倡導(dǎo)“健康照明”，提高光品質(zhì)及舒適性具有非常重要的現(xiàn)實意義

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，光作為人體晝夜節(jié)律系統(tǒng)主要驅(qū)動力之一，無論是自然的太陽光還是人造光源，都會引發(fā)一連串的生理節(jié)律反應(yīng)。光通過視覺和非視覺作用，不同程度地影響著人體健康。因此，倡導(dǎo)“健康照明”，提高光品質(zhì)及舒適性具有非常重要的現(xiàn)實意義。

所謂健康照明，就是通過照明，改善并提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，促進(jìn)心理和生理健康。

太陽光譜是最健康的光譜。太陽光譜主要包括紫外、可見及紅外光譜。紫外線具有殺菌消毒的作用．可以殺滅螨蟲等微生物或病原體，促進(jìn)維生素D合成，對佝僂病和軟骨癥有預(yù)防和治療作用，還能預(yù)防老年人骨質(zhì)疏松癥，有消炎止痛、促進(jìn)局部血液循環(huán)、調(diào)節(jié)免疫力等作用；紅外線在人體組織代謝、血液循環(huán)、人體免疫功能增強等方面具有很好的治療作用；同時對于肌肉痙攣、肌肉勞損、軟組織損傷、身體組織消腫有治療作用。

所謂健康照明主要是指用于照明的人造光源光譜應(yīng)盡可能接近太陽可見光譜（即仿自然光照明），照明必須滿足場所的功能性要求和人們的心理要求。既要求燈光的舒適度，又要在色溫、亮度、光與影的和諧度方面滿足人們的心理情緒。在高顯色指數(shù)的基礎(chǔ)上，減少藍(lán)光(R12)的相對能量，以防止藍(lán)光危害；增加紅光(R9)的相對能量，以促進(jìn)人體的身心健康。

一組自然可見光譜

1、藍(lán)光問題

據(jù)官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國7-12歲、13-15歲、16-18歲學(xué)生患有眼疾概率分別為45.71%、74.36%及83.28%，青少年眼疾發(fā)病率已超越日本成為世界第一大國。

人們普遍將原因歸為兩方面，一是孩子功課壓力大，過度用眼；二是長時間對著手機(jī)和平板電腦這類電子產(chǎn)品。兩方面因素造成了青少年眼部疲勞，致使眼睛調(diào)節(jié)能力下降，進(jìn)而誘發(fā)眼部疾病。

根據(jù)國際照明委員會CIE于2002年發(fā)布的研究報告（CIE S 009/E:2012）：藍(lán)光可以引起視網(wǎng)膜的光化學(xué)損傷，主要集中在視網(wǎng)膜色素內(nèi)表皮細(xì)胞，并在視網(wǎng)膜上形成弧光和盲點。眼睛之所以能看到東西是因為視網(wǎng)膜上分布有視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，其中視網(wǎng)膜軸向末端有個地方叫黃斑中心凹，這里是視力最敏銳、視覺細(xì)胞最豐富的區(qū)域，而之所以呈現(xiàn)黃色是因為其富含葉黃素。正常情況下，隨著年齡增長，黃斑凹老化引起視覺衰退。

但長期處于藍(lán)光照射下，過量的藍(lán)光直接進(jìn)入視網(wǎng)膜并產(chǎn)生大量自由基，造成黃斑凹加速氧化，最終導(dǎo)致黃斑凹處的視覺細(xì)胞大量死亡，而這種損傷是無法自行修復(fù)的。

2018年4月，西班牙巴塞羅那全球健康研究所（ISGlobal）公布，夜間藍(lán)光照射的時間越長，人們的身體節(jié)律就越會被打破，從而導(dǎo)致乳腺癌和前列腺癌的發(fā)病率升高。這項研究結(jié)果“評估了在西班牙人工照明夜間曝光與乳腺癌和前列腺癌風(fēng)險之間的關(guān)系。必須強調(diào)：任何波段的光譜只要超量都是有害的。

圖1 人眼結(jié)構(gòu)圖

2、藍(lán)顏色的光=藍(lán)光成分？

以下四張光譜圖從左到右依次是可見自然光、鎢絲燈（白熾燈）、熒光燈、LED燈。

圖2 不同光源光譜分布圖

四種光源的顏色依次為自然光、暖色、白、冷白?？梢钥闯?，即使是日常白熾燈發(fā)出的暖色光也一樣含有藍(lán)光成分。藍(lán)光成分普遍地存在于各類燈具和光源中，區(qū)別的只是藍(lán)顏色的光不怎么含有其他顏色的成分。而且白光LED是靠藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃紅光，然后融合本身的藍(lán)色光一起形成白光，因此其藍(lán)光成分的比例相對較其他類別的光源更集中。

