兼顾光健康与节能的“LED+白炽灯”照明模式

黄三晓，方文卿，陈太阳，张友铭，杨超普

(1.南昌大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330031；2.南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心，江西 南昌 330047；3.商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000)

引言

红外光在医学领域应用比较广泛,也是人们最初发现的不可见光之一[1]。研究发现，650 nm的光能抑制儿童和青少年眼轴的异常增长，可达到预防近视的作用[2]；780 nm的光能降低色盲发生率，提高患者视力[3]；670～1 000 nm的光可加速伤口愈合，减轻受损视神经退化[4]。

水过滤的760～1 400 nm波段是进行光生物调节研究常用的长波范围[5]。水过滤的作用主要是去除红外光的热效应，但本文证明了白炽灯产生的红外光即使在无水过滤的情况下也几乎不会带来安全隐患。

本文比较了分别用红外荧光粉、红外LED、白炽灯来补充深红及近红外光的优劣，综合考虑，发现白炽灯更具优势。目前，中国灯具行业仍存在差异性不足、技术创新路线缺失等老问题[6]。白光LED+直流白炽灯的照明方式比较新颖，对健康照明有一定的指导意义。

1 三种补光方式的优选

1.1 不同光源光谱比较

用积分球(SPEC-2000A)测得电脑白屏、手机白屏、LED灯、白炽灯的光谱，乘以明视觉视觉函数可得到相同亮度(即相同光谱面积)的光谱分布，如图1中插图所示，然后乘以人眼透射率，可得到它们在视网膜上的光谱分布，如图1所示。

图1 相同亮度不同光源在视网膜上的光谱分布(插图为入眼前相同亮度不同光源光谱分布)Fig.1 Spectral distribution of different light sources with the same brightness on the retina (The inset shows the spectraldistribution of different light sources with the same brightness before entering the eye)

从图1中可以看出，电脑白屏、手机白屏、LED灯的光谱连续性差，且存在光强较大的蓝光峰，相比白炽灯而言，缺少了大量的可到达视网膜上的深红和近红外光。

本文中视网膜上深红及近红外光含量(简记为Rr)，指的是视网膜上750～1 400 nm的光在整个可到达视网膜上的光谱范围380～1 400 nm波段的面积占比，可用式(1)计算得到：

(1)

Ψ(λ)为视网膜上的光谱分布。

以2 700 K白炽灯Rr为100%为参照。上述四种光源的视网膜上深红及近红外光含量Rr如表1所示。

表1 照明、显示光源到视网膜上的深红及近红外光含量比较Table 1 Comparison of deep red and near-infrared light contents of illuminating and displaying light sources reaching the retina

电脑白屏、手机白屏含有的深红及近红外光极少，Rr分别为0.1%和0.2%，几乎不含深红光和近红外光，LED灯Rr为0.8%，含有的深红和近红外光也极少，但白炽灯却含有大量的深红和近红外光，这些光对人的身心健康有重要的作用。

有相关研究表明，近红外光也会对眼睛造成伤害，玻璃工人受长时间高功率密度(2 000 J/cm2/day)的近红外光辐射会增加得白内障的风险[7]。但白炽灯发出的光中，近红外光的光功率密度极低，仅为0.5 J/cm2/day(设40 W白炽灯下，2 m远看白纸书3 h)，因此几乎不会增加得白内障的风险。

1.2 白炽灯的再认识

白炽灯有寿命短、光效低、有频闪等缺点，且其灯丝制造还需消耗宝贵的钨资源。正因为这些缺点，使其早早退出历史舞台，但是在光健康至尚的当代，若对白炽灯进行合理利用和改造，有望逆转人们对白炽灯的刻板印象。

(1)钨资源消耗：可用碳丝取代钨丝，减少钨资源消耗；世界上最长寿命的碳丝白炽灯，已连续亮了109年[8]，至今还在工作。

(2)寿命：2 700 K的白炽灯额定寿命只有1 000 h，与LED灯寿命50 000 h以上不匹配，这显然是“LED+白炽灯”这种组灯模式的致命缺点。延长白炽灯寿命的主要途径有两条：一是直流工作；二是降低色温。直流供电可避免灯丝热胀冷缩导致的机械疲劳，从而提高灯丝寿命；降低色温，白炽灯寿命有望指数上升，有文献报道，当白炽灯实际工作电压为额定电压(220 V)的70%时(即154 V)，其寿命可延长100倍[9]；我们测得，2 700 K白炽灯工作电压为额定电压的70%时，相应色温只有2 490 K。设色温和白炽灯寿命对应的函数关系如式(2)：

(2)

t为寿命，T为色温，C、α为待定系数，可根据2 700 K@1 000 h及2 490 K@100 000 h两对值求得。于是，由此式可粗略估算几个典型值：2 800 K@140 h；2 600 K@8 100 h；2 500 K@78 000 h。由此可见，2 500 K直流白炽灯寿命能够和白光LED寿命相匹配。

