通用照明白光LED器件光譜節律刺激效應分析

蔡連章，張國芳，潘利兵

(佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000)

引言

近年來，隨著LED芯片及其白光器件封裝技術的發展，其在照明、顯示、指示、背光等領域應用廣泛[1]。白光LED器件封裝方案有多種，其中藍光芯片激發黃綠或紅、黃熒光粉發出白光的方案在通用照明領域已經大規模產業化[2,3]。隨著人們對光品質和光健康認識的深入，相關色溫(CCT)、顯色指數(Ra)、照度、眩光等指標以及光對人體的非視覺效應研究也在不斷發展，相關的評價方法和標準備受關注[4-6]。進一步深入研究LED光譜的典型參數特性對生物節律的影響及其量化關系，對于照明燈具設計和器件選型具有重要意義。

1 節律刺激值理論簡介

實證研究表明，當光線射人視網膜時，光敏視網膜神經節細胞(ipRGCs)向大腦中的視交叉上核(SCN)發送神經信號，而SCN依據接收到的信號來調節褪黑素的分泌[7]。褪黑素是一種睡眠管理激素，其分泌具有明顯的晝夜節律特征，白天分泌受抑制，晚上分泌活躍。通過考慮所有感光細胞的光譜光視效能的影響，Rea等[8]提出了一種節律刺激效應的量化研究方法，并將該度量方法命名為晝夜節律刺激值法(Circadian Stimulus，CS)。在該團隊隨后的研究中，該度量方法又深化發展為兩個相關的指標，即晝夜節律刺激值(Circadian Stimulus，CS)與晝夜節律照度(Circadian Light，CLA)。其中晝夜節律刺激值代表了夜間褪黑素分泌的受抑制程度，而晝夜節律照度則是一個基于CIE標準光源A(CIE standard illuminant A)(色溫為2 856 K的黑體輻射體)標準化之后的輻射照度值，以便與一般明視覺照度(勒克斯)進行比較。以下為計算CS和CLA這兩個度量的公式：

(1)

(2)

(3)

式中CLA代表晝夜節律照度值。常數1 548是為了將CLA正規化，使得當2 856 K的黑體輻射體(black body radiator)在1 000 lx(明視覺勒克斯)時CLA的數值為1 000；E(λ)代表實際測量得到的光譜功率分布值；Mc(λ)代表經過人眼晶狀體光譜吸收特征校正過的視黑素光譜光視效能函數；S(λ)為S型視錐細胞的光譜光視效能函數；mpλ為黃斑色素透光率(macular pigment transmittance)；V(λ)為明視覺光譜光視效能函數；V′(λ)暗視覺光譜光視效能函數；RodSat=6.5W/m2，視桿細胞半飽和常數(half-saturation constant for bleaching rods)；k=0.261 6,常數；ab-y=0.7 000,常數；arod=3.300 0，常數。綜合式(1)～式(3)可以得到，晝夜節律刺激值(CS)由晝夜節律照度值(CLA)決定；CLA由研究對象或環境中測試得到的光譜功率分布決定。因此，我們可以利用晝夜節律刺激值計算方法量化研究其值與光譜功率分布間重要特征參數之間的關系。

CS和CLA作為光環境影響的量化指標已經被用于若干類型的實驗室研究與實地研究中，如醫療環境、辦公環境等。結果表明，CS指標可以有效預測一定時期內褪黑素分泌受抑制程度及睡眠表現。本研究制作并測試了通用照明領域常用LED器件光譜數據，利用節律刺激值計算方法[7]，詳細分析了節律刺激值與光譜色溫、顯指和照度的關系，得到了一些對于照明燈具設計和器件選型具有一定參考意義的結果。

2 LED器件光譜節律刺激效應分析

2.1 LED器件光譜測試

國星光電P3528器件是一種通用照明領域廣泛應用的標準LED封裝器件。我們選擇不同光色參數的器件并對其光譜進行了精準的測試，器件規格如圖1所示，使用的測試機為IS(Instrument System)光譜測試系統。

圖1 國星光電 P3528 LED器件Fig.1 Nationstar P3528 LED device

首先，為了研究不同相關色溫下器件光譜色的節律刺激效應，我們優選了應用廣泛的顯色指數80(R80)的不同相關色溫(correlated color temperature,CCT)(2 200 K/2 700 K /3 000 K/3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K)器件，相對光譜測試數據如圖2所示。

圖2 顯色指數80的不同色溫器件相對光譜Fig.2 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 80

其次，為探討不同典型顯色指數的光譜色的節律刺激效應，我們補充制作并測試了R70/R90典型色溫器件光譜數據如圖3所示。

圖3 顯指R70/R90典型色溫器件相對光譜Fig.3 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 70/90

