得邦-ED照明灯具向室内照明产品发展的技术要求

LED照明灯具向室内照明产品发展的技术要求:光谱和光生物安全横店得邦照明股份有限公司吴一新梁培张军摘要：文章主要论述了气氛照明的特点和优势以及气氛照明对人们日常生活的影响，重点论述了如何通过采用大功率LED照明技术来实现高质量的气氛照明。关键词：气氛照明；半导体照明二维光源；大功率LED；1引言LED照明市场商机巨大，发展空间广阔。LED照明灯具应用已经从过去室外景观照明LED发展向室内照明应用。据分析未来五年内LED室内照明的发展将有指数型增长趋势。2011年其产值将高达数百亿美元。尤其是2009年欧盟率先实施禁用白炽灯计划，以及节能议题备受关注，造就了LED室内照明巨大的市场机遇和乐观的前景。 高功率LED照明灯具的发展取决于两大元素：一是芯片本身；二是灯具技术，包含散热、光学、驱动。首先是芯片，目前，LED芯片技术发展的关键在于基底材料和外延生长技术。基底材料由传统的蓝宝石材料、矽和碳化矽，发展到氧化锌、氮化镓等新材料。无论是面向重点照明和整体照明的高功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单的辅助照明的低功率芯片，技术升级的关键都关乎如何开发出更高效、更稳定的芯片。在短短数年内，借助于包括芯片结构、表面粗化处理和多量子阱结构设计在内的一系列技术改进，LED在光效方面实现了巨大突破。薄膜芯片技术是超亮LED芯片生产中的核心技术，能够减少各侧面的光输出损耗，并能借助底部的反射面使97%以上的光线从正面输出。这不仅显著提高LED的光效，还为透镜设计创造了优越的便利条件。 其实从LED照明灯具的发展以来人们一直关注它的使用寿命，若仅仅依靠使用低热阻的LED元件是未能为灯具装置构建良好的散热系统，而必须有效地减小从PN节点到周围环境的热阻，才能大大降低LED的PN节点温度，而成功实践延长LED灯具的使用寿命并提高实际光通量的目标。别于一般传统灯具，印刷电路板既是LED的供电载体，也是LED的散热载体，所以散热片和印刷电路板的散热设计十分重要。除此之外，灯具制造商还须考虑散热材料的品质、厚度和尺寸以及散热接口的处理和连接等因素。 LED照明灯具的光学设计方面，与传统灯具比较，定向性和点光源是LED最典型的特点也是灯具光学设计的关键之处。通过LED的二元光学设计，LED灯具能达到更好的配光曲线。正如目前LED照明灯具发展应用市场最大的室内照明的光线需要十分的明亮，则可使用高透光率灯罩提高光提取效率。或是将导光板技术应用到灯具中，从而将LED点光源更改为面光源，不但能提高灯具的配光均匀度，还可以防止眩光。也可以配合一些聚光透镜或反射器使用来突出照亮的物体的聚光效果实现实理想的光学效果。 高功率LED照明的技术挑战，即使LED在室内重点照明和装饰照明应用中已有令人满意的表现，但是在普通照明和氛围照明应用中仍然面临许多挑战，包括初置成本、色温较低时的光效、显色指数和系统可靠性等。成本是室内照明中相对比较敏感的因素，特别是在家居照明应用中。尽管LED灯型号越来越多，光效也在不断提高，但是价格高这个问题仍然存在。但是当LED光源价格降低，系统设计的整体优化，总成本就必然下降。 LED灯具提高低色温时的光效4,000K以下的低色温通常是室内家居照明的首选。暖白光令整个环境更加温暖和放松；而冷白光则给人洁净、高效、明亮的感觉，较适用于办公室和室外照明。LED灯具的延长使用寿命、提高系统可靠性。在一般照明应用中，LED的整体效率、使用寿命和可靠性必须通过系统优化才能得以提升。LED光源：紧凑、高效，有多种颜色和输出功率可供选择。电源转换：将交流电、电池和其他电源高效转换为安全的低电压、恒流电源。控制和驱动：使用电子电路实现LED的恒流驱动和控制。热管理：若要达到更长的使用寿命，控制LED节点温度显得十分重要，散热分析也不可或缺。光学元件：透镜、反射器或导光板材料是将光线聚焦在目的地区域必需的光学元件。 随着LED技术的快速发展以及LED光效的逐步提高，LED的应用将越来越广泛。特别是随着全球性能源短缺问题的日益严重，人们越来越关注LED在照明市场的发展前景，LED将是取代白炽灯、钨丝灯和萤光灯的潜力光源。此外，在室内灯具设计方面，LED将趋向节能化、人性化和艺术化。在人造光出现以前，人类日出而作，日落而息，基本上过着与太阳光同步的生活。后来，随着“火”特别是人工取火的出现，用火来照明是人类历史上的一次重大进步。一百多年前爱迪生等人发明了电灯，人类开始在人造灯光下工作和生活，可以自主地决定自己的作息时间，从而摆脱了必须与太阳光同步的生活规律。