LED燈具的光品質(zhì)分析

文尚勝

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640)

1 引言

隨著全球能源及環(huán)保意識(shí)抬頭，高功率LED取代傳統(tǒng)燈泡，進(jìn)入普通照明應(yīng)用，已經(jīng)成為L(zhǎng)ED業(yè)界夢(mèng)寐以求的終極市場(chǎng)。

從照明角度看待LED燈具，主要有光效、配光、光衰等問(wèn)題。隨著LED技術(shù)的迅猛進(jìn)步，國(guó)際大廠研發(fā)LED發(fā)光效能突破100 lm/W，實(shí)驗(yàn)室水平更是超過(guò)200 lm/W［1］。LED配光水平大為提高，照度均勻度相比高壓鈉燈已有優(yōu)勢(shì)，光衰問(wèn)題明顯改善，相比其他光源并不遜色。LED的穿透性、眩光、顯色性、色溫等光品質(zhì)特性對(duì)于LED照明扮演重要角色，這些更深層次的問(wèn)題逐漸擺在業(yè)界的面前，若是LED這些光品質(zhì)無(wú)法與傳統(tǒng)光源相媲美，未來(lái)LED要進(jìn)入普通照明應(yīng)用的機(jī)會(huì)恐怕也不大。

鑒于LED照明在推廣過(guò)程中遇到了諸多對(duì)其光品質(zhì)的質(zhì)疑聲，本文從光散射理論、黑體輻射理論等理論，用理論和實(shí)際相結(jié)合的方法，比較詳細(xì)分析LED燈具幾個(gè)爭(zhēng)議性的光品質(zhì)特性，例如穿透性、眩光、顯色性、色溫等，試圖澄清行業(yè)對(duì)LED存在的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，推進(jìn)LED行業(yè)的健康發(fā)展。

2 LED光線的穿透性分析

2.1 光線的散射理論

當(dāng)光束通過(guò)均勻的透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面難以看到光。但當(dāng)光束通過(guò)不均勻的透明介質(zhì)時(shí)，則從各個(gè)方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射可分為兩大類:(1)懸浮質(zhì)點(diǎn)的散射:如膠體、乳濁液、含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射屬于此類。(2)分子散射:由于分子熱運(yùn)動(dòng)造成密度的局部漲落引起的散射。純凈的液體或氣體所產(chǎn)生的微弱的散射，就屬于此類。

根據(jù)大氣中散射體顆粒與光波長(zhǎng)的大小比較關(guān)系，光線散射遵循2種不同的定律:(1)瑞利散射:當(dāng)散射體的尺寸小于波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)λ的四次方成反比。 (2)米-德拜散射:散射體顆粒度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性不強(qiáng)。

2.2 LED光線在雨、霧空氣中的穿透性分析

大氣中懸浮顆粒物，是懸浮在大氣中的固體、液體顆粒狀物質(zhì) (或稱氣溶膠)的總稱。由于來(lái)源和形成不同，它的形狀、密度、粒徑大小，光、電、磁學(xué)等物理性質(zhì)及化學(xué)組成有很大差異。大氣中顆粒物的粒徑從0.001微米至1000微米之間都有。一般粒徑大于50微米的顆粒物受重力作用很快沉降到地面，在大氣中滯留幾分鐘到幾小時(shí);霧中顆粒粒徑主要為0.2微米到10微米之間;雨滴顆粒粒徑一般在10微米以上［2］。霧中的懸浮顆粒和雨滴對(duì)光線的散射作用造成的穿透力的下降，直接導(dǎo)致照明強(qiáng)度的下降［3］。

可見(jiàn)光通常指波長(zhǎng)范圍為:390nm～780nm的電磁波，人眼可見(jiàn)范圍為:312nm～1050nm之間。霧中顆粒粒徑部分大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)還有部分在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，雨滴顆粒粒徑則都大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)。根據(jù)瑞利散射和米-德拜散射的適用范圍，小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的顆粒散射與波長(zhǎng)有關(guān)，大于波長(zhǎng)的顆粒散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。故道路照明中燈具光線的穿透能力是和光源的顏色是有一定關(guān)系的。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃光穿透性要稍稍優(yōu)于白光，亦即是說(shuō)，LED的穿透力不如傳統(tǒng)的鈉燈，這一點(diǎn)是毋庸置疑的。室內(nèi)照明不存在雨霧等使用環(huán)境，LED的這一弱點(diǎn)主要在道路照明方面有所體現(xiàn)。就一般地區(qū)的天氣狀況來(lái)看，晴朗氣候遠(yuǎn)多于雨霧等惡劣氣候，LED的光線穿透性這方面的不足相比于其眾多優(yōu)勢(shì)而言，畢竟是瑕不掩瑜。

