通用照明白光LED器件光谱节律刺激效应分析

蔡连章，张国芳，潘利兵

(佛山市国星光电股份有限公司，广东 佛山 528000)

引言

近年来，随着LED芯片及其白光器件封装技术的发展，其在照明、显示、指示、背光等领域应用广泛[1]。白光LED器件封装方案有多种，其中蓝光芯片激发黄绿或红、黄荧光粉发出白光的方案在通用照明领域已经大规模产业化[2,3]。随着人们对光品质和光健康认识的深入，相关色温(CCT)、显色指数(Ra)、照度、眩光等指标以及光对人体的非视觉效应研究也在不断发展，相关的评价方法和标准备受关注[4-6]。进一步深入研究LED光谱的典型参数特性对生物节律的影响及其量化关系，对于照明灯具设计和器件选型具有重要意义。

1 节律刺激值理论简介

实证研究表明，当光线射人视网膜时，光敏视网膜神经节细胞(ipRGCs)向大脑中的视交叉上核(SCN)发送神经信号，而SCN依据接收到的信号来调节褪黑素的分泌[7]。褪黑素是一种睡眠管理激素，其分泌具有明显的昼夜节律特征，白天分泌受抑制，晚上分泌活跃。通过考虑所有感光细胞的光谱光视效能的影响，Rea等[8]提出了一种节律刺激效应的量化研究方法，并将该度量方法命名为昼夜节律刺激值法(Circadian Stimulus，CS)。在该团队随后的研究中，该度量方法又深化发展为两个相关的指标，即昼夜节律刺激值(Circadian Stimulus，CS)与昼夜节律照度(Circadian Light，CLA)。其中昼夜节律刺激值代表了夜间褪黑素分泌的受抑制程度，而昼夜节律照度则是一个基于CIE标准光源A(CIE standard illuminant A)(色温为2 856 K的黑体辐射体)标准化之后的辐射照度值，以便与一般明视觉照度(勒克斯)进行比较。以下为计算CS和CLA这两个度量的公式：

(1)

(2)

(3)

式中CLA代表昼夜节律照度值。常数1 548是为了将CLA正规化，使得当2 856 K的黑体辐射体(black body radiator)在1 000 lx(明视觉勒克斯)时CLA的数值为1 000；E(λ)代表实际测量得到的光谱功率分布值；Mc(λ)代表经过人眼晶状体光谱吸收特征校正过的视黑素光谱光视效能函数；S(λ)为S型视锥细胞的光谱光视效能函数；mpλ为黄斑色素透光率(macular pigment transmittance)；V(λ)为明视觉光谱光视效能函数；V′(λ)暗视觉光谱光视效能函数；RodSat=6.5W/m2，视杆细胞半饱和常数(half-saturation constant for bleaching rods)；k=0.261 6,常数；ab-y=0.7 000,常数；arod=3.300 0，常数。综合式(1)～式(3)可以得到，昼夜节律刺激值(CS)由昼夜节律照度值(CLA)决定；CLA由研究对象或环境中测试得到的光谱功率分布决定。因此，我们可以利用昼夜节律刺激值计算方法量化研究其值与光谱功率分布间重要特征参数之间的关系。

CS和CLA作为光环境影响的量化指标已经被用于若干类型的实验室研究与实地研究中，如医疗环境、办公环境等。结果表明，CS指标可以有效预测一定时期内褪黑素分泌受抑制程度及睡眠表现。本研究制作并测试了通用照明领域常用LED器件光谱数据，利用节律刺激值计算方法[7]，详细分析了节律刺激值与光谱色温、显指和照度的关系，得到了一些对于照明灯具设计和器件选型具有一定参考意义的结果。

2 LED器件光谱节律刺激效应分析

2.1 LED器件光谱测试

国星光电P3528器件是一种通用照明领域广泛应用的标准LED封装器件。我们选择不同光色参数的器件并对其光谱进行了精准的测试，器件规格如图1所示，使用的测试机为IS(Instrument System)光谱测试系统。

图1 国星光电 P3528 LED器件Fig.1 Nationstar P3528 LED device

首先，为了研究不同相关色温下器件光谱色的节律刺激效应，我们优选了应用广泛的显色指数80(R80)的不同相关色温(correlated color temperature,CCT)(2 200 K/2 700 K /3 000 K/3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K)器件，相对光谱测试数据如图2所示。

图2 显色指数80的不同色温器件相对光谱Fig.2 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 80

其次，为探讨不同典型显色指数的光谱色的节律刺激效应，我们补充制作并测试了R70/R90典型色温器件光谱数据如图3所示。

图3 显指R70/R90典型色温器件相对光谱Fig.3 Relative spectra of different color temperature devices with Ra 70/90

