LED灯具的光品质分析

文尚胜

(华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640)

1 引言

随着全球能源及环保意识抬头，高功率LED取代传统灯泡，进入普通照明应用，已经成为LED业界梦寐以求的终极市场。

从照明角度看待LED灯具，主要有光效、配光、光衰等问题。随着LED技术的迅猛进步，国际大厂研发LED发光效能突破100 lm/W，实验室水平更是超过200 lm/W［1］。LED配光水平大为提高，照度均匀度相比高压钠灯已有优势，光衰问题明显改善，相比其他光源并不逊色。LED的穿透性、眩光、显色性、色温等光品质特性对于LED照明扮演重要角色，这些更深层次的问题逐渐摆在业界的面前，若是LED这些光品质无法与传统光源相媲美，未来LED要进入普通照明应用的机会恐怕也不大。

鉴于LED照明在推广过程中遇到了诸多对其光品质的质疑声，本文从光散射理论、黑体辐射理论等理论，用理论和实际相结合的方法，比较详细分析LED灯具几个争议性的光品质特性，例如穿透性、眩光、显色性、色温等，试图澄清行业对LED存在的一些错误认识，推进LED行业的健康发展。

2 LED光线的穿透性分析

2.1 光线的散射理论

当光束通过均匀的透明介质时，从侧面难以看到光。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。散射可分为两大类:(1)悬浮质点的散射:如胶体、乳浊液、含有烟、雾、灰尘的大气中的散射属于此类。(2)分子散射:由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射。纯净的液体或气体所产生的微弱的散射，就属于此类。

根据大气中散射体颗粒与光波长的大小比较关系，光线散射遵循2种不同的定律:(1)瑞利散射:当散射体的尺寸小于波长时，散射光强与波长λ的四次方成反比。 (2)米-德拜散射:散射体颗粒度远大于波长时，散射光强对波长的依赖性不强。

2.2 LED光线在雨、雾空气中的穿透性分析

大气中悬浮颗粒物，是悬浮在大气中的固体、液体颗粒状物质 (或称气溶胶)的总称。由于来源和形成不同，它的形状、密度、粒径大小，光、电、磁学等物理性质及化学组成有很大差异。大气中颗粒物的粒径从0.001微米至1000微米之间都有。一般粒径大于50微米的颗粒物受重力作用很快沉降到地面，在大气中滞留几分钟到几小时;雾中颗粒粒径主要为0.2微米到10微米之间;雨滴颗粒粒径一般在10微米以上［2］。雾中的悬浮颗粒和雨滴对光线的散射作用造成的穿透力的下降，直接导致照明强度的下降［3］。

可见光通常指波长范围为:390nm～780nm的电磁波，人眼可见范围为:312nm～1050nm之间。雾中颗粒粒径部分大于可见光波长还有部分在可见光波长附近，雨滴颗粒粒径则都大于可见光波长。根据瑞利散射和米-德拜散射的适用范围，小于可见光波长的颗粒散射与波长有关，大于波长的颗粒散射与波长无关。故道路照明中灯具光线的穿透能力是和光源的颜色是有一定关系的。波长较长的黄光穿透性要稍稍优于白光，亦即是说，LED的穿透力不如传统的钠灯，这一点是毋庸置疑的。室内照明不存在雨雾等使用环境，LED的这一弱点主要在道路照明方面有所体现。就一般地区的天气状况来看，晴朗气候远多于雨雾等恶劣气候，LED的光线穿透性这方面的不足相比于其众多优势而言，毕竟是瑕不掩瑜。

3 LED眩光现象分析

3.1 眩光产生原因

1984年北美照明工程学会对眩光 (Glare)的定义为:在视野内由于远大于眼睛可适应的照明而引起的烦恼、不适或丧失视觉表现的感觉［4］。根据产生的后果，眩光分为三种类型:不适型眩光、光适应型眩光和丧能型眩光。

