全光谱LED在专业照明领域的应用

飞利浦灯具（上海）有限公司 李亚利

LED光源，一种固态半导体光电器件，作为第四代照明技术，由于绿色环保，高效节能，寿命长，可智能化的优点已被广泛使用在照明，汽车，显示等各个行业。照明市场一般可划分为普通照明和专业照明，而专业照明产品相对于普通照明产品具备更高技术附加值和利润率，因此越来越多的企业开始朝专业照明细分领域发力，例如工业照明，办公照明，商业照明，体育照明，景观照明等等。但是不同的专业照明领域对光源性能的要求非常具体，如发光效率，光质量，发光角度等，其中光源的光谱能量分布就是其中很重要的一个指标。从美国能源之星DOE公布的多年计划中，可以发现LED性能路线经过近10年的快速发展已经进入相对平稳阶段，其发展已经从早期集中于提高流明输出和可靠性，转变为优化光输出方式提高光质量为主。照明行业通常以太阳光作为评价各种光源光质量优劣的基准，这是因为长久以来人类是通过自然的太阳光来分辨周围环境，作为人造光源，LED的发光光谱越接近太阳光就越容易被人眼所接受。市场上主要应用的白光LED是采用蓝光芯片加黄光荧光粉的方式，即蓝光激发黄色荧光粉后，部分转化成黄光，与其余的蓝光复合生成白光。这种白光的输出方式将直接导致LED光源的较低的显色指数，色空间分布不均匀的现象，最严重的是带来一些照明领域越来越重视的蓝光危害的问题。因此，光谱接近太阳光的全光谱LED便应运而生。

1.全光谱LED的定义

所谓全光谱，即光谱包含整个可见光380nm-780nm和非可见光（紫外≤380nm和红外≥780nm）范围，并且曲线连续，波峰波谷无明显比例失调现象。太阳光是真正的全光谱，其显色指数被定义为1，其他人造光源只能无限接近，而不可能完全做到和太阳光一样的光谱分布。全光谱LED在业内的研发已经进行了很多年，目前市场化的也仅能做到在可见光范围内光谱连续，接近于太阳光光谱，要做到真正的包含整个紫外和红外区域的连续光谱，还存在巨大困难。所以本文提到全光谱LED仅限于包含可见光的全光谱。

2.全光谱LED的制备方法

全光谱LED制备方法有很多，市场上主流的是紫光芯片+蓝光芯片+多种荧光粉的方式。这种双芯片激发多种荧光粉的方法有效的弥补了普通LED在紫光区域的缺失，同时为了增加光谱的连续性，引入青色荧光粉以补充490nm处普通LED光谱凹陷的问题，引入红色荧光粉增强红色光谱。

3.全光谱LED在专业照明领域的应用优势

3.1 体育照明

目前主流的体育场馆照明由于实况转播对真实颜色还原的需求，主要采用CRI90的高显指LED灯具。从图1全光谱LED和普通LED的发光光谱，可以看出，对比于高显指CRI905000K的普通LED，全光谱LED的光谱辐射能量在420nm紫光，490nm青光和650nm红光处，得到了大幅的加强。尤其是LED行业从2015年开始逐渐采用IEC TM-30的方法来代替CRI来评价光源的显色性，全光谱LED将更具备优势。相对于CRI仅有8个标准色相比，TM-30-15体系采用99个从105000个物体的颜色中仔细选取的标准色，它们代表了生活中能看到的常见各种颜色，用Rf（色仿真度）和Rg（色饱和度）来量化光源显色特性。全光谱LED的Rf值高达98，而高显指的普通LED仅能达到85左右。

图1 太阳光谱，全光谱LED和普通LED发光光谱

3.2 工业照明（高棚灯和低棚灯）

2017年起光生物安全报告IEC/EN62471以及IEC/TR 62778被加入国家CCC的强制认证。LED灯具被普遍认为存在蓝光危害，人眼长时间直视，达到一定蓝光剂量后，会对视网膜造成永久性光化学伤害，属于室内用灯的光生物安全问题。IEC/EN62471报告里将光辐射安全即蓝光危害等级分为四类，无危险(RG0)–低危险(RG1)–中度危险(RG2)–高度危险(RG3) ，如表1所示。如果灯具被定义为RG 2，则需要特殊注明灯具的应用距离和可直视时间。普通LED的制备方式决定其光谱成分主要集中在蓝光和黄光波段，并且在400nm-500nm蓝光部分占据整个辐射能量很大一部分。对LED而言，蓝光危害程度随色温的升高而增加，即蓝光≥冷白≥自然白≥暖白；随发光面的增大而减小；随功率的增大而增加。市场上，大多数功率大于1W的LED被IEC/EN62471定义为蓝光危害RG2等级。

