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深圳市LED产业联合会
Shenzhen LED Industry Federation
室内健康照明之LED全光谱技术及标准化研究
来源: | 作者:id201708180013 | 发布时间: 2019-02-22 | 1478 次浏览 | 分享到:

深圳市LED产业标准联盟  曹小兵      林桂

技术背景

国内外科研机构正在研究光照对人类健康的影响及构建健康照明趋势,国际标准CIE 218:2016《室内健康照明路线图》明确健康照明推荐的元素国内研究机构也针对健康照明提出视觉健康舒适度指标要求,基于眼光学和观认知所形成的评价照明产品对于视觉生理功能变化视觉疲劳影响的指标VICO指数Visual Comfortable,独立于照明产品物理指标(相关色温、显色指数照度亮度闪烁)评价照明产品对于视觉生理功能影响的指标

受到半导体封装企业聚焦与发的全光谱,采用芯片+荧光粉配合方案D40D40也称为典型日光或重组日光)为评价基准,研究LED实现类日光全光谱在可见光波段的连续性,在典型照明工程中得到大量推广应用,体现了健康与绿色的LED照明理念。研究发现,光对于人体视觉、情感和生理等方面会产生明显的影响,理清了以人为本的照明用光理念,预计全光谱LED将会在健康照明应用中占据重要的地位。照明是光照射场景物体环境使其可以看见的过程。全光谱LED结合智能控制技术可以实现需调整满足特定环境下的照明需求,考虑到光照对人体生理节律方面的影响,模拟一年四季不同时间段光色变化的全光谱,可以在实际场景如学校、家居、办公及种植大棚等长时间照明场合应用全光谱LED

健康照明用全光谱LED

健康照明就是利用符合光生物安全要求的人工光源营造满足照明品质及非视觉效应要求,并实现良好可见度和舒适愉快环境的照明应用。当物品的反射光谱不一样时,红色的苹果反射红色光谱的能力更强,黄色柠檬反射黄色光谱的能力更强,在室内的人工光照下,色温与显色性决定光色还原性,同一种物品在不同色温及显色指数的光照下所展示出来的光色不一样,如果把照明LED的显色指数、色饱和度和色彩逼真度尽量调配到接近100,其光色就越接近太阳光,人眼的观感就越舒服,对物品所展示的颜色也就越真实。目前行业实现全光谱照明的主要技术应用大致分为3种,半导体封装企业典型方案旭宇光电、易美、鸿利光电、朗明纳斯和国星光电等采用一蓝光芯片结合荧光粉来实现全光谱,也有采用蓝光芯片结合荧光粉来实现全光谱的方案,另外日亚、首尔、旭宇光电、光擎、瑞丰光电等企业采用芯片结合荧光粉来实现全光谱。

采用蓝光芯片结合荧光粉方案生产色温的全光谱产品时,单蓝光芯片激发蓝绿粉、绿粉、黄和红粉能够得到光谱连续性显色性高的全光谱照明光源方案具有稳定性好、蓝光占比小和批量良率高等优势,适合应用于室内中小功率和大功率全光谱LED照明产品。高色温的全光谱LED产品一般采用蓝光芯片+青粉+绿粉+红粉的技术方案典型方案的光谱图如图1,由于高色温蓝光辐射功率大、青粉外量子效率相对较低和芯片波段要求很高,以及青光部分相对辐射功率很难提升的因素,导致R12大于90的全光谱LED产品良率偏低,再加上氮氧化物青粉的稳定性相对较差,以及蓝绿光区域存在较大的鸿沟,另外一点主要问题其转换效率低,特别是荧光粉的转换效率提高。

 

 

1  单蓝光芯片的光谱图

蓝光芯片激发荧光粉的全光谱LED的技术方案能够实现显色指数Ra达到98-99,以及CRI能实现大于95,但存批量生产的产出良率不高、技术控制难点较大和成本相对较高等问题点,需相关技术人员在技术上突破来满足大批量生产





2  双蓝光芯片的光谱图

采用385-390nm短波段的芯片结合荧光粉来实现全光谱,方案采用发射峰值为445-450nm蓝色荧光粉,发射峰值为495-500nm绿荧光粉,发射峰值为540-545nm的黄绿荧光粉,发射峰值为600-605nm的橙荧光粉,以及发射峰值为640-645nm的深红荧光粉。开发适合于紫光激发荧光粉实现高光效和高稳定性的荧光粉至关重要,现有蓝粉技术在稳定性和外量子效率方面有较大提升空间,目前国外技术相对领先,仍然需要我国相关技术人员的研发攻关来实现,现有红粉会对蓝粉、绿粉和黄粉存在吸收问题,开发只吸收或较大吸收紫光的新型红粉是短波紫外全光谱技术提升的关键。所用荧光粉显色性属于硫化物,存稳定性差和光衰大的问题。


 


 

 3  紫光芯片的光谱图

光源物体的颜色与参照光源下物体的颜色相符程度的度量显色指数color-rendering index),通常与自然光谱越接近、光谱连续性好及显色指数高,则对物体的色彩还原能力更强。光的显色性color-rendering properties特征是参照标准色卡相比较,LED光源对所规定的色片颜色所产生的效果来判定光显色性的优劣旭宇光电研发团队联合深圳清华大学研究生院建立企业博士后创新基地通过技术创新及全光谱低蓝光的光谱特性研究,重点在全光谱的关键指标显色指数中的R12饱和蓝相对光谱功率部分进行增补研发出显色指数RaR9~R15显色性满足应用需求的全光谱系列产品,并在家客户的项目中得到推广应用。                        