不适型眩光，是指在某些太亮的环境下感觉到的不适，这种不舒服的情况会引起眼的一种逃避动作而使视力下降。光适应型眩光，指的是当人从黑暗的环境走入明亮环境时双眼视觉下降的一种现象。丧能型眩光，是指由于周边凌乱的眩光源引起人眼视网膜像对比度下降从而导致大脑对像的解析困难的一种现象。

3.2 LED眩光现象分析

发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量采用圆柱或圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性，发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向:位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。LED的点光源的特性，使得 LED光源特性有着亮度过高以及眩光的问题发生［5］。LED灯具相较于白炽灯、荧光灯、高压钠灯等传统灯具的一个显著特点就是光线的方向性很集中。光线方向的过于集中容易造成光照度的局部太亮，产生不适型眩光，这也是目前业界对LED眩光非议较多的根源之所在。

LED照明行业一般采用散射的办法来降低LED光线过度集中的问题，例如，用透光性很好的亚克力材料来进行散射雾化处理LED发出的光线，但它会损失部分光效。还有一种办法是采用反射的办法，LED的光效利用率则很高。例如，使用磨沙的银色反光材料来分散光源的光线，不要让LED发光元件处在人眼直接能够看见的地方，光线至少经过一次反射到达人眼会比较舒服的。相较于“直射式”，“侧射式”LED灯具的眩光得到较大的改善。

还有研究表明，光源的光线色度影响了人们对不舒适眩光的主观感受。随着蓝光成分的增加或是色温的增加，不舒适度也增加了。由于一些LED光源的蓝光成分较多，具有相对较高的色温，一般认为LED也会产生较强的不舒适眩光。为了解决这一潜在的问题，应尽可能减少LED中的蓝光成分，并尽可能地降低其色温［6］。

从上述分析不难看出，LED相较于传统光源的确更容易产生眩光。但通过一些简单的技术手段，这个问题还是比较容易克服，不足以成为普及LED照明的障碍。

4 LED色温分析

光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温，单位为开尔文 (k)。

各地民众和路灯管理部门普遍认为，传统的高压钠灯的黄光优于LED灯的白光。其实，这完全没有科学依据，仅仅是一个先入为主的心理问题。当前白光LED灯在道路照明中不被接受，原因不仅仅是高色温，而在于高色温与低照度的共同作用，如图 1 所示［7］。

图1 照度和色温对人的影响

白光让人清醒，黄光使人昏昏入睡，具体采用什么色温的光源，主要看应用场合。用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三刺激值。有些光源偏黄、偏暖、偏冷、偏青，就是因为光源的三刺激值分配不均而造成的。基于个体对不同色温各有喜好的心理感受的复杂程度，不能简单判断黄光、暖白、中性白、冷白等色温光源的优劣，更不能断定LED路灯不适合道路照明。

在道路照明中，为提高人的舒适感和满意度，高色温相比低色温光源需要更高的照度，但数值并不大。LED芯片的光效与色温密切相关。LED路灯的整灯光效平均值随着色温提高而提高，在5 500～6 000 K达到最高值，为59.6 lm/W，然后随着色温提高而逐步下降。LED色温区间的选择，需要在满足道路照明设计标准的前提下，充分考虑市民的接受程度，在光效、色温、成本之间取得平衡。基于目前LED产业的技术水平，5 000～6 500 K区间的冷白光是较好选择。

5 LED显色性分析

5.1 显色性概念

光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度;光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光 (太阳光)照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如:高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60～90。不管那种照明光，包括LED，显色指数与光谱 (分布)有关。越接近自然光谱 (或者说是标准光谱)，显色指数越高［8］。

从来源上来说，光源的显色性是由光源的光谱辐射能量分布决定的。日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。

光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指针。色温是衡量光源色的指针，而显色性是衡量光源视觉质量的指针。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内，则显色性应是光源质量的更为重要的指针，这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。