表1 光生物危险等级及危害描述

LED高/低棚灯占据专业照明灯具市场很大一部分，适用于工厂、车间、仓库、候车室、车站、机场、商场等大型宽敞场所的照明灯具。其设计主要使用的LED功率均在1W以上，根据IEC/EN62471中的能量传递原则，如果LED定义为RG1，灯具不可能为RG2，可直接应用LED的光生物安全报告于灯具层面；但是如果LED 为RG2，灯具层面由于其光学配件的影响需重新测定。随着LED工业的技术发展，追求高流明，高光效，高色温将成为主流趋势， LED的发光强度越来越大，即单位发光面积内的光通量越来越大，极可能面临不能通过光生物安全报告中RG1测试的情况。根据IEC/EN62471规定，被划归为RG2的灯具需被严格定义应用距离及可直视时间。这样一来，不仅会给消费者带来心理性的恐慌，更会使此类灯具的应用受到很大的限制。

全光谱LED由于其光谱特点，可以有效的解决普通LED富蓝化的问题，降低光源的蓝光危害等级。它主要通过增补普通LED在短波青光、短波绿光、长波红光部分缺少的部分增强光谱连续性，使光源的辐射能量在整个光谱区域均匀分配，从而降低400nm-500nm内的蓝光比例。

3.3 办公照明

办公照明不仅是指一个单纯的照度达标的明亮的办公环境，如何保证办公人员的生理舒适性以提高工作效率才是其主要目标。全光谱LED以其接近与自然太阳光的光谱特性，具有天然的优势，接近于100的显色指数会带给员工更好的精神面貌。全光谱LED中的短波紫光成分不仅有杀菌的作用，更有助于人体合成维生素D，加强钙质吸收，促进骨骼生长。除此，全光谱LED可将能量成分在蓝光波段的有效弱化，并且其长波红光对室内的植物生长也可起到加速作用。

3.4 植物照明

顾名思义，利用植物需要太阳光进行光合作用的原理，模拟太阳光或者完全代替太阳光对植物进行补光从而帮助植物快速生长的专业照明灯具。不同的植物对光源光谱能量分布有不同的需求；不同的波长对植物生长的作用也不尽相同，全光谱LED不仅节能环保，更由于其光谱连续，接近太阳光光谱的特性是目前市场上最具认可的植物照明灯。

4.全光谱LED在专业照明领域的局限

4.1 价格

尽管全光谱LED越来越受到各大制造公司的重视开始加大投入，由于较低的市场占有量决定了其成本很难降低，目前全光谱LED的价格是普通LED的3倍左右。专业照明领域单灯使用LED颗粒相对较多，有时高达几百颗，昂贵的价格限定了它的实际应用。

4.2 效率

市场上主流全光谱LED的效率大概在122lm/W左右，远低于普通LED的150lm/W的流明效率。此差异源于普通LED经过多年市场化开发，蓝光芯片和黄光荧光粉的技术已经进入相当成熟的阶段，内外量子效率和转换效率达到很高的水平，但全光谱LED所用的紫光芯片和多色荧光粉的效率还有待提高。

4.3 可靠性及寿命

全光谱LED采用的多种荧光粉混合以实现可见光范围内的光谱连续。不同颜色的荧光粉来自不同的材质，不同的制备方法，其发光特性不同，转化效率也不同，最重要的是这些荧光粉对温度和湿度的耐受力不同。比如红光荧光粉较差的抗腐蚀和抗湿度性，青色荧光粉的耐温性等等，其在老化测试中寿命衰减速度是不一样的，这将导致在整个LED使用过程中随时间而出现的色漂移问题，即色温和显色指数发生改变。

5.小结

全光谱LED 因其接近于自然太阳光的光谱特性，在各个照明领域的应用已经是大势所趋。目前，照明市场很大的份额还是被普通LED所占据，没有大规模推进全光谱LED的应用，相信随着成本，效率，寿命的进一步优化、全光谱会循序渐进的被接受，成为专业照明领域一个更好的光源选项。

[1]李琪,辛易.全光谱LED发展现状及应用前景[J].中国照明电器,2017.3(1):12-16.

[2]中华人民共和国国家标准.IEC 62471 中光源和灯具的蓝光危害评价的应用.