，顯色指數越高［8］。

從來源上來說，光源的顯色性是由光源的光譜輻射能量分布決定的。日光、白熾燈具有連續光譜，連續光譜的光源均有較好的顯色性。

光源顯色性和色溫是光源的兩個重要的顏色指針。色溫是衡量光源色的指針，而顯色性是衡量光源視覺質量的指針。假若光源色處于人們所習慣的色溫范圍內，則顯色性應是光源質量的更為重要的指針，這是因為顯色性直接影響著人們所觀察到的物體的顏色。

5.2 LED顯色性分析

很多人都認為LED發光的可見光波范圍很窄，LED光譜是幾根窄線構成的，以至于幾乎是單色光，所以顯色差，這其實是一個誤解。單色LED光譜是一個在某個范圍內的具有一個極大峰值的曲線。由圖2和圖3可以看出，鈉燈的光譜就是一根根線組成，目前主流的白光LED，是通過藍色或紫外激發不同配方的熒光粉后各種光混合在一起構成的一個連續光譜，而且正好覆蓋可見光范圍。

圖2 高壓鈉燈的可見光譜圖

圖3 LED的可見光譜圖

白光LED的顯色指數 (CRI)與藍光芯片、YAG熒光粉有關，其中最重要的是YAG粉。不同色溫區的LED，所采用的熒光粉及藍光芯片不一樣。色溫越低的LED所用的粉發射峰值要越長，芯片的峰值也要長，低于4000K色溫，還要另外加入發紅光的粉，以彌補紅成分的不足，來提高顯色指數。在保持的芯片及粉不變的條件下，色溫越高CRI越高，另外，半峰寬值大的藍光芯片也有利于提高顯色指數。

藍光芯片加YAG熒光粉的LED顯色指數也可以做到80～85.現在的 LED主要缺乏紅光光譜波段，綠光也缺一點，在熒光粉中加紅光和綠光熒光粉會好點。理論上，采用RGBY四基色的LED顯色指數可以做到98。白熾燈的顯色指數高但光效低，高壓鈉燈顯色指數低光效高，只有LED燈可以做到光效和顯色指數都高。

通過對新光源的研究發現，除連續光譜的光源具有較好的顯色性外，由幾個特定波長色光組成的混合光源也有很好的顯色效果。如450 nm的藍光，540 nm的綠光，610 nm的桔紅光以適當比例混合所產生的白光，雖然為高度不連續光譜，但卻具有良好的顯色性。用這樣的白光去照明各色物體，都能得到很好的顯色效果。

6 結語

1)根據雨霧天氣空氣中顆粒大小以及瑞利散射和米-德拜散射理論，可知道路照明中光源光線的穿透能力是和光源的顏色是有一定關系的。波長較長的黃光穿透性要稍稍優于白光，亦即是說，LED的穿透力不如傳統的鈉燈。

2)分析眩光產生原因以及LED發光方向較強的特點，的確LED更容易造成不適性眩光，降低照明的舒適度，但通過一些簡單的霧化或反射措施，很容易克服這一缺點。

3)傳統的高壓鈉燈的黃光優于LED燈的白光僅僅是一個先入為主的心理問題。根據黑體輻射理論以及人類的低色溫視覺習慣，作為半導體發光器件，很容易調節LED的色溫范圍，相較于傳統光源更具有優勢。

4)光源的顯色性是由光源的光譜能量分布決定的，LED這種由幾個特定波長色光組成的混合光源，相比于傳統的連續光譜分布的光源，也有很好的顯色效果。

總之，LED除了穿透力稍稍不如鈉燈外，其色溫、顯色性、眩光等光品質一樣可以表現得很出色。LED具有的高效節能、綠色環保、長壽命等優點更是傳統光源無法比擬的。隨著LED技術的不斷進步，不久的將來，LED照明必定給人類帶來更加美妙的多彩世界。

［1］http:∥news．gg-led．com/asdisp-65b095fb －128858.html．

［2］時宗波，賀克斌，陳雁菊等．霧過程對北京市大氣顆粒物理化特征的影響 ［J］．環境科學，2008，29(3):551～556．

［3］喬乾，許敏．LED在道路照明中穿透性及光色分析研究 ［J］．照明工程學報，2009，20:106～108．

［4］北京照明學會照明設計專業委員會編．《照明設計手冊 (第二版)》［M］．北京:中國電力出版社，2006．

［5］江松柏，郭玉萍，于慶潭等．LED路燈燈具光型分析與道路照度模擬 ［J］．照明工程學報，2009，20:65～69．

［6］居家奇，林燕丹譯．LED汽車前照燈藍光成分與不舒適眩光 ［J］．中國照明電器，2006，(5):31～33．

［7］吳春海．發光二極管 (LED)路燈色溫的思考與選擇［J］．光源與照明，2010，(1):33～34．

［8］李志杰，李倩倩．光源的顯色性理論 ［J］．光源與照明，2008，(2):12～15．