俞安琪，居家奇，許建興，莊曉波，陳大華

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433；2.上海時(shí)代之光照明電器檢測(cè)有限公司，上海 201114；3.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，上海 201418；4.廈門立達(dá)信照明有限公司，福建 廈門 350000)

引言

理解和應(yīng)用LED檢測(cè)技術(shù)，不僅僅是LED照明專業(yè)檢測(cè)人員的工作，事實(shí)上LED產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、策劃及檢測(cè)所依據(jù)的都是標(biāo)準(zhǔn)，因此產(chǎn)品的策劃、設(shè)計(jì)及檢測(cè)相關(guān)人員都必須認(rèn)真研讀和理解標(biāo)準(zhǔn)，而檢測(cè)過程則是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解與應(yīng)用，它是防止設(shè)計(jì)輸入階段缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)輸入的不全面，會(huì)造成設(shè)計(jì)研發(fā)的返工、模具的報(bào)廢等問題的出現(xiàn)。LED產(chǎn)品及特性的最新研究成果對(duì)照明產(chǎn)品生產(chǎn)廠商和照明設(shè)計(jì)師而言具有重要的參考價(jià)值，對(duì)LED照明產(chǎn)品檢測(cè)工作具有重要的借鑒意義。

1 LED的熱特性

相對(duì)于傳統(tǒng)光源，LED的發(fā)光效率明顯提高，但其光電轉(zhuǎn)換效率還沒有達(dá)到極限，相當(dāng)一部分電能轉(zhuǎn)化為熱量，這部分熱量使得芯片的結(jié)溫升高，直接影響LED的發(fā)光效率和使用壽命[1]。因此，結(jié)溫是評(píng)估LED照明產(chǎn)品的重要參數(shù)之一。需要特別注意LED的熱特性。溫度直接影響LED的色漂移、光效、壽命等參數(shù)。

同一LED模組在相同的驅(qū)動(dòng)電流、不同結(jié)溫條件下，當(dāng)LED的結(jié)溫上升時(shí)，它的端電壓會(huì)下降，如果驅(qū)動(dòng)電路只具有穩(wěn)壓功能，當(dāng)結(jié)溫上升較多時(shí)，LED的功率將大幅上升，如果散熱不佳將造成惡性循環(huán)，最終使LED模組受損。當(dāng)LED的結(jié)溫上升時(shí)，它藍(lán)峰的幅值下降，并引發(fā)被激發(fā)的其他光譜幅值下降，導(dǎo)致發(fā)光效率的下降。當(dāng)LED的結(jié)溫上升時(shí)，其藍(lán)峰還會(huì)發(fā)生紅移，這也是LED燈點(diǎn)亮預(yù)熱時(shí)光譜會(huì)發(fā)生漂移的原因。當(dāng)結(jié)溫上升受控時(shí)，光譜漂移能在規(guī)定的范圍內(nèi)；而當(dāng)結(jié)溫上升過多時(shí)，光譜漂移將會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

過高的溫度會(huì)導(dǎo)致熒光粉-硅膠涂層的變劣和失效，其原因如下：在LED模組工作時(shí)，隨著結(jié)溫的升高，其覆蓋的涂層溫度會(huì)升高，而且輸出光發(fā)生色參數(shù)的漂移，只要涂層溫度沒有超過涂層耐溫的限值，待模組不工作恢復(fù)常溫時(shí)，色坐標(biāo)仍會(huì)回復(fù)到原來的位置，如圖1(a)所示，該色漂移是可逆的；當(dāng)模組的工作溫度超過涂層耐溫的限值時(shí)，涂層會(huì)發(fā)生變性，并產(chǎn)生非可逆性色漂移，即當(dāng)模組不工作回到常溫時(shí)，色坐標(biāo)回復(fù)不到原來的位置，如圖1(b)所示，該涂層性能已經(jīng)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的劣變。每種涂層耐溫不同所以產(chǎn)生的非可逆性色漂移的溫度也是不同的，而且LED涂層耐溫只是眾多指標(biāo)中的一個(gè)，所以僅僅是涂層耐溫高的LED模組，其質(zhì)量未必就好，還要兼顧其他指標(biāo)。為此，LED照明已經(jīng)由單純追求高光效向全面提高光品質(zhì)的方向發(fā)展。LED照明器具要實(shí)現(xiàn)良好的色參數(shù)及持久的光維持指標(biāo)，那就必須保證在聲稱的最高的特征點(diǎn)溫度ta和最高的環(huán)境溫度tq條件下及其他條件處于規(guī)定區(qū)域的上限時(shí)，其內(nèi)部LED模組及對(duì)溫度敏感的電解電容等部件的特定點(diǎn)溫度tc在合理的范圍內(nèi)。而在產(chǎn)品研發(fā)過程中，這些溫度數(shù)值的標(biāo)定應(yīng)基于模組的涂層不產(chǎn)生非可逆性色漂移，且基于這些指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系而得出的限值。