3 LED眩光現(xiàn)象分析

3.1 眩光產(chǎn)生原因

1984年北美照明工程學(xué)會(huì)對(duì)眩光 (Glare)的定義為:在視野內(nèi)由于遠(yuǎn)大于眼睛可適應(yīng)的照明而引起的煩惱、不適或喪失視覺(jué)表現(xiàn)的感覺(jué)［4］。根據(jù)產(chǎn)生的后果，眩光分為三種類型:不適型眩光、光適應(yīng)型眩光和喪能型眩光。

不適型眩光，是指在某些太亮的環(huán)境下感覺(jué)到的不適，這種不舒服的情況會(huì)引起眼的一種逃避動(dòng)作而使視力下降。光適應(yīng)型眩光，指的是當(dāng)人從黑暗的環(huán)境走入明亮環(huán)境時(shí)雙眼視覺(jué)下降的一種現(xiàn)象。喪能型眩光，是指由于周邊凌亂的眩光源引起人眼視網(wǎng)膜像對(duì)比度下降從而導(dǎo)致大腦對(duì)像的解析困難的一種現(xiàn)象。

3.2 LED眩光現(xiàn)象分析

發(fā)光強(qiáng)度是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能。LED大量采用圓柱或圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性，發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向:位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為90。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強(qiáng)也隨之變化。LED的點(diǎn)光源的特性，使得 LED光源特性有著亮度過(guò)高以及眩光的問(wèn)題發(fā)生［5］。LED燈具相較于白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等傳統(tǒng)燈具的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是光線的方向性很集中。光線方向的過(guò)于集中容易造成光照度的局部太亮，產(chǎn)生不適型眩光，這也是目前業(yè)界對(duì)LED眩光非議較多的根源之所在。

LED照明行業(yè)一般采用散射的辦法來(lái)降低LED光線過(guò)度集中的問(wèn)題，例如，用透光性很好的亞克力材料來(lái)進(jìn)行散射霧化處理LED發(fā)出的光線，但它會(huì)損失部分光效。還有一種辦法是采用反射的辦法，LED的光效利用率則很高。例如，使用磨沙的銀色反光材料來(lái)分散光源的光線，不要讓LED發(fā)光元件處在人眼直接能夠看見(jiàn)的地方，光線至少經(jīng)過(guò)一次反射到達(dá)人眼會(huì)比較舒服的。相較于“直射式”，“側(cè)射式”LED燈具的眩光得到較大的改善。

還有研究表明，光源的光線色度影響了人們對(duì)不舒適眩光的主觀感受。隨著藍(lán)光成分的增加或是色溫的增加，不舒適度也增加了。由于一些LED光源的藍(lán)光成分較多，具有相對(duì)較高的色溫，一般認(rèn)為L(zhǎng)ED也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的不舒適眩光。為了解決這一潛在的問(wèn)題，應(yīng)盡可能減少LED中的藍(lán)光成分，并盡可能地降低其色溫［6］。

從上述分析不難看出，LED相較于傳統(tǒng)光源的確更容易產(chǎn)生眩光。但通過(guò)一些簡(jiǎn)單的技術(shù)手段，這個(gè)問(wèn)題還是比較容易克服，不足以成為普及LED照明的障礙。

4 LED色溫分析

光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫，單位為開(kāi)爾文 (k)。

各地民眾和路燈管理部門(mén)普遍認(rèn)為，傳統(tǒng)的高壓鈉燈的黃光優(yōu)于LED燈的白光。其實(shí)，這完全沒(méi)有科學(xué)依據(jù)，僅僅是一個(gè)先入為主的心理問(wèn)題。當(dāng)前白光LED燈在道路照明中不被接受，原因不僅僅是高色溫，而在于高色溫與低照度的共同作用，如圖 1 所示［7］。

