全光譜LED在專業照明領域的應用

飛利浦燈具（上海）有限公司 李亞利

LED光源，一種固態半導體光電器件，作為第四代照明技術，由于綠色環保，高效節能，壽命長，可智能化的優點已被廣泛使用在照明，汽車，顯示等各個行業。照明市場一般可劃分為普通照明和專業照明，而專業照明產品相對于普通照明產品具備更高技術附加值和利潤率，因此越來越多的企業開始朝專業照明細分領域發力，例如工業照明，辦公照明，商業照明，體育照明，景觀照明等等。但是不同的專業照明領域對光源性能的要求非常具體，如發光效率，光質量，發光角度等，其中光源的光譜能量分布就是其中很重要的一個指標。從美國能源之星DOE公布的多年計劃中，可以發現LED性能路線經過近10年的快速發展已經進入相對平穩階段，其發展已經從早期集中于提高流明輸出和可靠性，轉變為優化光輸出方式提高光質量為主。照明行業通常以太陽光作為評價各種光源光質量優劣的基準，這是因為長久以來人類是通過自然的太陽光來分辨周圍環境，作為人造光源，LED的發光光譜越接近太陽光就越容易被人眼所接受。市場上主要應用的白光LED是采用藍光芯片加黃光熒光粉的方式，即藍光激發黃色熒光粉后，部分轉化成黃光，與其余的藍光復合生成白光。這種白光的輸出方式將直接導致LED光源的較低的顯色指數，色空間分布不均勻的現象，最嚴重的是帶來一些照明領域越來越重視的藍光危害的問題。因此，光譜接近太陽光的全光譜LED便應運而生。

1.全光譜LED的定義

所謂全光譜，即光譜包含整個可見光380nm-780nm和非可見光（紫外≤380nm和紅外≥780nm）范圍，并且曲線連續，波峰波谷無明顯比例失調現象。太陽光是真正的全光譜，其顯色指數被定義為1，其他人造光源只能無限接近，而不可能完全做到和太陽光一樣的光譜分布。全光譜LED在業內的研發已經進行了很多年，目前市場化的也僅能做到在可見光范圍內光譜連續，接近于太陽光光譜，要做到真正的包含整個紫外和紅外區域的連續光譜，還存在巨大困難。所以本文提到全光譜LED僅限于包含可見光的全光譜。

2.全光譜LED的制備方法

全光譜LED制備方法有很多，市場上主流的是紫光芯片+藍光芯片+多種熒光粉的方式。這種雙芯片激發多種熒光粉的方法有效的彌補了普通LED在紫光區域的缺失，同時為了增加光譜的連續性，引入青色熒光粉以補充490nm處普通LED光譜凹陷的問題，引入紅色熒光粉增強紅色光譜。

3.全光譜LED在專業照明領域的應用優勢

3.1 體育照明

目前主流的體育場館照明由于實況轉播對真實顏色還原的需求，主要采用CRI90的高顯指LED燈具。從圖1全光譜LED和普通LED的發光光譜，可以看出，對比于高顯指CRI905000K的普通LED，全光譜LED的光譜輻射能量在420nm紫光，490nm青光和650nm紅光處，得到了大幅的加強。尤其是LED行業從2015年開始逐漸采用IEC TM-30的方法來代替CRI來評價光源的顯色性，全光譜LED將更具備優勢。相對于CRI僅有8個標準色相比，TM-30-15體系采用99個從105000個物體的顏色中仔細選取的標準色，它們代表了生活中能看到的常見各種顏色，用Rf（色仿真度）和Rg（色飽和度）來量化光源顯色特性。全光譜LED的Rf值高達98，而高顯指的普通LED僅能達到85左右。

圖1 太陽光譜，全光譜LED和普通LED發光光譜

3.2 工業照明（高棚燈和低棚燈）

2017年起光生物安全報告IEC/EN62471以及IEC/TR 62778被加入國家CCC的強制認證。LED燈具被普遍認為存在藍光危害，人眼長時間直視，達到一定藍光劑量后，會對視網膜造成永久性光化學傷害，屬于室內用燈的光生物安全問題。IEC/EN62471報告里將光輻射安全即藍光危害等級分為四類，無危險(RG0)–低危險(RG1)–中度危險(RG2)–高度危險(RG3) ，如表1所示。如果燈具被定義為RG 2，則需要特殊注明燈具的應用距離和可直視時間。普通LED的制備方式決定其光譜成分主要集中在藍光和黃光波段，并且在400nm-500nm藍光部分占據整個輻射能量很大一部分。對LED而言，藍光危害程度隨色溫的升高而增加，即藍光≥冷白≥自然白≥暖白；隨發光面的增大而減小；隨功率的增大而增加。市場上，大多數功率大于1W的LED被IEC/EN62471定義為藍光危害RG2等級。

