半导体照明强调系统概念 制定标准成当务之急

厦门市LED促进中心主任 何开钧

照明是涉及多种学科和多种技术领域的综合性工程技术。人的视觉特性和视觉认知决定了对照明的量和质的追求，不但要考虑自身技术领域的发展，还要综合考虑和关注美学、哲学、人体工效学、生理学和心理学等学科领域来满足最终客户的需要。
半导体照明技术与产业的发展比人们的预期快得多，LED的某些光学特性是以往任何人造光源无法比拟的，如色彩丰富、色饱和度高、色域宽广、光束集中、响应速度快、亮度和色彩均可智能化网络化控制与调节等等。这些新特牲的应用将改变人们传统照明的经验和习惯，引发照明理念和光文化的变革，推动照明产品向以人为本和更人性化的方向发展，适时地满足人的生理和心理健康的需要。

照明需兼顾生理和心理影响

过去照明的目的是满足人们在黑暗中对光的需求，1879年爱迪生发明商用白炽灯是人类进入现代文明的标志。照明首先是满足人们能看得见物体和景物，其次是针对不同作业面的需求，对光源有不同的亮度和照度要求，但总体来说照明是建筑电气的一部分。
LED光源是现代照明的标志，要研究不同色光和色饱和度的LED照明对人们生理和心理的影响，研究LED的光学特性与人的生理光学效应和心理光学效应协同性，特别是人的生理节律(生物钟)和内分泌系统在很大程度上是由照明调节的。要研究什么LED色光照明会刺激或抑制皮质醇的分泌，皮质醇会使人精神振奋，增加活力，什么LED色光照明会刺激或抑制褪黑素的分泌，褪黑素会使人困倦，昏昏欲睡。因此现代照明的目的有质的变化，要满足不同人群的视觉生理和心理健康、安全与舒适的需要，调节心理情绪和情趣的需要，调节生理节律和内分泌系统的需要。

发展照明产业应突破传统观念

在照明产业迈向现代照明的过程中，还有若干传统观念需要突破。
1.突破传统灯泡和以灯泡为主的灯具照明的概念，发展面光源。
白炽灯光源已应用100多年，成为人们的传统习惯，但灯泡的发光比较集中，太亮会产生炫目的感觉，光线不柔和，照明工作面不均匀，要用特殊的配光设计才能克服以上缺点。LED光源可以做成两维面光源，用背光源的形式做成发光面板。尺寸根据需要可大可小，亮度、色温和显色性均可调节，可以避免传统灯具的炫目感，光线更加柔和和均匀舒适。
2.突破仿造太阳光的概念，发展数字化可调色光的组合照明系统。
人造光源是否一定要模仿太阳光是一个值得探讨的问题，夜晚没有阳光，照明可以根据不同人的需求选择不同的光源。典型的光源应该是RGB三色组合成可调色温和显色性的光源照明系统，可以根据不同人群的需要，随心所欲地调节亮度和色度。色光可以调节人的心境和情绪，减缓压力，调动情趣，消除疲劳，促进健康。用LED色光可以有效地治疗SAD（季节性情绪失调）疾病；紫光、蓝光照射皮肤可以促进维生素A、D的生成，进而促进钙的吸收，蓝光可以去黄胆；印度医学家D.P.Chadiali用12种色光照射治疗人的过敏反应、免疫系统紊乱、心血管病、精神紧张、抑郁症和失眠症等。因此现代照明是可以根据不同人的生理和心理需要调控的数字化色光组合照明系统。
3.突破传统路灯的概念，发展人性化的LED路灯照明系统。
一般城市快速路和主干道的路灯灯竿高度为12-15米，实际上路灯灯竿高度低一些更有贴近人的温馨感。LED路灯没有必要做成钠灯灯具的形状，可以做成分散光源的配光设置，高处灯头做成线状光源，灯竿可以充分利用做成柱状光源。由于城市绿化的要求，许多路灯的光照在树上，没有有效地利用光能，造成很大的浪费。在支路、人车混合道路上可以将路灯架设在道路中间，沿道路中线悬挂，均匀有效地利用光能，两边的灯竿做成柱状发光体，照亮低矮的地方，做成分散的光源，可以更充分地发挥LED光源的特长和优势，更人性化。
4.突破传统物体色的概念，高饱和度色光照明将视觉认知带入一个全新的境界。
通常物体随不同光源(不同光谱混合)照射，能呈现不同的颜色。以往的光源都追求日光型，都与日光比较，人们习惯的物体色也是在标准的日光下显现的。物体对不同光谱的反射率及光源发光强度决定了物体的颜色和色泽。传统光源(除激光外)的色纯度不高，也就是色饱和度不高，在单一波长的色光中混合了较多的背景光亮度(辉度)，即叠加了白光，降低了色光的色饱和度，物体色不那么鲜艳，用LED高纯度的蓝、绿、红光照射物体会有不一样的效果。我们要充分利用LED的性能去驱动和开辟新的市场，打开人们的新视野。
5.突破传统灯具的概念，照明应该是一个系统。
LED产业技术在不断发展，研究发光效率的提高是产业技术的主流。但是要有效地利用光和色光、将光传送到需要的地方，满足人的视觉生理和心理需要，就必须研究不同频率的光谱组合与人的视觉认知的适配性，研究光源、灯具、配光到人体及视觉相互作用，作为一个价值链系统去研究人们到底如何更有效地、健康地、科学地借助照明系统去看周围的东西，在价值链中增加有价值的新元素，提出使用的价值，去推动市场，拓展市场需求。


