一种评估LED蓝光危害的方法

饶 丰，吴晓程，王雅静，许 昊

(1.常州工学院光电工程学院，213002,江苏,常州；2. 常州光电技术研究院，213002,江苏,常州；2.常州光电子材料与器件重点实验室，213002,江苏,常州)

一种评估LED蓝光危害的方法

饶 丰1,2,3，吴晓程1，王雅静1，许 昊1

(1.常州工学院光电工程学院，213002,江苏,常州；2. 常州光电技术研究院，213002,江苏,常州；2.常州光电子材料与器件重点实验室，213002,江苏,常州)

提出了一种估算荧光粉转换型LED的蓝光危害方法。先选择同型号普通照明用白色LED样品21只，用光谱仪测量其正常发光下的归一化光谱分布，然后计算光源的色温和蓝白比，以及在蓝光危害限值范围内可以容许的亮度，最后得到在蓝光危害限值内，容许亮度与色温和容许亮度与蓝白比的关系。研究表明：对于该类型的荧光粉转换型LED，当色温小于7 500 K时，亮度在100 000 Cd/m2以下不会引起蓝光危害，如果LED的荧光粉失效，只要亮度小于31 400 Cd/m2,也不会对人眼造成蓝光危害。色温和容许亮度曲线及蓝白比和容许亮度曲线随温度变化很小，对于同一类型白色LED，这2条曲线均可用来评估LED灯具是否对人眼构成蓝光危害。

蓝光危害;发光二极管;色温;蓝白比

0 引言

LED亮度高、寿命长，节能环保，被认为是下一代理想的光源[1-2]。目前，LED已经广泛地应用于照明和显示领域。随着技术的发展，LED光效和功率进一步增大，亮度将越来越高。当人们在享受的LED带来的高亮和舒适的同时，LED也有可能造成人眼的辐射危害[3]。其中，蓝光危害就是最典型的危害[4]。因此，准确、方便、快捷地评价LED灯具的蓝光危害，对产业发展具有重要意义。

为了规范光生物安全性(包括蓝光危害在内)的检测，2002年国际照明学会发布了CIES009/E:2002《灯和灯系统的光生物安全性》，2006年，国际电工委员会等同采用了该标准，出版了IEC62471：2006年[5]、2008年、2009年又进行了修改，最终发布了标准IEC/TR62471-2-2009。2012 年IEC又发布了技术报告IEC/TR62778-2012《IEC62471标准的光源和灯具的蓝光危害评价应用》[6]。我国于2006年也等同采用了CIES009/E：2002，出版了国家推荐标准GB/T20145-2006[7]。根据这些标准，蓝光危害是由光谱辐射亮度加权蓝光危害系数得到，但是，在实际测量中，要想得到准确结果，光谱仪步长要求为0.2 nm，光谱误差不大于3%，同时对点灯条件(如电流波动，温度等)有着严格的要求[8]。因此，该方法一般在实验室使用，不方便在生活中对一般照明进行评估。同时，该标准是针对一切灯具，并不体现LED灯具的特点。

照明用LED一般是采用荧光粉转换型光源，其归一化光谱有着自己的规律[9]，本文拟结合LED光谱特性和亮度，设计出一种适用于日常生活，根据常规量即可评估LED蓝光危害的方法。

1 理论

根据标准，灯具的蓝光危害一般用蓝光加权辐射亮度表示[4]：

(1)

式中：L(λ)是光谱辐射亮度，B(λ)是蓝光危害加权系数，由标准给出，△λ是采样间隔。无危害级灯具的加权辐射亮度小于100。对于LED灯具，L(λ)与归一化光谱基本成正比：

B(λ)△λ

(2)

式中：x为系数,spec(λ)是归一化光谱。而x可以通过归一化光谱spec(λ)和LED灯具的亮度L求得：

△λ

(3)

式中V(λ)是人眼的视见函数。

可见，如果已知LED灯具的亮度L和归一化光谱spec(λ)，则蓝光危害可以计算出来。

对于荧光粉转换型LED，归一化光谱与色温或蓝白比存在着内在的联系，因此，LED蓝光危害与亮度、蓝白比或色温直接应该存在内在的联系，本研究就是基于这种联系，开发出一种方便快捷地蓝光危害估算方法。

2 实验

从200余只Philip公司生产的功率为1 W的荧光粉转换型LED中选择色温较均匀地分布在4 500～7 500 K范围内的21只。采用光色电综合测试系统测量LED的归一化光谱分布，仪器结构如图1，数控高精度恒流电源给待测LED阵列供电，电流误差为±1 mA，恒温器给LED阵列提供稳定的衬底温度，精度为±0.3 ℃。积分球和光谱仪结合能够准确地测量待测LED阵列的归一化光谱分布。

测试前，LED均老化12 h，老化过程中，保持环境温度25±1 ℃，LED的驱动电流350 mA，误差3%。测试中, 保持环境温度变化不超过1 ℃，无明显对流风。

