基于太陽光LED的健康照明光譜研究

張耀華，杜元寶，張日光，劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，浙江 寧波 315000； 2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201)

引言

白光LED的光束較窄，特別是藍光波段范圍能量比較集中，將LED照明光源對人體長時間照射會產生照射作用，國內外最新的研究均表明其“富藍化”的光譜質量容易影響人的健康，從而降低免疫力。 本文所提出太陽光LED的健康照明光譜，其光譜連續性接近于太陽光,顯色指數、色飽和度與色彩保真度調配到接近100，其光色就接近太陽光讓人眼的觀感越舒服改善及提高人們工作、學習、生活的條件和質量，促進心理和生理健康，并實現良好可見度和舒適愉快環境。針對常規LED照明產品藍光危害或富藍化危害，本文所提出的太陽光LED的健康照明光源，主要解決問題如下：第一補全紫外部分或增強藍光帶寬，削減藍光比例，降低了藍光危害。第二增加熒光粉帶寬補全缺少光譜部分，提高了平均顯色指數Ra,同時R1～R15個標準樣品值均得到90以上[1-4]。

1 太陽光LED健康照明的研究方案

本文主要研究方案主要有：RGB熒光粉與混波段LED藍光芯片及UVA紫光芯片的組合；RGB熒光粉與UVA 405 nm紫外芯片的組合；RGB熒光粉與單波段LED藍光芯片及UVA紫光芯片的組合，研究2 700～5 000 K色溫光譜變化情況及顯色指數R1～R15的情況。其中RGB熒光粉中紅粉采用硅基氮化物1113結構，主波長610 nm，峰值波長655 nm，色坐標(CIE1931)x=0.665，y=0.333，半峰寬87 nm，D50=13 μm；綠粉采用稀土熒光粉，主波長510 nm，峰值波長535 nm，色坐標(CIE1931)x=0.2870，y=0.3920，半峰寬161 nm，D50=15.7 μm；藍粉采用稀土磷鋁酸鹽，主波長491 nm，峰值波長450 nm，色坐標(CIE1931)x=0.2540，y=0.3290，半峰寬140 nm，D50=15 μm。LED藍光芯片波長范圍450～460 nm；紫光芯片波長405 nm。

如表1所示，4組實驗方案選用13 mm ×13 mm的鏡面鋁為基板，發光面φ11 mm，4串電路結構，藍光和紫光芯片按1∶1配比，鋁材選用德國進口安鋁1700AG-HPSP，焊線鍍層采用NI/PD/AU材料處理，17X34 mil正裝藍光芯片，波段450～460 nm，芯片電壓3～3.1 V,光功率Po>197 MW,紫光芯片11X29 mil，PO=200～215 MW, 芯片電壓3.34～3.4 V除上述實驗方案內容不同外，其余材料都相同，本著單一變量的原則下進行實驗對比[5-7]。

表1 太陽光LED健康照明研究方案Table 1 Sunlight LED health lighting research scheme

圖1 COB電路結構Fig.1 COB circuit structure

圖2 COB產品Fig.2 COB products

2 實驗結果與分析

對四組實驗方案的封裝樣品，用積分球光電測試儀同時進行光譜測試，色溫2 700 K、4 000 K、5 000 K測試結果見表2～表4，光譜圖如圖3～圖5所示。

表2 四組樣品2 700 K色溫R1～R15值Table 2 Color temperature R1～R15 value of 2 700 K for 4 groups of samples

表3 4組樣品4 000 K色溫R1～R15值Table 3 Color temperature R1-R15 value of 4 000 K for 4 groups of samples

表4 4組樣品5 000 K色溫R1～R15值Table 4 Color temperature R1-R15 value of 5 000 K for 4 groups of samples

圖3 4組樣品2 700 K光譜圖Fig.3 The spectra of the samples in 4 groups 2 700 K

圖4 4組樣品4 000 K光譜圖Fig.4 The spectra of the samples in 4 groups 4 000 K

圖5 4組樣品5 000 K光譜圖Fig.5 The spectra of the samples in 4 groups 5 000 K

從上述4組實驗測試的結果對比我們可以看出，4組實驗方案，在低色溫段2 700 K，用紫外405 nm波長LED芯片激發RGB熒光粉的1組方案和紫外405 nm與混波段藍光方案激發RGB熒光粉4組方案在R1～R15表現最佳，但從與太陽光譜的擬合度看，后者的擬合度更好，其他兩組方案在藍光450～460 nm強度太高，在470～480 nm光譜強度太低；中性色溫4 000 K，用紫外405 nm波長LED芯片激發RGB熒光粉的1組方案，整體R1-R15都在90以上，明顯優于其他3組方案，但是紫外405 nm峰值強度較強，偏離太陽光譜，紫外405 nm與混波段藍光方案激發RGB熒光粉4組方案，除R12外其他R值表現優越，與太陽光譜擬合度較好，其他兩組方案450～460 nm強度較高，460 nm以后與太陽光譜擬合度較好，但是紫光波段區域缺失；高色溫5 000 K, 紫外405 nm波長LED芯片激發RGB熒光粉的1組方案在R1～R15表現最優，且光譜與太陽光譜擬合度較好，紫外 405 nm與混波段藍光方案激發RGB熒光粉4組方案紫光區域缺失，460 nm以后波段區域強度較低，與太陽光譜擬合度較差，其他兩組除450～460 nm外，紫外光譜缺失及460 nm以后光譜強度不夠，與太陽光譜擬合度較差[8-14]。

3 結論

本文設計了4組實驗方案，主要對2 700～5 000 K色溫的實驗方案的光譜與標準LED太陽光光譜進行了對比研究。實驗結果發現在低色溫2 700 K和4 000 K時，用紫外405 nm波長LED芯片與混波段藍光激發RGB熒光粉的2組方案在R1～R15表現最佳，光譜與太陽光譜擬合度最好；中性高色溫4 000 K時，紫外405 nm激發RGB熒光粉4組1組方案整體R1～R15都在90以上，明顯優于其他組方案，光譜與太陽光譜擬合度最好。