3、健康照明的人造光源選擇

圖3是《IEEE PAR 1789-2015 危險性評估草案LED照明閃爍的潛在健康影響》中光源頻閃對觀察者造成危害的分級圖，綠色部分為不可察覺區(qū)（無危害區(qū)），黃色為低風(fēng)險區(qū)，白色為有害區(qū)。人眼可以辨別的極限頻率大概是60Hz，也就是說靠視覺難以區(qū)分60Hz、100Hz和3000Hz發(fā)光頻率。大量研究指出，長時間暴露在有危害的光源頻閃環(huán)境中，輕則眼部疲勞視力衰退，重則頭暈惡心神經(jīng)系統(tǒng)受損。

由于白熾燈和熒光燈都是直接工作在工頻下，因此其發(fā)光的頻率大概在100Hz前后（波形見圖4），對該頻率下波動深度無危害的上限標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為3.3%。僅依靠鎢絲發(fā)熱的白熾燈或者熒光粉余暉的熒光燈都是很難滿足這個要求。

非調(diào)光時，LED是恒流驅(qū)動，不存在頻閃問題；調(diào)光時可通過PWM等控制方式，將頻閃控制在3.3%以下，達(dá)到頻閃安全。所以，頻閃危害對傳統(tǒng)光源是個老大難問題，而對LED產(chǎn)品來說基本沒有頻閃危害問題。

另一方面，由于LED的易調(diào)光性及可在一個燈具中集成多種芯片，因此可實現(xiàn)更好的色彩還原，減少視覺疲勞。所以LED相對傳統(tǒng)光源在頻閃危害的控制、色彩還原度等方面更具優(yōu)勢，同時也更節(jié)能環(huán)保。因此，只要設(shè)計合理、科學(xué)，作為健康照明的人造光源，LED照明將是最佳選擇。

圖3 IEEE PAR 1789-2015 頻閃危害分級圖

圖4 傳統(tǒng)光源頻閃波形

4、健康照明LED產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

健康照明是一個及其復(fù)雜的系統(tǒng)，直至目前國家并沒有關(guān)于健康照明的明確指標(biāo)，健康照明還在前進(jìn)、探索階段。

目前市場上的健康照明產(chǎn)品不少，但質(zhì)量參差不齊，更多是商家促銷的噱頭，市場較為混亂，急需一個權(quán)威、統(tǒng)一、模板性作用的健康照明標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)健康照明行業(yè)的良性發(fā)展。雖然健康照明標(biāo)準(zhǔn)的制定并非易事，但其重要性不可忽視。

隨著照明產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，每項技術(shù)在能效和光的品質(zhì)方面都各有所長，但不變的是標(biāo)準(zhǔn)的重要性，因為照明環(huán)境的質(zhì)量、性能和安全性，甚至于我們的生活質(zhì)量，都取決于標(biāo)準(zhǔn)。

目前主要參照的是：前面提到的CIE S 009后來被國際電工委員會IEC采納了，變成了IEC 62471:2006 燈與燈系統(tǒng)的光生物安全，這個便是關(guān)于光生物安全的第一部國際技術(shù)法規(guī)。然后這個IEC 62471:2006被歐盟采納并加嚴(yán)了部分要求后變成了EN 62471:2008，并在EC/244/2009 EUP指令中要求強制執(zhí)行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 藍(lán)光危害項目，并強制執(zhí)行。國內(nèi)參照IEC 62471:2006發(fā)布了GB/T 20145-2006，其次GB 7000.1-2015也參照IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。

圖5 光源的視場角示意圖

技術(shù)法規(guī)（標(biāo)準(zhǔn)）： IEC/TR 62778:2014 沿用了IEC 62471:2006的測試原理和基本方法，對藍(lán)光危害劃分為光譜輻照度和光譜輻亮度兩個大類。照度就是視光源為一個點光源測定其投射到單位面積上的能量；亮度是把人眼作為一個點去直視光源，測定光源單位面積的能量。以下是IEC 62471:2006中給出的藍(lán)光危害的限值。

可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對其結(jié)果分成三個等級，即豁免級、低風(fēng)險和中風(fēng)險。其中GB 7000.1-2015規(guī)定了燈具產(chǎn)品的藍(lán)光危害不可超過低風(fēng)險，而且兒童可移式燈具及電源插座夜燈這兩個類別產(chǎn)品的藍(lán)光危害更是不能超過豁免級。

表1 IEC 62471:2006 限值要求

下圖是同等功率的不同色溫LED光源的光譜分布，可以看到色溫高（顏色偏冷）的LED藍(lán)光成分（大概430nm到490nm這部分）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出色溫低的（顏色偏暖）。IEC推薦的不同色溫和光度低風(fēng)險以下的組合數(shù)據(jù)：2350K、4000K以及6500K的推薦光度依次為不高于40Mcd/m2、8.5 Mcd/m2、5 Mcd/m2的亮度和4000Lx、850Lx、500Lx的照度。也就是說色溫越低，允許的光度越大。

