一種評估LED藍光危害的方法

饒 豐，吳曉程，王雅靜，許 昊

(1.常州工學院光電工程學院，213002,江蘇,常州；2. 常州光電技術研究院，213002,江蘇,常州；2.常州光電子材料與器件重點實驗室，213002,江蘇,常州)

一種評估LED藍光危害的方法

饒 豐1,2,3，吳曉程1，王雅靜1，許 昊1

(1.常州工學院光電工程學院，213002,江蘇,常州；2. 常州光電技術研究院，213002,江蘇,常州；2.常州光電子材料與器件重點實驗室，213002,江蘇,常州)

提出了一種估算熒光粉轉換型LED的藍光危害方法。先選擇同型號普通照明用白色LED樣品21只，用光譜儀測量其正常發光下的歸一化光譜分布，然后計算光源的色溫和藍白比，以及在藍光危害限值范圍內可以容許的亮度，最后得到在藍光危害限值內，容許亮度與色溫和容許亮度與藍白比的關系。研究表明：對于該類型的熒光粉轉換型LED，當色溫小于7 500 K時，亮度在100 000 Cd/m2以下不會引起藍光危害，如果LED的熒光粉失效，只要亮度小于31 400 Cd/m2,也不會對人眼造成藍光危害。色溫和容許亮度曲線及藍白比和容許亮度曲線隨溫度變化很小，對于同一類型白色LED，這2條曲線均可用來評估LED燈具是否對人眼構成藍光危害。

藍光危害;發光二極管;色溫;藍白比

0 引言

LED亮度高、壽命長，節能環保，被認為是下一代理想的光源[1-2]。目前，LED已經廣泛地應用于照明和顯示領域。隨著技術的發展，LED光效和功率進一步增大，亮度將越來越高。當人們在享受的LED帶來的高亮和舒適的同時，LED也有可能造成人眼的輻射危害[3]。其中，藍光危害就是最典型的危害[4]。因此，準確、方便、快捷地評價LED燈具的藍光危害，對產業發展具有重要意義。

為了規范光生物安全性(包括藍光危害在內)的檢測，2002年國際照明學會發布了CIES009/E:2002《燈和燈系統的光生物安全性》，2006年，國際電工委員會等同采用了該標準，出版了IEC62471：2006年[5]、2008年、2009年又進行了修改，最終發布了標準IEC/TR62471-2-2009。2012 年IEC又發布了技術報告IEC/TR62778-2012《IEC62471標準的光源和燈具的藍光危害評價應用》[6]。我國于2006年也等同采用了CIES009/E：2002，出版了國家推薦標準GB/T20145-2006[7]。根據這些標準，藍光危害是由光譜輻射亮度加權藍光危害系數得到，但是，在實際測量中，要想得到準確結果，光譜儀步長要求為0.2 nm，光譜誤差不大于3%，同時對點燈條件(如電流波動，溫度等)有著嚴格的要求[8]。因此，該方法一般在實驗室使用，不方便在生活中對一般照明進行評估。同時，該標準是針對一切燈具，并不體現LED燈具的特點。

照明用LED一般是采用熒光粉轉換型光源，其歸一化光譜有著自己的規律[9]，本文擬結合LED光譜特性和亮度，設計出一種適用于日常生活，根據常規量即可評估LED藍光危害的方法。

1 理論

根據標準，燈具的藍光危害一般用藍光加權輻射亮度表示[4]：

(1)

式中：L(λ)是光譜輻射亮度，B(λ)是藍光危害加權系數，由標準給出，△λ是采樣間隔。無危害級燈具的加權輻射亮度小于100。對于LED燈具，L(λ)與歸一化光譜基本成正比：

B(λ)△λ

(2)

式中：x為系數,spec(λ)是歸一化光譜。而x可以通過歸一化光譜spec(λ)和LED燈具的亮度L求得：

△λ

(3)

式中V(λ)是人眼的視見函數。

可見，如果已知LED燈具的亮度L和歸一化光譜spec(λ)，則藍光危害可以計算出來。

對于熒光粉轉換型LED，歸一化光譜與色溫或藍白比存在著內在的聯系，因此，LED藍光危害與亮度、藍白比或色溫直接應該存在內在的聯系，本研究就是基于這種聯系，開發出一種方便快捷地藍光危害估算方法。

2 實驗

從200余只Philip公司生產的功率為1 W的熒光粉轉換型LED中選擇色溫較均勻地分布在4 500～7 500 K范圍內的21只。采用光色電綜合測試系統測量LED的歸一化光譜分布，儀器結構如圖1，數控高精度恒流電源給待測LED陣列供電，電流誤差為±1 mA，恒溫器給LED陣列提供穩定的襯底溫度，精度為±0.3 ℃。積分球和光譜儀結合能夠準確地測量待測LED陣列的歸一化光譜分布。

測試前，LED均老化12 h，老化過程中，保持環境溫度25±1 ℃，LED的驅動電流350 mA，誤差3%。測試中, 保持環境溫度變化不超過1 ℃，無明顯對流風。