制定标准是当务之急

要与现有光源竞争，LED需要满足以下几个方面的要求：一盏灯需要1000lm以上才能用于照明，1000lm的光通量成本应在2美元以下，每瓦的发光效率应在100lm以上，显色指数室内照明应大于85，室外照明应大于70。最近Cree已研制出用红、黄荧光粉的暖白色、高显色性LED，1mm 2芯片，色温2780K，显色指数Ra=92.8，发光效率113lm/W。
LED是半导体器件，其光、电、色的参数均随器件温度及环境温度而变化，散热性和稳定性有待改进。LED光源没有确定的光轴与配光曲线，不是严格的点光源，发光强度与距离的平方成反比定律不适用，光学参数在不同的角度不同，也就是说不同的高度要用不同的配光。
行业标准滞后，严重地阻碍了行业的发展，尽快研究制定标准是当务之急。IEC（国际电工委员会）正在组织研究制定LED照明产品的标准，我们应积极参加。现有色温的概念、显色性与显色指数的概念对LED不大适用，我们正在推动CIE（国际照明委员会）研究修订国际标准。
LED用于照明指日可待，我们不能因循守旧，按照传统观念和前人的老路集体性地盲目跟从，而应该充分发挥LED的光学特性去创造现代照明产品，突破传统理念，开发适合人们生理和心理需要、安全与健康的照明产品，促进照明理论的变革，推动照明产业的发展。

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关于照明的一些基本概念

1.发光强度
发光强度是国际单位制中7个基本单位之一，发光强度的定义是：发光频率540GHz(对应空气中555nm的波长)的单色辐射，在给定方向上辐射强度为1/683W/sr时，光源在该方向上的发光强度规定为1坎德拉(Candela)，记作cd，这是客观物理量的定义。如果用光通量流明表示，在单位立体角内发出1流明的光通量就定义为1个坎德拉(cd)，即1cd=1lm/sr，这是主观物理量，因为光通量流明是与人眼的光谱光视效率有关的主观量。
2.光效
只用流明/瓦来表示光源的发光效率是不科学的，因为光源发光的不同光谱组合有不同的辐射强度，而人眼对不同光谱辐射有不同的灵敏度，即光谱光视效率。白光LED光源最少要标出相关色温、显色指数和发光效率。最近Osram公司还标出色坐标，这才是光学性能参数的正确表示方法，也才有相互比较的可能。关于照明的效率有光源效率、灯具效率、配光的有效利用效率、人眼的视觉效率和心理效率，不能简单地用LED的发光效率说明LED如何节能。
3.白光LED发光效率的理论极限之争
关于白光LED发光效率的理论值说法不一，有半导体专家称400lm/W，有照明专家称320-350lm/W。根据国际计量委员会关于发光强度的定义：对绿光555nm波长1cd=1/683w/sr，即绿光的理论发光效率可达683lm/W。CIE中国专家叶关荣教授计算等能白光的极限发光效率为182.45lm/W，在牺牲显色性的情况下，白光的发光效率为200lm/W左右，但等能白光是最严的要求，实际光源做不到。因此光源的发光效率在182.45-683lm/W之间，不同光谱组合的发光效率不同。美国集中100多位科学家编著的研究报告中指出白光的理论极限为220lm/W。因此不同显色指数的白光光源的发光效率之间没有可比性。
4.照度与色温(相关色温)的关系
人眼对亮度和颜色的感觉与环境光(背景光)有关，还和以往的经验与习惯有关，也和人的心理期望与情感情绪有关。一般正常人在低照度环境下习惯于低色温，如路灯对路面的照度在100lx以下，相应的色温在3000K以下，人感觉的舒适度较高，特别是在黑暗的背景下更是如此。室内照明在300lx左右的照明，色温也在3000K左右，宜用暖色调光源，照明用光源通常色温在2700K-4800K之间，现在用蓝光涂敷黄色荧光粉试制成的白光LED性价比较高，但色域、色容差和显色性均不理想，相关色温在7000K左右，不适合做照明光源。