(3)光效：白炽灯可见光光效一般在15 lm/W左右，其大部分电能转化成对发光贡献极小的深红及近红外光，而健康照明正需要深红及近红外光，因此，当对光的需求从可见光转变成深红和近红外光时，白炽灯的光效将大大提高。

(4)电耗：40 W白炽灯(对白炽灯的照明亮度无要求，可用较小功率白炽灯)每天亮3个小时的电费才8分钱，因此，当补充深红及近红外光得到照明界的普遍认可时，白炽灯耗能费电也将成为一个伪命题。

(5)频闪：前面提到，直流供电不仅可望提高白炽灯寿命，带来的另一好处是无频闪。

1.3 电光转换效率比较

用LED激发深红和近红外荧光粉可以补充深红及近红外光，用电光转换效率为70%的紫光LED激发750～1 400 nm的深红及近红外荧光粉，最高效的假设每个光子都能被荧光粉有效吸收。其电光转换效率计算公式如式(3)：

(3)

λR为750～1 400 nm的荧光粉波长。深红及近红外荧光粉波长和电光效率的关系如图2所示。

图2 深红及近红外荧光粉波长和电光转换效率的关系Fig.2 Relationship between the wavelength of deep red and near infrared phosphor and electro-optical conversion efficiency

以图2阴影部分质心所对应波长为750～1 400 nm荧光粉的平均波长，计算得质心波长为1 041.4 nm,从而可得该波段荧光粉的电光转换效率为27.2%。白炽灯的深红及近红外光的电光转换效率ηB可用黑体辐射光谱750～1 400 nm波段面积除以总的电功率对应的光谱面积来表示，且不计一切热损耗，其计算结果如表2所示。

表2 不同色温白炽灯深红及近红外光的电光转换效率Table 2 Electro-optical conversion efficiency of deep red and near-infrared light of incandescent lamps at different color temperatures

从表2中可以看出，白炽灯色温越高，深红及近红外光的电光转换效率越高，与荧光粉27.2%的电光转换效率相比，白炽灯具有非常明显的优势。

1.4 补深红及近红外光方式比较

深红及近红外LED、深红及近红外荧光粉、白炽灯都能弥补当前照明光源缺乏深红及近红外光的缺陷，可以从它们合成光的光谱连续性、合成光的复杂性及资源节约等方面加以比较，从而选出最优的补光方案。

用多种不同波长的深红及近红外LED可拼凑成连续的深红及近红外光，但其材料体系较为复杂(如，制造短于660 nm的红光LED涉及AlGaInP体系；700～850 nm涉及AlGaAs体系；900～1 000 nm涉及InGaAs体系等)。且单色LED半峰宽一般小于50 nm，因此，初步计算欲合成750～1 400 nm的连续的深红及近红外光至少需要13种不同波长的发光二极管拼凑而成。电路控制复杂，且易造成白光颜色的漂移，系统的可维护性也下降[10]。

深红和近红外荧光粉的合成也同样涉及多元体系，不能做到资源节约，还存在荧光粉热稳定性差，发光易随时间而改变等问题。深红及近红外荧光粉相对近红外LED而言，半峰宽更宽，因此，其合成连续的深红及近红外光相对简单。但与红外LED和红外荧光粉相比，用白炽灯补充深红及近红外光具有更易实现、操作简单、资源节约、光谱连续等特点，具体比较如表3所示。

表3 三种补光方法的综合比较Table 3 Comprehensive comparison of three light supplementation methods

2 模拟光谱合成及计算

2.1 模拟光谱合成

用紫光LED(峰值波长λ1:405 nm，半峰宽ω1:17 nm)激发绿(λ3:529 nm，ω3:108 nm)、黄绿(λ4:567 nm，ω4:96 nm)、红(λ5:648 nm，ω5:96.2 nm)三色荧光粉，由于蓝色荧光粉被激发效率较低，因此用蓝光LED(λ2:450 nm，ω2:18 nm)代替蓝色荧光粉，上述5种光谱可用Gauss分布函数表示，其为白光LED的组成光谱。

白炽灯光谱用寿命和LED寿命相匹配的2 500 K黑体辐射光谱代替，且规定其光谱面积为一个单位面积(作参照)。模拟的目标光谱为3 100 K、3 200 K、3 300 K、3 400 K的黑体辐射光谱，且控制其光谱面积分别为1.5、2.0、2.5、3.0倍单位面积(不同光谱面积代表不同的电功率)。其合成光谱光功率分布函数P(λ)的计算公式如式(4)：

(4)

A1-A5为拟合系数，其大小对应各种光的光强占比，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为白炽灯色温。

用LED+2 500 K白炽灯模拟3 200 K不同功率的黑体辐射光谱为例，模拟情况如图3所示。

图3 白炽灯及白光LED光谱模拟3 200 K黑体辐射光谱Fig.3 The spectra of incandescent lamp and white LED were simulated with 3 200 K black body radiation spectra