2.2 LED器件光谱节律刺激效应分析

2.2.1 节律刺激值与色温和亮度的关系

丰富的照明应用场景，对发光颜色色温提出了众多不同的要求。白光LED器件常规色温有2 200 K/2 700 K/3 000 K /3 500 K/4 000 K /4 700 K/5 000 K/5 700 K/6 000 K/6 500 K多种。通过节律刺激值计算方法，同时考虑照度值在300、500、1 000 lx三种条件，得到如图4所示的节律刺激值与色温的关系曲线。图4曲线数据表明：1)节律刺激值CS随着光源相关色温CCT升高呈现分阶段性升高，具体表现为2 200～3 500 K段逐渐升高，4 000～6 000 K段逐渐升高，中间存在一个阶跃。该现象的直接原因是研究所用的节律刺激值理论中CS值有两种不同光信号传导通路，且其计算公式(式(1)和式(2))相差较大造成。在本研究中所选的光谱中，4 000 K以下的符合式(2)条件；色温大于等于4 000 K的符合式(1)条件。这两种通路的差异源于视锥细胞光传导通路中的光谱色颉颃机制[8]。具体在照度300 lx条件下，6 000 K色温的光源比2 700 K色温的光源节律刺激值高0.085；4 000 K色温的光源比3 500 K的低0.112。 2)随着亮度的升高，节律刺激值明显升高，6 000 K色温条件下，1 000 lx的光源比300 lx的光源节律刺激值高0.204。3)相对色温对节律刺激的影响，亮度明显影响更加显著。以上结果对于照明灯具设计和选型中色温和亮度的考量具有非常强的指导意义。

图4 节律刺激值与色温的关系曲线Fig.4 Relationship between circadian stimulus and color temperature

2.2.2 节律刺激值与显指的关系

在通用照明领域，不同应用场景对显指的要求也有所差异。当今市场主流产品显指参数(Ra)主要有70、80、90三个档位。通过节律刺激值计算方法，同时考虑照度值在1 000 lx条件下2 700 K/3 000 K/4 000 K /5 000 K/6 500 K多种光谱色光源，得到如图5所示多色温条件光谱色的节律刺激值与显指的关系曲线。图5曲线数据表明：1)不同色温光源，随着显指升高，节律刺激值随之变化趋势不同，3 000 K/5 000 K，显指R80光源节律刺激值比R70的高约0.06～0.09；但是2 700 K/4 000 K/6 500 K，显指R80光源与R70的节律刺激值差异不明显，在0.003～0.016之间；2)各色温光源，随着显指继续升高，节律刺激值随之变化趋势放缓；显指R90光源节律刺激值比R80差异很小，在0～0.026之间。以上结论对于照明灯具设计和选型中光源显指的考量具有较强的参考意义。

图5 节律刺激值与显指的关系曲线Fig.5 Relationship between circadian stimulus and color rendering index

2.2.3 节律刺激值与照度的关系

在通用照明领域，照度参数的设计和选择在不同应用场景均尤为重要。常见的办公、阅读、商照等典型场景照度在1 000 lx以内；常见的生活场景如太阳直射的水面上，照度为100 000 lx。通过节律刺激值计算方法，同时考虑2 700 K /3 000 K/4 000 K/5 000 K/6 500 K多色温光谱色条件下光源，得到如图6(a)(b)所示多色温条件光谱色的节律刺激值与照度的关系曲线。图6(a)曲线数据表明：1)随着照度升高，节律刺激值随之大，变化趋势逐渐变缓；2) 不同色温光源，变化趋势接近；图6(b)曲线数据表明：随着照度升高至10 000 lx以上，节律刺激值接近0.7的饱和状态；各色温光源，变化趋势接近。以上结论对于照明灯具设计和选型中照度的考量具有较强的指导意义。

图6 节律刺激值与照度的关系曲线Fig.6 Relationship between circadian stimulus and illuminance

3 总结

本研究基于制作并测试了通用照明领域常用不同相关色温和显指的LED器件光谱数据，通过节律刺激值计算方法，详细计算分析了节律刺激值与色温、显指和照度的关系。研究发现：1)节律刺激值CS随着光源相关色温CCT升高呈现分阶段性升高，具体表现为2 200～3 500 K段逐渐升高，4 000～6 000 K段逐渐升高，中间存在一个阶跃；2)不同色温光源，随着显指升高，节律刺激值随之变化趋势不同；3)随着照度升高，节律刺激值随之变大，变化趋势逐渐变缓随着照度升高至10 000 lx以上，节律刺激值接近0.7的饱和状态。由于节律刺激值由光谱功率分布决定，但色温和显色指数都存在同色异谱现象，本研究相关定量结果只适用于所测试批次的LED器件，相关定性结果也只适用于与本研究所测试LED光谱接近的器件或灯具。以上结果对于照明灯具设计和器件选型具有一定的参考意义。