圖1 照度和色溫對(duì)人的影響

白光讓人清醒，黃光使人昏昏入睡，具體采用什么色溫的光源，主要看應(yīng)用場(chǎng)合。用來(lái)匹配某一特定光源所需要的紅、綠、藍(lán)三原色的量叫做該光源三刺激值。有些光源偏黃、偏暖、偏冷、偏青，就是因?yàn)楣庠吹娜碳ぶ捣峙洳痪斐傻??；趥€(gè)體對(duì)不同色溫各有喜好的心理感受的復(fù)雜程度，不能簡(jiǎn)單判斷黃光、暖白、中性白、冷白等色溫光源的優(yōu)劣，更不能斷定LED路燈不適合道路照明。

在道路照明中，為提高人的舒適感和滿意度，高色溫相比低色溫光源需要更高的照度，但數(shù)值并不大。LED芯片的光效與色溫密切相關(guān)。LED路燈的整燈光效平均值隨著色溫提高而提高，在5 500～6 000 K達(dá)到最高值，為59.6 lm/W，然后隨著色溫提高而逐步下降。LED色溫區(qū)間的選擇，需要在滿足道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，充分考慮市民的接受程度，在光效、色溫、成本之間取得平衡?；谀壳癓ED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，5 000～6 500 K區(qū)間的冷白光是較好選擇。

5 LED顯色性分析

5.1 顯色性概念

光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度;光源的顯色性是由顯色指數(shù)來(lái)表明，它表示物體在光下顏色比基準(zhǔn)光 (太陽(yáng)光)照明時(shí)顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較好，我們所見(jiàn)到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，我們所見(jiàn)到的顏色偏差也較大。國(guó)際照明委員會(huì)CIE把太陽(yáng)的顯色指數(shù)定為100，各類光源的顯色指數(shù)各不相同，如:高壓鈉燈顯色指數(shù)Ra=23，熒光燈管顯色指數(shù)Ra=60～90。不管那種照明光，包括LED，顯色指數(shù)與光譜 (分布)有關(guān)。越接近自然光譜 (或者說(shuō)是標(biāo)準(zhǔn)光譜)，顯色指數(shù)越高［8］。

從來(lái)源上來(lái)說(shuō)，光源的顯色性是由光源的光譜輻射能量分布決定的。日光、白熾燈具有連續(xù)光譜，連續(xù)光譜的光源均有較好的顯色性。

光源顯色性和色溫是光源的兩個(gè)重要的顏色指針。色溫是衡量光源色的指針，而顯色性是衡量光源視覺(jué)質(zhì)量的指針。假若光源色處于人們所習(xí)慣的色溫范圍內(nèi)，則顯色性應(yīng)是光源質(zhì)量的更為重要的指針，這是因?yàn)轱@色性直接影響著人們所觀察到的物體的顏色。

5.2 LED顯色性分析

很多人都認(rèn)為L(zhǎng)ED發(fā)光的可見(jiàn)光波范圍很窄，LED光譜是幾根窄線構(gòu)成的，以至于幾乎是單色光，所以顯色差，這其實(shí)是一個(gè)誤解。單色LED光譜是一個(gè)在某個(gè)范圍內(nèi)的具有一個(gè)極大峰值的曲線。由圖2和圖3可以看出，鈉燈的光譜就是一根根線組成，目前主流的白光LED，是通過(guò)藍(lán)色或紫外激發(fā)不同配方的熒光粉后各種光混合在一起構(gòu)成的一個(gè)連續(xù)光譜，而且正好覆蓋可見(jiàn)光范圍。

圖2 高壓鈉燈的可見(jiàn)光譜圖

圖3 LED的可見(jiàn)光譜圖

白光LED的顯色指數(shù) (CRI)與藍(lán)光芯片、YAG熒光粉有關(guān)，其中最重要的是YAG粉。不同色溫區(qū)的LED，所采用的熒光粉及藍(lán)光芯片不一樣。色溫越低的LED所用的粉發(fā)射峰值要越長(zhǎng)，芯片的峰值也要長(zhǎng)，低于4000K色溫，還要另外加入發(fā)紅光的粉，以彌補(bǔ)紅成分的不足，來(lái)提高顯色指數(shù)。在保持的芯片及粉不變的條件下，色溫越高CRI越高，另外，半峰寬值大的藍(lán)光芯片也有利于提高顯色指數(shù)。