表1 光生物危險等級及危害描述

LED高/低棚燈占據專業照明燈具市場很大一部分，適用于工廠、車間、倉庫、候車室、車站、機場、商場等大型寬敞場所的照明燈具。其設計主要使用的LED功率均在1W以上，根據IEC/EN62471中的能量傳遞原則，如果LED定義為RG1，燈具不可能為RG2，可直接應用LED的光生物安全報告于燈具層面；但是如果LED 為RG2，燈具層面由于其光學配件的影響需重新測定。隨著LED工業的技術發展，追求高流明，高光效，高色溫將成為主流趨勢， LED的發光強度越來越大，即單位發光面積內的光通量越來越大，極可能面臨不能通過光生物安全報告中RG1測試的情況。根據IEC/EN62471規定，被劃歸為RG2的燈具需被嚴格定義應用距離及可直視時間。這樣一來，不僅會給消費者帶來心理性的恐慌，更會使此類燈具的應用受到很大的限制。

全光譜LED由于其光譜特點，可以有效的解決普通LED富藍化的問題，降低光源的藍光危害等級。它主要通過增補普通LED在短波青光、短波綠光、長波紅光部分缺少的部分增強光譜連續性，使光源的輻射能量在整個光譜區域均勻分配，從而降低400nm-500nm內的藍光比例。

3.3 辦公照明

辦公照明不僅是指一個單純的照度達標的明亮的辦公環境，如何保證辦公人員的生理舒適性以提高工作效率才是其主要目標。全光譜LED以其接近與自然太陽光的光譜特性，具有天然的優勢，接近于100的顯色指數會帶給員工更好的精神面貌。全光譜LED中的短波紫光成分不僅有殺菌的作用，更有助于人體合成維生素D，加強鈣質吸收，促進骨骼生長。除此，全光譜LED可將能量成分在藍光波段的有效弱化，并且其長波紅光對室內的植物生長也可起到加速作用。

3.4 植物照明

顧名思義，利用植物需要太陽光進行光合作用的原理，模擬太陽光或者完全代替太陽光對植物進行補光從而幫助植物快速生長的專業照明燈具。不同的植物對光源光譜能量分布有不同的需求；不同的波長對植物生長的作用也不盡相同，全光譜LED不僅節能環保，更由于其光譜連續，接近太陽光光譜的特性是目前市場上最具認可的植物照明燈。

4.全光譜LED在專業照明領域的局限

4.1 價格

盡管全光譜LED越來越受到各大制造公司的重視開始加大投入，由于較低的市場占有量決定了其成本很難降低，目前全光譜LED的價格是普通LED的3倍左右。專業照明領域單燈使用LED顆粒相對較多，有時高達幾百顆，昂貴的價格限定了它的實際應用。

4.2 效率

市場上主流全光譜LED的效率大概在122lm/W左右，遠低于普通LED的150lm/W的流明效率。此差異源于普通LED經過多年市場化開發，藍光芯片和黃光熒光粉的技術已經進入相當成熟的階段，內外量子效率和轉換效率達到很高的水平，但全光譜LED所用的紫光芯片和多色熒光粉的效率還有待提高。

4.3 可靠性及壽命

全光譜LED采用的多種熒光粉混合以實現可見光范圍內的光譜連續。不同顏色的熒光粉來自不同的材質，不同的制備方法，其發光特性不同，轉化效率也不同，最重要的是這些熒光粉對溫度和濕度的耐受力不同。比如紅光熒光粉較差的抗腐蝕和抗濕度性，青色熒光粉的耐溫性等等，其在老化測試中壽命衰減速度是不一樣的，這將導致在整個LED使用過程中隨時間而出現的色漂移問題，即色溫和顯色指數發生改變。

5.小結

全光譜LED 因其接近于自然太陽光的光譜特性，在各個照明領域的應用已經是大勢所趨。目前，照明市場很大的份額還是被普通LED所占據，沒有大規模推進全光譜LED的應用，相信隨著成本，效率，壽命的進一步優化、全光譜會循序漸進的被接受，成為專業照明領域一個更好的光源選項。

[1]李琪,辛易.全光譜LED發展現狀及應用前景[J].中國照明電器,2017.3(1):12-16.

[2]中華人民共和國國家標準.IEC 62471 中光源和燈具的藍光危害評價的應用.