圖1 LED可逆性色漂移和非可逆性色漂移

優(yōu)質(zhì)LED照明產(chǎn)品的結(jié)溫控制，必須保證其涂層工作在產(chǎn)生非可逆性色漂移的溫度之下，并留有足夠的余量。只有控制結(jié)溫，才能控制模組的涂層溫度。結(jié)溫、ta和tq及器件敏感溫度點(diǎn)tc這幾個(gè)溫度彼此關(guān)聯(lián)，并有一定的函數(shù)關(guān)系。新修訂的IES LM-80中已經(jīng)規(guī)定高功率LED的電氣和光度測(cè)量方法。我們應(yīng)充分應(yīng)用可重復(fù)性的測(cè)量方法，這在控制LED模組結(jié)溫條件下，測(cè)量LED模組的電氣和光度的數(shù)值。

熒光粉-硅膠涂層的溫度往往會(huì)比LED模組的結(jié)溫要高，我們?cè)鲞^如下的試驗(yàn)：在直徑約為10 mm的COB封裝的功率型LED模組出光面上，用油性記號(hào)筆點(diǎn)了一個(gè)直徑約為0.8 mm的黑點(diǎn)，保持其他工作條件不變，當(dāng)點(diǎn)亮該LED模組僅幾十秒鐘，該黑點(diǎn)及周邊熒光粉硅膠層就發(fā)生鼓泡現(xiàn)象，這是由于該黑點(diǎn)阻礙了光輻射能量的輸出，造成被遮擋點(diǎn)的熒光粉硅膠層產(chǎn)生很高的溫度，因此在LED的出光面上，絕對(duì)不可以用各類傳感器來測(cè)量各參數(shù)。目前最可靠及有效的方法是，測(cè)量結(jié)溫應(yīng)盡可能地利用LED正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)系所標(biāo)定的曲線，并且通過精確測(cè)量LED的動(dòng)態(tài)電壓來計(jì)算出結(jié)溫；而測(cè)量熒光粉硅膠層溫度則應(yīng)該采用瞄點(diǎn)(非接觸)式紅外測(cè)溫儀。不同熒光粉涂敷方式造成的溫度變化見表1，當(dāng)采用熒光粉離心(沉淀)工藝時(shí)，熒光粉層對(duì)光輻射的阻礙作用不明顯，熒光粉層的溫度也小于結(jié)溫，而當(dāng)采用非離心涂覆工藝時(shí)，由于熒光粉層對(duì)光輻射的阻礙作用的明顯，因此造成熒光粉層的溫度也高于結(jié)溫，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)叱鼋Y(jié)溫20 ℃以上。其中，tj采用LED正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)系標(biāo)定該曲線并測(cè)量得到；出光面溫度采用瞄點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀測(cè)得，工作條件為800 mA，tc=70 ℃。

表1 不同熒光粉涂敷方式造成的溫度變化

2 高顯色指數(shù)LED

從圖2可以看出，白熾燈的輻射光譜雖然齊全，但是光效太低，且短波長(zhǎng)的紫藍(lán)光的比例太低；三基色熒光燈雖然Ra較高，但其無法在水晶燈等場(chǎng)合應(yīng)用；圖2(b)是高顯色LED的光譜，兼具高光效和接近太陽光譜的優(yōu)點(diǎn)[2]。

近年來LED在光譜改良方面有了新進(jìn)展，如圖3所示，單藍(lán)光激發(fā)的LED的光譜與自然光相比，其缺陷是R12(紫藍(lán)光)成分明顯不足，這通常是很難被察覺的，但是在對(duì)顏色要求特別高的畫院、印刷廠等場(chǎng)合，專業(yè)人員依然能發(fā)現(xiàn)紫藍(lán)光成分的不足。

圖2 LED與太陽、白熾燈和熒光燈的光譜對(duì)比

圖3 單藍(lán)光激發(fā)與雙藍(lán)光激發(fā)光譜對(duì)比

圖3(c)是采用400 nm和450 nm雙光譜激發(fā)的LED模組，它明顯彌補(bǔ)了紫藍(lán)光段光譜的缺少；從圖3(d)可以看出，其光譜接近自然光。除了光效及光譜優(yōu)勢(shì)外，LED優(yōu)良的調(diào)控性更是其他人造光源無法比擬的。