結(jié)合辨識度、色彩還原和能效等綜合因素，推薦選擇色溫介于3500K-5000K、書桌照度介于300Lx-1000Lx、室內(nèi)照度介于100Lx-350Lx的燈具產(chǎn)品。其中色溫產(chǎn)品外包裝一般有標(biāo)示，照度值可通過安裝高度、擬使用的面積和使用產(chǎn)品總功率來粗略計算。例如，13W的LED臺燈發(fā)光面距離桌面400mm高度時正下方照度值約為1000 Lx，那么如果打算選購類似高度的LED臺燈產(chǎn)品，其功率就應(yīng)該介于7W-13W之間。

而安裝高度增加一倍，照度衰減4倍?？蛷d面積50平方，高度大概3.5米，那么算上墻面的等效面積大概就是100多平方，要達(dá)到100Lx的照度水平，就需要100m2×100 Lx=10000 lm的光通量，那么按照LED一般的能效水平100 lm/W，那么就需要安裝總功率約合100W的燈具產(chǎn)品。

圖6 光譜分布隨色溫變化圖

圖7 IEC推薦的低風(fēng)險藍(lán)光危害色溫與亮度組合

圖8 IEC推薦的低風(fēng)險藍(lán)光危害色溫與照度組合

最后，就是盡可能選擇帶光線擴(kuò)散板（透明陶瓷片或乳白色磨砂罩）的燈具產(chǎn)品。下面有一組比對數(shù)據(jù)可以看到，同一樣品編號白黑兩組測試數(shù)據(jù)分別代表帶有磨砂罩和去掉磨砂罩時的結(jié)果?？梢钥吹饺サ裟ド罢趾螅{(lán)光輻亮度普遍上升了10倍到100倍之間。

表3 去掉磨砂罩前后藍(lán)光危害的比對圖

5、目前照明技術(shù)存在的問題

圖9 各類照明光源光譜圖

LED光源是一種具有環(huán)保、節(jié)能、長壽命等特性的綠色光源。同時，LED相對傳統(tǒng)光源在頻閃危害的控制、色彩還原度等方面更具優(yōu)勢。因此，LED照明正在逐步取代日光燈和節(jié)能燈。

然而，目前白光LED照明主要通過藍(lán)色LED+黃色熒光粉來形成。白光LED的光譜范圍較窄，尤其是短波藍(lán)光區(qū)域的能量比較集中，與太陽光譜實際相差很大，還有明顯的眩光效應(yīng)，使得LED照明光源對人體長時間照射會產(chǎn)生不利影響?，F(xiàn)有的點膠與封裝工藝存在光衰減風(fēng)險；又因其散熱性差，不能適應(yīng)大功率照明要求。

盡管目前一些企業(yè)已經(jīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)，如具有明確指標(biāo)，確保無藍(lán)光、無眩光、無頻閃等。其顯色指數(shù)、色溫、照度、亮度等指標(biāo)都符合GB/T 20145-2006、GB 7000.1-2015的要求，但沒有任何一個標(biāo)準(zhǔn)，具有絕對的權(quán)威性，可保證產(chǎn)品按此標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出來，就一定是健康照明產(chǎn)品。

上述圖譜也說明，雖然市場商用照明燈具大多滿足前面所提到的指標(biāo)值，但是現(xiàn)有日光燈和LED燈大多有明顯的藍(lán)光，光譜都明顯偏離自然光譜，并不是健康照明產(chǎn)品。

判斷一個照明燈具是否是健康照明產(chǎn)品除了顯色指數(shù)、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等指標(biāo)外，一個極其重要的判據(jù)應(yīng)該是該產(chǎn)品的光譜圖與可見自然光光譜圖的吻合度。因為即使該產(chǎn)品的光譜圖明顯偏離自然光譜，其顯色指數(shù)、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等技術(shù)指標(biāo)也可以達(dá)到要求，但明顯偏離可見自然光光譜的產(chǎn)品，并不是真正的健康照明產(chǎn)品。

可以認(rèn)為產(chǎn)品光譜圖與自然光譜吻合度大，又滿足上述指標(biāo)要求的產(chǎn)品應(yīng)該是健康照明產(chǎn)品。隨著行業(yè)對健康光環(huán)境認(rèn)識的深入，相信未來會有更加完善的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。

6、健康照明技術(shù)的發(fā)展趨勢

2018年3月，第十屆法蘭克福國際燈光照明及建筑物技術(shù)與設(shè)備展（Light＋Building 2018）中一大亮點為COELUX的燈具系統(tǒng)（圖A），采用了LED 光源，并使用含有產(chǎn)生瑞利散射的二氧化鈦納米顆粒的透明聚合物，來模仿大氣層分解不同波長的光，從而達(dá)到逼真的太陽光效果。