藍(lán)光芯片加YAG熒光粉的LED顯色指數(shù)也可以做到80～85.現(xiàn)在的 LED主要缺乏紅光光譜波段，綠光也缺一點(diǎn)，在熒光粉中加紅光和綠光熒光粉會(huì)好點(diǎn)。理論上，采用RGBY四基色的LED顯色指數(shù)可以做到98。白熾燈的顯色指數(shù)高但光效低，高壓鈉燈顯色指數(shù)低光效高，只有LED燈可以做到光效和顯色指數(shù)都高。

通過(guò)對(duì)新光源的研究發(fā)現(xiàn)，除連續(xù)光譜的光源具有較好的顯色性外，由幾個(gè)特定波長(zhǎng)色光組成的混合光源也有很好的顯色效果。如450 nm的藍(lán)光，540 nm的綠光，610 nm的桔紅光以適當(dāng)比例混合所產(chǎn)生的白光，雖然為高度不連續(xù)光譜，但卻具有良好的顯色性。用這樣的白光去照明各色物體，都能得到很好的顯色效果。

6 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)雨霧天氣空氣中顆粒大小以及瑞利散射和米-德拜散射理論，可知道路照明中光源光線的穿透能力是和光源的顏色是有一定關(guān)系的。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的黃光穿透性要稍稍優(yōu)于白光，亦即是說(shuō)，LED的穿透力不如傳統(tǒng)的鈉燈。

2)分析眩光產(chǎn)生原因以及LED發(fā)光方向較強(qiáng)的特點(diǎn)，的確LED更容易造成不適性眩光，降低照明的舒適度，但通過(guò)一些簡(jiǎn)單的霧化或反射措施，很容易克服這一缺點(diǎn)。

3)傳統(tǒng)的高壓鈉燈的黃光優(yōu)于LED燈的白光僅僅是一個(gè)先入為主的心理問(wèn)題。根據(jù)黑體輻射理論以及人類的低色溫視覺(jué)習(xí)慣，作為半導(dǎo)體發(fā)光器件，很容易調(diào)節(jié)LED的色溫范圍，相較于傳統(tǒng)光源更具有優(yōu)勢(shì)。

4)光源的顯色性是由光源的光譜能量分布決定的，LED這種由幾個(gè)特定波長(zhǎng)色光組成的混合光源，相比于傳統(tǒng)的連續(xù)光譜分布的光源，也有很好的顯色效果。

總之，LED除了穿透力稍稍不如鈉燈外，其色溫、顯色性、眩光等光品質(zhì)一樣可以表現(xiàn)得很出色。LED具有的高效節(jié)能、綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)更是傳統(tǒng)光源無(wú)法比擬的。隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，不久的將來(lái)，LED照明必定給人類帶來(lái)更加美妙的多彩世界。

［1］http:∥news．gg-led．com/asdisp-65b095fb －128858.html．

［2］時(shí)宗波，賀克斌，陳雁菊等．霧過(guò)程對(duì)北京市大氣顆粒物理化特征的影響 ［J］．環(huán)境科學(xué)，2008，29(3):551～556．

［3］喬乾，許敏．LED在道路照明中穿透性及光色分析研究 ［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2009，20:106～108．

［4］北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)編．《照明設(shè)計(jì)手冊(cè) (第二版)》［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2006．

［5］江松柏，郭玉萍，于慶潭等．LED路燈燈具光型分析與道路照度模擬 ［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2009，20:65～69．

［6］居家奇，林燕丹譯．LED汽車(chē)前照燈藍(lán)光成分與不舒適眩光 ［J］．中國(guó)照明電器，2006，(5):31～33．

［7］吳春海．發(fā)光二極管 (LED)路燈色溫的思考與選擇［J］．光源與照明，2010，(1):33～34．

［8］李志杰，李倩倩．光源的顯色性理論 ［J］．光源與照明，2008，(2):12～15．