IES TM-30-18評(píng)估光源顯色性的方法中增加了Rf(顏色保真指數(shù))和Rg(色域指數(shù))2個(gè)顯色性評(píng)價(jià)指標(biāo)。Rf是對(duì)于規(guī)定的99種試驗(yàn)色樣的特殊顏色保真指數(shù)Rf,cesi的平均值，而Rg是表征被照物體照射下顏色飽和度的參數(shù)，由99種試驗(yàn)色樣分別在被測(cè)照明體和參照照明體條件下構(gòu)建的色域多邊形面積比計(jì)算得到[3]。

3 LED視網(wǎng)膜藍(lán)光危害

視網(wǎng)膜藍(lán)光視覺危害的分級(jí)見表2，照明光源基本只產(chǎn)生RG0、RG1和 RG2這3個(gè)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的等級(jí)，類似電焊光的能量才能產(chǎn)生RG3視覺危害的等級(jí)。視網(wǎng)膜藍(lán)光視覺危害是由直接照射到眼睛的過強(qiáng)輻亮度造成，并且與光成像面積有關(guān)，表2第2列規(guī)定了輻亮度限值，并規(guī)定了輻射進(jìn)入眼睛的弧度。造成視網(wǎng)膜藍(lán)光危害是需要時(shí)間(能量)積累的，表2第3列規(guī)定了在不同的輻亮度時(shí)人眼睛耐受輻照時(shí)間范圍，即輻亮度越高，人眼睛耐受輻照時(shí)間越短。

表2 視網(wǎng)膜藍(lán)光危害等級(jí)、輻亮度范圍和耐受輻照時(shí)間

圖4(a)的藍(lán)光LED輻亮度達(dá)到RG2級(jí)，眼睛對(duì)它注視數(shù)秒就會(huì)受到傷害。但是在加上擴(kuò)散罩后，如圖4(b)所示，其藍(lán)光輻亮度下降了3個(gè)多數(shù)量級(jí)，即發(fā)光面積擴(kuò)大了1 000多倍，所以就變成RG0級(jí)，眼睛注視時(shí)間>10 000 s都不會(huì)受傷害。

圖4 LED模組的藍(lán)光危害

這種現(xiàn)象與操作圖釘?shù)墓ぷ髟硐嗨?，?dāng)相同的力作用在圖釘平面上，因?yàn)槠矫娑藟簭?qiáng)小，手指不會(huì)受到傷害，而圖釘?shù)募忸^因?yàn)閴簭?qiáng)大，就能壓入到木板中，如圖4(c)所示。在LED燈具產(chǎn)品監(jiān)督抽查中發(fā)現(xiàn)，很多燈具前的透明擴(kuò)散板可以方便地拆卸，拆卸后燈具的藍(lán)光輻亮度一般比拆卸前高一個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)，嚴(yán)重時(shí)甚至提高2個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。因此，當(dāng)燈具含有根據(jù)IEC/TR62778分類為具有Ethr條件的光源時(shí)仍需要注意以下問題：如果燈具設(shè)計(jì)成可拆卸、可維護(hù)的結(jié)構(gòu)，需要按照GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)的要求，在顯著處標(biāo)注“不要注視亮著的光源”的警示符號(hào)，并在說明書中說明“此燈具內(nèi)的光源應(yīng)由制造商或其服務(wù)代理商或有類似資格的人來更換”；如果設(shè)計(jì)為不可拆卸、不可維護(hù)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計(jì)成在不破壞燈具或其部件時(shí)不能拆卸透光罩，并在說明書中說明“此燈具的光源是不可替換的；當(dāng)光源到其壽終時(shí)，應(yīng)替換整個(gè)燈具”。

4 富藍(lán)化LED照明對(duì)晝夜節(jié)律的影響

目前對(duì)藍(lán)光危害認(rèn)識(shí)的最大誤區(qū)是把兩種完全不同機(jī)理的藍(lán)光危害與富藍(lán)化照明光對(duì)晝夜節(jié)律的影響相互混淆。甚至認(rèn)為手機(jī)、電腦和電視機(jī)的藍(lán)屏都會(huì)產(chǎn)生藍(lán)光危害，于是防藍(lán)光擋屏和防藍(lán)光眼鏡就開始熱銷，這是典型的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。手機(jī)、電腦和電視機(jī)的藍(lán)屏根本達(dá)不到產(chǎn)生藍(lán)光危害的輻亮度，但會(huì)對(duì)人的晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響。

如圖5所示，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，光進(jìn)入人眼睛后，其中一路作用是產(chǎn)生視覺體驗(yàn)和視覺反射；另一路作用是影響生物節(jié)律、神經(jīng)內(nèi)分泌及神經(jīng)行為調(diào)節(jié)，如圖6所示[4]。