健康照明设计规范

深圳市LED产业标准联盟(LED Standards Alliance of Shenzhen, LSA)成立于2009年,成立大会上原深圳市副市长卓卿锐、现任深圳市市场和质量监督管理委员会邝兵主任等领导为联盟揭牌,LSA42家拥有较强研发实力的企业及科研单位联合组建,现有会员单位115家。秘书处落户于深圳市计量质量检测研究院(SMQ),该院建有专业的LED产品安全、电磁兼容(EMC)、可靠性及光学检测等系统实验平台,拥有专业的技术团队及专家工作组来支撑联盟相应工作。LSA已发布背光组件、控制装置、智能技术、灯及灯具、装饰照明、灯具能效、离网光伏照明和测试方法等方面的团体标准。截止201812月,深圳市LED产业标准联盟共组织制定并发布了43项深圳团体标准,联盟成立9年来,发布的团体标准得到了项目方、产品制造商及项目验收方的引用。多项标准在照明行业属首次发布,其中由旭宇光电(深圳股份有限公司牵头起草SZTT/LSA 019-2018普通照明用贴片式LED技术规范已立项国家标准

20136月我国作为ISO首次开展“标准的非经济效益评估研究” 的入选国,LSA作为优秀案例成功入选,并在ISO官方网站正式发布,国家标准化管理委员会国际合作部及ISO专门发来贺信认可肯定LSA标准化研究成果。同时也得到政府的大力支持和帮助,标准联盟的工作自2012年起,连续三次(2015年、2018年)被广东省质量技术监督局编撰的《实施技术标准战略十春秋-来自广东省的报告》作为深圳市唯一入选的优秀案例团体组织。

团体标准既是联盟成员单位协商一致而制定统一技术指标要求的联盟标准,又是联盟成员间共同且重复使用的规范性文件。LSA201610成立全光谱标准工作组,标准起草工作由旭宇光电(深圳)股份有限公司、深圳市计量质量检测研究院、深圳市耀铭豪智能科技有限公司深圳市聚飞光电股份有限公司等单位牵头并联合深圳市清华大学研究院及封装行业知名企业共同起草该标准,通过2年时间对企业的调研、研究及讨论,针对自然光LED深入研究,总结谱的优势及特点,根据照明需求将自然光的优点最大化及人工光源的缺点最小化,并通过典型应用案例的监测、评定和综合评估,针对全光谱概念、光品质要求及测量方法进行了规定,最终形成团体标准文本。同时针对全光谱LED家居、办公、医院、教室、酒店和农业照明等方面应用进行了系列标准的策划,并计划逐步完成该系列标准的制订201915在广东省企业创新发展协会深圳分会年会上协会领导、嘉宾及与会代表的见证下,发布SZTT/LSA 024.1-2019《室内健康照明设计规范  1部分:全光谱技术要求》和SZTT/LSA 024.2-2019《室内健康照明设计规范  第2部分:家居照明》等LSA团体标准,该标准的发布室内健康照明设计提供了重要依据,标志着深圳LED健康照明及全光谱等技术前沿走在半导体行业的前列

 

 

 

图4  LSA团体标准发布授牌合影

结语

撰写本文旨在抛砖引玉,明辨有关概念,以期向人们传递对全光的正确认识,并推广全光谱LED家居、办公、医院、教室、酒店照明和农业照等方面的推广应用以及标准化的完善与先行。全光谱LED健康照明设计不仅在照度、亮度和色度性能等方面进行控制,而且结合场景、光照需求、生理和心理特征等信息营造健康和舒适的照明质量,提供有益于身心健康的照明光环境。LSA团体标准在提案、制定、发布与推广方面走在照明行业的前列,深圳LED产业集聚和企业的重视密不可分共同努力才能使深圳LED产业参与国际市场竞争,应对新型市场竞争战役,在国际竞争之中立于不败之地。并以系统思想、战略思维和国际先进水平为准则,优化团体标准的实用性,利用深圳优良的标准化氛围与LED产业环境,逐步成为较有影响力的标准化活动集聚地,增加深圳标准参与国际标准制订的机会,推动深圳标准与国际接轨,提升深圳在国际标准领域的话语权。

 

作者简介曹小兵,高级工程师,《中国照明电器》期刊编委会委员,全国标准化原理与方法标准化技术委员会标准化评价分技术委员会(SAC/TC286/SC1)委员,全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会(SAC/TC224/SC2)委员,全国城市公共设施服务标准化技术委员会(SAC/TC537)委员,广东省质监局工程系列标准化专业高级评委员会广东省网络空间安全标准化技术委员会(GD/TC124)专家委员会专家,深圳市LED产业标准联盟专家委员会副组长,第1作者发表论文30余篇,第1发明人申请40余项国家专利,主要参与14国家标准起草30团体标准制修订工作,主要从事智能照明技术及其标准化研究。

标准专利
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