5.2 LED显色性分析

很多人都认为LED发光的可见光波范围很窄，LED光谱是几根窄线构成的，以至于几乎是单色光，所以显色差，这其实是一个误解。单色LED光谱是一个在某个范围内的具有一个极大峰值的曲线。由图2和图3可以看出，钠灯的光谱就是一根根线组成，目前主流的白光LED，是通过蓝色或紫外激发不同配方的荧光粉后各种光混合在一起构成的一个连续光谱，而且正好覆盖可见光范围。

图2 高压钠灯的可见光谱图

图3 LED的可见光谱图

白光LED的显色指数 (CRI)与蓝光芯片、YAG荧光粉有关，其中最重要的是YAG粉。不同色温区的LED，所采用的荧光粉及蓝光芯片不一样。色温越低的LED所用的粉发射峰值要越长，芯片的峰值也要长，低于4000K色温，还要另外加入发红光的粉，以弥补红成分的不足，来提高显色指数。在保持的芯片及粉不变的条件下，色温越高CRI越高，另外，半峰宽值大的蓝光芯片也有利于提高显色指数。

蓝光芯片加YAG荧光粉的LED显色指数也可以做到80～85.现在的 LED主要缺乏红光光谱波段，绿光也缺一点，在荧光粉中加红光和绿光荧光粉会好点。理论上，采用RGBY四基色的LED显色指数可以做到98。白炽灯的显色指数高但光效低，高压钠灯显色指数低光效高，只有LED灯可以做到光效和显色指数都高。

通过对新光源的研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450 nm的蓝光，540 nm的绿光，610 nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。用这样的白光去照明各色物体，都能得到很好的显色效果。

6 结语

1)根据雨雾天气空气中颗粒大小以及瑞利散射和米-德拜散射理论，可知道路照明中光源光线的穿透能力是和光源的颜色是有一定关系的。波长较长的黄光穿透性要稍稍优于白光，亦即是说，LED的穿透力不如传统的钠灯。

2)分析眩光产生原因以及LED发光方向较强的特点，的确LED更容易造成不适性眩光，降低照明的舒适度，但通过一些简单的雾化或反射措施，很容易克服这一缺点。

3)传统的高压钠灯的黄光优于LED灯的白光仅仅是一个先入为主的心理问题。根据黑体辐射理论以及人类的低色温视觉习惯，作为半导体发光器件，很容易调节LED的色温范围，相较于传统光源更具有优势。

4)光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的，LED这种由几个特定波长色光组成的混合光源，相比于传统的连续光谱分布的光源，也有很好的显色效果。

总之，LED除了穿透力稍稍不如钠灯外，其色温、显色性、眩光等光品质一样可以表现得很出色。LED具有的高效节能、绿色环保、长寿命等优点更是传统光源无法比拟的。随着LED技术的不断进步，不久的将来，LED照明必定给人类带来更加美妙的多彩世界。

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

［2］时宗波，贺克斌，陈雁菊等．雾过程对北京市大气颗粒物理化特征的影响 ［J］．环境科学，2008，29(3):551～556．

［3］乔乾，许敏．LED在道路照明中穿透性及光色分析研究 ［J］．照明工程学报，2009，20:106～108．

［4］北京照明学会照明设计专业委员会编．《照明设计手册 (第二版)》［M］．北京:中国电力出版社，2006．

［5］江松柏，郭玉萍，于庆潭等．LED路灯灯具光型分析与道路照度模拟 ［J］．照明工程学报，2009，20:65～69．

［6］居家奇，林燕丹译．LED汽车前照灯蓝光成分与不舒适眩光 ［J］．中国照明电器，2006，(5):31～33．

［7］吴春海．发光二极管 (LED)路灯色温的思考与选择［J］．光源与照明，2010，(1):33～34．

［8］李志杰，李倩倩．光源的显色性理论 ［J］．光源与照明，2008，(2):12～15．