圖5 光進(jìn)入眼睛后對(duì)人的影響示意圖

激素皮質(zhì)醇(壓力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人體的活躍度和睡眠方面起著重要的作用。其中皮質(zhì)醇可增加血液中的糖分并為人體提供能量，同時(shí)增強(qiáng)人體的免疫系統(tǒng)；而褪黑素水平低時(shí)人的警覺性和工作效率相應(yīng)地高，褪黑素水平高時(shí)，人相對(duì)容易進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

藍(lán)光并不是LED燈才有，太陽光及金鹵燈和熒光燈也都含有藍(lán)光，熒光燈還輻射比藍(lán)光能量更強(qiáng)的253.7 nm紫外線，但只要處理得當(dāng)，它們?nèi)钥砷L(zhǎng)期安全使用。要正確區(qū)分藍(lán)光危害和富藍(lán)化照明影響人的晝夜節(jié)律這兩種情況，藍(lán)光危害是指藍(lán)光輻亮度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的RG2類或者RG3類(如電焊光)時(shí)，且不加保護(hù)才會(huì)在較短時(shí)間或瞬間對(duì)人眼造成傷害，所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 20145—2006/IEC62471和IEC 62778。而當(dāng)照明沒達(dá)到藍(lán)光危害級(jí)別時(shí)，它只會(huì)因?yàn)檩椪諘r(shí)間及劑量影響人的生理節(jié)律。

藍(lán)光是白光的重要組成光譜，人是不能離開藍(lán)光的。例如冬季缺乏陽光的地區(qū)季節(jié)性憂郁癥的發(fā)病率明顯較高，醫(yī)生通常用含藍(lán)光較豐富的高色溫的照明來改善或治愈這類憂郁癥。另外，藍(lán)光還是治療新生兒黃疸常用且有效的方案。研究表明，高色溫的照明對(duì)提高人的反應(yīng)敏捷度有益，并能減少犯罪率等。缺少正常的“明亮—黑暗”周期節(jié)律，會(huì)造成人體的活躍性和睡眠的混亂，導(dǎo)致人體在黑夜時(shí)活躍而在白天嗜睡，例如跨越幾個(gè)時(shí)區(qū)的長(zhǎng)途飛行會(huì)出現(xiàn)這樣的時(shí)差現(xiàn)象；三班倒的工作人員也會(huì)出現(xiàn)這種癥狀[5]。因此模擬自然條件下隨時(shí)間變化的光照、光色，正確使用光色和照度，兼顧到特殊人群和特殊使用場(chǎng)合(例如醫(yī)療照明、農(nóng)業(yè)照明等)[6]，這恰恰是LED照明大有作為的場(chǎng)合，也是智慧照明發(fā)展的機(jī)遇。

5 LED頻閃問題

近年來LED的頻閃問題受到廣泛關(guān)注，由于光源燈具的頻閃不能被人眼察覺，往往被忽略了，而隨著生理學(xué)及醫(yī)學(xué)的發(fā)展，LED燈具的頻閃問題尤其是室內(nèi)燈具，讀寫臺(tái)燈的頻閃效應(yīng)可能會(huì)引起包括視疲勞在內(nèi)的很多的潛在生理風(fēng)險(xiǎn)，頻閃指標(biāo)就顯得重要了。我們采用頻閃比(PF)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即在一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)光源光通輸出的最大值與最小值的差與光通輸出最大值與最小值的和之比，表示為PF=100%×(A-B)/(A+B)。其中A是一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)光通輸出的最大值，B是一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)光通輸出的最小值，需要指出的是頻閃比的檢測(cè)應(yīng)選擇采樣頻率不低于2 kHz或信號(hào)帶寬2倍以上的光源頻閃分析儀，并應(yīng)在人員長(zhǎng)時(shí)間停留的區(qū)域和可觸及危險(xiǎn)操作的工作區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。需要指出的是，關(guān)于使用手機(jī)相機(jī)功能測(cè)試燈具頻閃的方法并不可靠，不同手機(jī)的刷新和采樣頻率可能會(huì)產(chǎn)生不同的效果，專業(yè)的檢測(cè)問題還是需要專業(yè)的檢測(cè)儀器設(shè)備。

6 結(jié)束語

當(dāng)前LED光源技術(shù)指標(biāo)已超越傳統(tǒng)光源。但LED照明質(zhì)量的正確檢測(cè)和評(píng)估，已成為新課題和新挑戰(zhàn)。本文就LED照明檢測(cè)的熱點(diǎn)難點(diǎn)問題作了討論和分析，希望引起業(yè)界對(duì)LED照明檢測(cè)的正視和重視。