圖1 光色電綜合分析系統結構示意圖

考慮到無危害級燈具的藍光危害加權亮度LB限制為100，可以將歸一化光譜代入式(2)，計算出LB=100時的x值。然后代入(3)式求出對應的LED亮度。同時，由歸一化光譜求出LED色溫和藍白比。最后，分析LB=100時，亮度與色溫或藍白比的關系。

考慮到LED燈具光譜隨著外界溫度變化而變化，本研究分別測量了10～40 ℃時，間隔為5 ℃時350 mA驅動電流下的歸一化光譜，分析LB=100時，亮度與色溫或藍白比的關系。

3 結果與討論

圖2是所選21只樣品的實測色溫分布圖,圖2中按色溫增值排列，橫坐標為LED樣品的編號，縱坐標為實測的色溫。可見，所選樣品基本呈均勻分布。圖3是色溫最高的1號和最低的21號樣品的相對光譜分布，很明顯，色溫高的LED，光譜中藍光成分比較高，藍白比[10]比較高，色溫低的LED，光譜中熒光粉發的光比較多，藍白比比較低。

圖2 LED樣品的色溫

圖3 1號和20號LED的光譜

圖4是燈具無藍光危害時，LED色溫與亮度的關系。可見，對于環境溫度從10～40 ℃范圍內的7條曲線，差別很小，幾乎重合；同時，如果要求燈具不超過藍光危害限值，LED色溫越高，可允許的亮度越小。如果燈具的色溫-亮度坐標在曲線的右上方，則藍光危害超過限值，離曲線越遠，超過限值就越多。如果在左下方，則藍光危害不超限值，無危害。更有意義的是，如果燈具色溫7 500 K以下，亮度小于100 000 Cd/m2時，沒有藍光危害。

圖4 LED色溫與LED最大容許亮度的關系

圖5是藍光危害為100時，藍白比與LED亮度之間的關系。可見，藍白比越高的LED，容許的亮度越小，同樣地，如果某個燈具的亮度-藍白比坐標坐落在圖5的右上方，則超出了限值，如果坐落在左下方，則藍光危害符合要求。曲線擬合方程為：

(4)

因此，對于樣品LED，即使藍白比為1，即熒光粉失效，不發光，只要亮度小于31 400 Cd/m2，也不會造成藍光危害。

圖5 藍白比與LED最大容許亮度的關系

LED燈具的色溫和藍白比利用手持式光譜計就可以測量，亮度則可以通過亮度計測量，而白色LED的光譜大多由藍光芯片和熒光粉發出的光組成，色溫和藍白比基本能夠描述這2個部分的關系。因此，通過這些常規測量，結合圖4、圖5，能夠得到LED的藍光危害。相對于標準規定的方法，該方法測量難度低、速度快，方便在生活和生產中使用。

本文的方法要求首先得到藍白比或色溫與最大容許亮度的曲線，對于同一種類型的光源，歸一化光譜相似，本方法的準確度比較高，如果換一種類型，則要求另測新類型LED的藍白比或色溫與最大容許亮度曲線，這是因為對于不同類型的LED，由于可能存在同色異譜現象，因此，一般不能用同一條曲線。

4 結論

本研究首先測量了熒光粉轉換新LED光譜，然后計算了藍光危害為限值時，LED的亮度、色溫和藍白比，發現兩者存在良好的數學關系。進而提出，采用亮度和色溫或藍白比估算照明用LED燈具的藍光危害。

本方法對測量儀器的要求低，所測量均為常規量，因此，適合生活中LED照明的藍光危害估算，有利于促進LED科學照明、健康照明和綠色照明。

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AMethodtoEvaluatetheBlueLightHazardofPhosphorConvertedLED

RAO Feng1,2,3,WU Xiaocheng1,WANG Yajing1,XU Hao1

(1.Colleague of Photoelectric Engineering,Changzhou Institute of Technology,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Institute of Photoelectrical Technology of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC)

A method for estimating blue light hazard of phosphor converted LEDs is developed.21 LED samples of the same type for general lighting are selected,and then the relative spectra of these LEDs are measured.The color temperatures and the ratios of blue light to white light (B/W ratios) are calculated,and then the irradiance of LED while the blue light hazard reaches the maximum value are got.Finally,the relationship among maximal irradiances,color temperatures and B/W ratios are obtained.It is shown that there is no blue light hazard when the irradiance is less than 100 000 Cd/m2for the phosphor converted LEDs with color temperature less than 7 000 K.The blue light is no harmful effect when the irradiance is less than 31 400 Cd/m2even the phosphor is useless.Color temperature-irradiance curve and B/W ratio-irradiance curve change little with ambient temperature,which can be used to evaluate the blue light hazard of LED lamps.

blue light hazard;light emitting diode;color temperature;B/W ratio

2014-06-05;

2014-07-02

饒 豐(1983-)，男，博士，講師，主要從事LED光色電性能檢測及生物安全方面的研究。

常州工學院重點項目(No:YN1209)；常州光電技術研究院項目(No:CZGY003)；大學生實踐創新創業訓練計劃項目(GDS130109)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.007

O432.2

A

1001-3679(2014)04-0455-04