图1 光色电综合分析系统结构示意图

考虑到无危害级灯具的蓝光危害加权亮度LB限制为100，可以将归一化光谱代入式(2)，计算出LB=100时的x值。然后代入(3)式求出对应的LED亮度。同时，由归一化光谱求出LED色温和蓝白比。最后，分析LB=100时，亮度与色温或蓝白比的关系。

考虑到LED灯具光谱随着外界温度变化而变化，本研究分别测量了10～40 ℃时，间隔为5 ℃时350 mA驱动电流下的归一化光谱，分析LB=100时，亮度与色温或蓝白比的关系。

3 结果与讨论

图2是所选21只样品的实测色温分布图,图2中按色温增值排列，横坐标为LED样品的编号，纵坐标为实测的色温。可见，所选样品基本呈均匀分布。图3是色温最高的1号和最低的21号样品的相对光谱分布，很明显，色温高的LED，光谱中蓝光成分比较高，蓝白比[10]比较高，色温低的LED，光谱中荧光粉发的光比较多，蓝白比比较低。

图2 LED样品的色温

图3 1号和20号LED的光谱

图4是灯具无蓝光危害时，LED色温与亮度的关系。可见，对于环境温度从10～40 ℃范围内的7条曲线，差别很小，几乎重合；同时，如果要求灯具不超过蓝光危害限值，LED色温越高，可允许的亮度越小。如果灯具的色温-亮度坐标在曲线的右上方，则蓝光危害超过限值，离曲线越远，超过限值就越多。如果在左下方，则蓝光危害不超限值，无危害。更有意义的是，如果灯具色温7 500 K以下，亮度小于100 000 Cd/m2时，没有蓝光危害。

图4 LED色温与LED最大容许亮度的关系

图5是蓝光危害为100时，蓝白比与LED亮度之间的关系。可见，蓝白比越高的LED，容许的亮度越小，同样地，如果某个灯具的亮度-蓝白比坐标坐落在图5的右上方，则超出了限值，如果坐落在左下方，则蓝光危害符合要求。曲线拟合方程为：

(4)

因此，对于样品LED，即使蓝白比为1，即荧光粉失效，不发光，只要亮度小于31 400 Cd/m2，也不会造成蓝光危害。

图5 蓝白比与LED最大容许亮度的关系

LED灯具的色温和蓝白比利用手持式光谱计就可以测量，亮度则可以通过亮度计测量，而白色LED的光谱大多由蓝光芯片和荧光粉发出的光组成，色温和蓝白比基本能够描述这2个部分的关系。因此，通过这些常规测量，结合图4、图5，能够得到LED的蓝光危害。相对于标准规定的方法，该方法测量难度低、速度快，方便在生活和生产中使用。

本文的方法要求首先得到蓝白比或色温与最大容许亮度的曲线，对于同一种类型的光源，归一化光谱相似，本方法的准确度比较高，如果换一种类型，则要求另测新类型LED的蓝白比或色温与最大容许亮度曲线，这是因为对于不同类型的LED，由于可能存在同色异谱现象，因此，一般不能用同一条曲线。

4 结论

本研究首先测量了荧光粉转换新LED光谱，然后计算了蓝光危害为限值时，LED的亮度、色温和蓝白比，发现两者存在良好的数学关系。进而提出，采用亮度和色温或蓝白比估算照明用LED灯具的蓝光危害。

本方法对测量仪器的要求低，所测量均为常规量，因此，适合生活中LED照明的蓝光危害估算，有利于促进LED科学照明、健康照明和绿色照明。

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AMethodtoEvaluatetheBlueLightHazardofPhosphorConvertedLED

RAO Feng1,2,3,WU Xiaocheng1,WANG Yajing1,XU Hao1

(1.Colleague of Photoelectric Engineering,Changzhou Institute of Technology,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Institute of Photoelectrical Technology of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC;2.Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Devices of Changzhou,213002,Changzhou,Jiangsu,PRC)

A method for estimating blue light hazard of phosphor converted LEDs is developed.21 LED samples of the same type for general lighting are selected,and then the relative spectra of these LEDs are measured.The color temperatures and the ratios of blue light to white light (B/W ratios) are calculated,and then the irradiance of LED while the blue light hazard reaches the maximum value are got.Finally,the relationship among maximal irradiances,color temperatures and B/W ratios are obtained.It is shown that there is no blue light hazard when the irradiance is less than 100 000 Cd/m2for the phosphor converted LEDs with color temperature less than 7 000 K.The blue light is no harmful effect when the irradiance is less than 31 400 Cd/m2even the phosphor is useless.Color temperature-irradiance curve and B/W ratio-irradiance curve change little with ambient temperature,which can be used to evaluate the blue light hazard of LED lamps.

blue light hazard;light emitting diode;color temperature;B/W ratio

2014-06-05;

2014-07-02

饶 丰(1983-)，男，博士，讲师，主要从事LED光色电性能检测及生物安全方面的研究。

常州工学院重点项目(No:YN1209)；常州光电技术研究院项目(No:CZGY003)；大学生实践创新创业训练计划项目(GDS130109)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.007

O432.2

A

1001-3679(2014)04-0455-04