2.2 LED器件光譜節律刺激效應分析

2.2.1 節律刺激值與色溫和亮度的關系

豐富的照明應用場景，對發光顏色色溫提出了眾多不同的要求。白光LED器件常規色溫有2 200 K/2 700 K/3 000 K /3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K多種。通過節律刺激值計算方法，同時考慮照度值在300、500、1 000 lx三種條件，得到如圖4所示的節律刺激值與色溫的關系曲線。圖4曲線數據表明：1)節律刺激值CS隨著光源相關色溫CCT升高呈現分階段性升高，具體表現為2 200～3 500 K段逐漸升高，4 000～6 000 K段逐漸升高，中間存在一個階躍。該現象的直接原因是研究所用的節律刺激值理論中CS值有兩種不同光信號傳導通路，且其計算公式(式(1)和式(2))相差較大造成。在本研究中所選的光譜中，4 000 K以下的符合式(2)條件；色溫大于等于4 000 K的符合式(1)條件。這兩種通路的差異源于視錐細胞光傳導通路中的光譜色頡頏機制[8]。具體在照度300 lx條件下，6 000 K色溫的光源比2 700 K色溫的光源節律刺激值高0.085；4 000 K色溫的光源比3 500 K的低0.112。 2)隨著亮度的升高，節律刺激值明顯升高，6 000 K色溫條件下，1 000 lx的光源比300 lx的光源節律刺激值高0.204。3)相對色溫對節律刺激的影響，亮度明顯影響更加顯著。以上結果對于照明燈具設計和選型中色溫和亮度的考量具有非常強的指導意義。

圖4 節律刺激值與色溫的關系曲線Fig.4 Relationship between circadian stimulus and color temperature

2.2.2 節律刺激值與顯指的關系

在通用照明領域，不同應用場景對顯指的要求也有所差異。當今市場主流產品顯指參數(Ra)主要有70、80、90三個檔位。通過節律刺激值計算方法，同時考慮照度值在1 000 lx條件下2 700 K/3 000 K/4 000 K /5 000 K/6 500 K多種光譜色光源，得到如圖5所示多色溫條件光譜色的節律刺激值與顯指的關系曲線。圖5曲線數據表明：1)不同色溫光源，隨著顯指升高，節律刺激值隨之變化趨勢不同，3 000 K/5 000 K，顯指R80光源節律刺激值比R70的高約0.06～0.09；但是2 700 K/4 000 K/6 500 K，顯指R80光源與R70的節律刺激值差異不明顯，在0.003～0.016之間；2)各色溫光源，隨著顯指繼續升高，節律刺激值隨之變化趨勢放緩；顯指R90光源節律刺激值比R80差異很小，在0～0.026之間。以上結論對于照明燈具設計和選型中光源顯指的考量具有較強的參考意義。

圖5 節律刺激值與顯指的關系曲線Fig.5 Relationship between circadian stimulus and color rendering index

2.2.3 節律刺激值與照度的關系

在通用照明領域，照度參數的設計和選擇在不同應用場景均尤為重要。常見的辦公、閱讀、商照等典型場景照度在1 000 lx以內；常見的生活場景如太陽直射的水面上，照度為100 000 lx。通過節律刺激值計算方法，同時考慮2 700 K /3 000 K/4 000 K/5 000 K/6 500 K多色溫光譜色條件下光源，得到如圖6(a)(b)所示多色溫條件光譜色的節律刺激值與照度的關系曲線。圖6(a)曲線數據表明：1)隨著照度升高，節律刺激值隨之大，變化趨勢逐漸變緩；2) 不同色溫光源，變化趨勢接近；圖6(b)曲線數據表明：隨著照度升高至10 000 lx以上，節律刺激值接近0.7的飽和狀態；各色溫光源，變化趨勢接近。以上結論對于照明燈具設計和選型中照度的考量具有較強的指導意義。

圖6 節律刺激值與照度的關系曲線Fig.6 Relationship between circadian stimulus and illuminance

3 總結

本研究基于制作并測試了通用照明領域常用不同相關色溫和顯指的LED器件光譜數據，通過節律刺激值計算方法，詳細計算分析了節律刺激值與色溫、顯指和照度的關系。研究發現：1)節律刺激值CS隨著光源相關色溫CCT升高呈現分階段性升高，具體表現為2 200～3 500 K段逐漸升高，4 000～6 000 K段逐漸升高，中間存在一個階躍；2)不同色溫光源，隨著顯指升高，節律刺激值隨之變化趨勢不同；3)隨著照度升高，節律刺激值隨之變大，變化趨勢逐漸變緩隨著照度升高至10 000 lx以上，節律刺激值接近0.7的飽和狀態。由于節律刺激值由光譜功率分布決定，但色溫和顯色指數都存在同色異譜現象，本研究相關定量結果只適用于所測試批次的LED器件，相關定性結果也只適用于與本研究所測試LED光譜接近的器件或燈具。以上結果對于照明燈具設計和器件選型具有一定的參考意義。