每种模拟情况都控制2 500 K白炽灯电功率相等，即其对应光谱面积不变。合成光谱380～650 nm波段和目标黑体辐射光谱拟合较好；重合部分大致为750～1 400 nm波段，主要为2 500 K白炽灯光谱，因为每种模拟情况下，白炽灯的面积都固定不变，即白炽灯的电功率都相同。

虽然重合部分和目标光谱模拟情况较差，但是却能达到为白光LED光源补充连续的深红及近红外光的目的。白光LED+直流白炽灯的大体示意图如图4所示。

图4 组灯方式简单示意图Fig.4 Simple schematic diagram of joint lamp mode

2.2 相关参数计算

可用发光效率η、视网膜上深红及近红外光含量Rr来衡量合成光谱的好坏，合成光谱发光效率计算公式如式(5)：

(5)

SL为白光LED光谱面积，因为LED激发荧光粉整个过程的电光转换效率为70%，因此可用(SL/70%)表征LED电功率，SB为白炽灯光谱面积，可用于表征白炽灯的电功率，其计算结果如表4所示。

表4 不同合成光源发光效率和深红及近红外光含量比较Table 4 Comparison of luminous efficiency and content of deep red and near infrared light of different synthetic light sources

从表4可以看出，合成光源发光效率随目标光谱面积和色温的增大而增大，与此相反，视网膜上深红及近红外光含量随目标光谱面积和色温的增大而减小，可见发光效率和视网膜上深红及近红外光含量难以协同变化。

太阳光谱一直以来被人们视作最好的光谱，计算得出标准太阳光谱(AM1.5)经人眼透射到视网膜上的深红及近红外光含量Rr为54.1%。以太阳光中Rr为标准，由表4可知，有两组模拟情况和太阳光谱的Rr比较接近，一组为目标光谱为3 100 K，3.0倍发光面积的黑体辐射光谱，此时合成光源对应的Rr为54.7%，光效η为53.5 lm/W；另一组为模拟目标光谱为3 300 K，2.5倍发光面积的黑体辐射光谱，此时合成光源对应的Rr为53.3%，η为56.2 lm/W。

3 白炽灯对光品质改善验证

为实际验证白炽灯对白光LED光源的改善能力，用积分球(SPEC-2000A)测量了蓝光激发的LED、紫光激发的LED分别加2 500 K直流白炽灯前后合成光谱(图5)及相关参数(表5)的变化情况。从图5可以直观的看出，加白炽灯后，合成光源的光谱范围更广。其中LED主要负责照明功能，白炽灯主要补充750～1 400 nm的深红及近红外光，热光源白炽灯和冷光源LED的组合，使得新的合成光源不仅能满足人们照明照亮的需要，还能满足人们对光健康的要求。

图5 LED加2 500 K直流白炽灯前后光谱比较Fig.5 Before and after spectrum comparison of LED and 2 500 K DC incandescent lamp

由表5可知，蓝光激发的LED加白炽灯前后视网膜上深红和近红外光含量Rr由1.7%增加到58.6%；色温由5 150 K下降到4 835 K；紫光激发的LED加白炽灯后Rr由3.2%增加到47.7%，色温由2 830 K下降到2 806 K；且两种情况的显色指数Ra和特殊显色指数R9也都有所提高。虽然加白炽灯后两种不同光引擎的LED光源的发光效率都有一定的损失，但其他相关性能都得到了比较好的优化。

表5 不同LED加2 500 K白炽灯前后相关参数比较Table 5 Comparison of related parameters of different LEDs before and after plus 2 500 K incandescent lamp

4 结论

电脑白屏、手机白屏、LED灯光谱连续性差，到达视网膜上深红及近红外光含量Rr分别为0.1%、0.2%、0.8%，与白炽灯Rr为100%相比缺少了大量的深红及近红外光。直流供电的2 500 K白炽灯不但无频闪，而且寿命可达78 000 h，与白光LED寿命相匹配，其深红及近红外光的电光转换效率高达40%，比红外荧光粉的电光转换效率高出12.8%，是最简单、最理想的补深红及近红外光的光源。

根据标准太阳光谱的Rr为54.1%，可知白光LED+2 500 K白炽灯最理想的模拟情况有两种：一种为模拟目标光谱为3 100 K，3.0倍发光面积的黑体辐射光谱；另一种为模拟目标光谱为3 300 K，2.5倍发光面积的黑体辐射光谱。

最后通过实验验证了2 500 K白炽灯对LED光源的光品质有一定的改善能力，在可见光发光效率损失不到一半的情况下都补充了大量的深红及近红外光。

白光LED+直流白炽灯是当前改善LED光源光品质的一种简单、直接、高效的组灯方法，这种合成光源对部分疾病的治疗和预防有重要作用，其将有望在光健康领域占有一席之地。