2018年5月波士頓Tech Jam展會上，歐司朗首次展出人因照明（HCL）技術(shù)（圖B），成為展會上的焦點之一?！叭艘蛘彰鳌?其實就是仿自然光照明技術(shù)，技術(shù)關(guān)鍵就是提供高效穩(wěn)定的仿自然光照明光源。

2018年6月21日，韓國LED 照明公司Mimi照明結(jié)合首爾半導(dǎo)體的最新光半導(dǎo)體技術(shù)和東芝材料公司的“TRI－R技術(shù)”，開發(fā)一種太陽光光譜的復(fù)制技術(shù)的新一代光源（圖C）。它能優(yōu)化RGB（紅、綠、藍(lán)）三原色的平衡，類似于太陽光的光譜，并把LED中眾所周知影響生理效應(yīng)的藍(lán)光降低到接近太陽光的水平。 SunLike這種新一代LED技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于家庭照明，為消費者提供健康照明。在2018年的愛迪生獎頒獎典禮上，SunLike被列為“十大必看產(chǎn)品”，其技術(shù)得到了全球?qū)＜业恼J(rèn)可。此外，2018年3月，它還獲得了德國電子零件雜志Elektronik”的年度產(chǎn)品金獎。

2018年6月，佛山國星光電采用長波紫光芯片和特殊熒光粉技術(shù)，全光譜系列LED光譜接近太陽光（圖D），顏色品質(zhì)逼近太陽光，光譜覆蓋400-780 nm波段，可實現(xiàn)高品質(zhì)的太陽光式照明，且紫光波段比標(biāo)準(zhǔn)參考光源低，減少了低能波段（400-440 nm）對視網(wǎng)膜的損傷，是更健康、更舒適的人工太陽光。

上海師范大學(xué)項目組基于發(fā)光陶瓷與多光色LED復(fù)合芯片光源設(shè)計的結(jié)合，得到光譜更接近可見自然光的LED健康照明器件：以商品透明氧化鋁陶瓷為基片，采用陶瓷制釉工藝，以多種LED發(fā)光材料、介質(zhì)及基礎(chǔ)釉料配成發(fā)光釉料，通過靜電噴涂、絲網(wǎng)印刷等工藝涂布在透明陶瓷基片上，低溫?zé)Y(jié)，不要求還原氣氛，得到發(fā)光陶瓷。再組裝LED芯片，成為LED照明用發(fā)光陶瓷制品。這種方法的特點是：工藝設(shè)備簡單；節(jié)能環(huán)保；透明陶瓷的加工尺寸和力學(xué)性能有保障。

另外，加工工藝對材料的發(fā)光性能影響小，也有利于后續(xù)LED芯片組裝及應(yīng)用。改變熒光粉的組成及發(fā)光層的厚度，可以調(diào)節(jié)出光效率和光譜特性。多光色LED復(fù)合芯片光源的設(shè)計；確保芯片功率和光譜匹配。復(fù)合芯片光源可以共激發(fā)發(fā)光陶瓷并可調(diào)制照明器件的光色性。

結(jié)合上述發(fā)光陶瓷與復(fù)合光源，采用倒裝的方式組裝復(fù)合LED芯片，得到光譜更接近可見自然光（圖A）的LED健康照明器件，色溫5127K（圖B），顯色指數(shù)Ra達(dá)到98（圖C），發(fā)光效率95Lm/W，光譜覆蓋400-720 nm波段，藍(lán)光成分比自然光降低，減少了藍(lán)光波段（400-440 nm）對視網(wǎng)膜的損傷；光譜的舒適度、色溫、亮度、光與影的和諧度等方面更容易滿足人們的心理情緒，優(yōu)化了自然光光譜，真正實現(xiàn)仿自然光LED健康照明。

用上述類似的技術(shù)，以玻璃、透明塑料片為基板，用硅膠作為粘結(jié)劑，涂覆多種LED發(fā)光材料，得到發(fā)光玻璃及塑料發(fā)光片，再組裝多光色復(fù)合LED芯片，同樣得到仿自然光LED健康照明器件。

使用本方法制備的LED照明器件，保持LED照明節(jié)能、環(huán)保的特點?？梢詼p少藍(lán)光，光譜均衡、連續(xù)。同時，由于發(fā)光陶瓷具有很好的導(dǎo)熱性能及光散射作用，照明光源實際為面光源，大大減少了眩光效應(yīng)，利用這一技術(shù)還可滿足大功率照明的應(yīng)用需求。該技術(shù)不需點膠工藝，可以大大降低光衰減風(fēng)險，同時可增加熒光粉的用量和選擇范圍。該制備方法工藝簡單，生產(chǎn)周期短，成本低，適合規(guī)模生產(chǎn)。該技術(shù)的中國專利申請已受理。