可以说照明与人们的生活息息相关，但一直以来，人类主要关注的是照明的功能性，即是亮还是暗，对光环境对人类生理和心理的影响却少有研究。近几年来，随着生活质量的不断提高，人们对照明的要求早就过了为照亮而照明的初级阶段，开始更多地关注照明对环境及对人们心理、生理的影响。除了节能以外，越来越多的人还想方设法利用灯光营造出和谐、静谧、温馨的起居环境，于是“气氛照明”的概念应运而生。由于传统光源受其自身的发光原理和功能限制，很难被用来实现既经济又有效的气氛照明。而高光通量全彩LED的出现，使气氛照明成为可能。2光的生物功能2.1人眼的感光细胞长期以来，人们一直认为在我们的视网膜上只有锥状和杆状两种感光细胞，分别在明视觉和暗视觉时起作用。这两种感光细胞对光的灵敏度随波长而变化。锥状细胞对波长为555nm的光最灵敏，而杆状细胞的最大灵敏度发生在507nm。在2002年以前，我们只认识到光给了我们视觉（成像）——让我们看到了周围的大千世界，这就是视觉系统（visionsystem）的功效。2.2司辰视觉系统的发现2002年，美国Brown大学的DavidBerson现了一种新的感光细胞，它是视网膜上的神经结细胞。与锥状细胞和杆状细胞相似，这种视网膜神经结细胞对不同波长的光的灵敏度是不同的，它的光谱灵敏度曲线峰值波长位于460nm的蓝光附近。但是与前两种感光细胞不同，这第三种感光细胞与视觉并无关系。它不是连接到脑皮层，而是直接联系到下丘脑的松果体，亦即人体的生物钟，从而影响人的生物功能。这就是司辰视觉系统。它的发现被列为2002年世界十大发现之一。因此，眼睛接受了光线，有两个通道：成像视觉和非成像视觉（司辰视觉系统）。成像视觉通道和非成像视觉通道如图所示。2.3司辰视觉系统的意义清晨，周围的光环境处于高色温的状态，蓝色光的成分比较丰富，刺激着视网膜上的神经结细胞，使我们体内皮质醇的浓度增高，并抑制褪黑色素的分泌。此时，我们的身体就充满了活力，精力充沛地开始一天的工作。到黄昏时，周围的光环境逐渐变为低色温的状态，蓝色光的成分很少，体内皮质醇的分泌减少，褪黑色素的浓度增高，因而我们渐渐感到疲劳，需要休息和睡眠。在“三班倒”的人员中，使用不同的蓝光照射后，可以明显改变原来的不适应状态，身体能很快地适应过来；患老年痴呆症的病人，经过一段时间不同灯光的照射后，病情会得到明显的好转；尤其像费俊龙、聂海胜这样经过航天飞行后的人，在有规律的灯光照射下，能迅速适应当时的时辰。2.4司辰视觉系统对照明的要求在高楼林立的现代都市里，人们工作、学习和生活的大部分时间都是在灯光下度过的，照明质量的优劣直接关系到人们的身心健康、学习和工作的效率。目前，大部分消费者对照明产品的认识仅停留在“能亮就行”或“能省电就好”等初级层面上，对更高层次“气氛照明”的认识还处于朦胧状态。照明必须满足人的心理需求，如色彩、色温、照度对人情绪的影响；光与环境的和谐；如何利用照明渲染气氛等。在我们日常生活里面，司辰视觉系统已经扮演了重要的角色：商店中采用色彩照明，可以激发顾客的购买欲望，销售结果比原先采用荧光灯时好；办公室采用可调节光色的灯具，根据需要适时改变光色，可提高办公效率；客厅和卧室采用气氛照明，可以提高生活情趣，并有效地改善睡眠。司辰系统的发现要求我们必须对照明进行重新认识，对照明的一些评价参数进行重新评价。究竟接受多少光及接受什么样的光才能启动司辰视觉？既然司辰系统这种现象有很多应用，那么应该怎样定性和定量研究？随着半导体照明的出现，对照明系统表征参数进行深入研究是非常重要和必要的。3半导体照明与气氛照明3.1对气氛照明的探索人类司辰视觉系统对照明系统设计提出了更高的要求，要求我们在考察照明质量的时候，不仅仅要关心其亮度，更要关心其光谱分布和相对强度分布，关心不同的光谱分布对人们的心情和心理状态的影响。气氛照明就是对亮度的强弱、色彩的改变、色温的高低都可以进行智能控制的照明。传统照明只关心其照度分布，而气氛照明在关心其照度分布的同时，更关心照明效果给人们带来的心理感受。传统光源由于其发光原理的限制，其色温和色彩很难实现动态控制，因此在实现气氛照明方面遇到了不可逾越的技术障碍。采用传统光源实现气氛照明系统存在以下问题：（１）白炽灯、气体放电灯等传统光源很难调节色彩和色温；（２）采用传统光源的气氛照明系统，为了实现不同场景的光效，需要安装大量的灯具系统，成本高、系统复杂；（３）采用传统光源的灯具体积大，不能与周围建筑和环境实现一体化，不能达到见光不见灯的效果；（４）采用传统光源的气氛照明系统，很难实现不同照明气氛的渐变，同时为实现场景的不断变化，需要频繁地启动、关断，开关冲击会对光源造成损害，并将大大缩短光源的使用寿命。国外某照明公司虽然已开发出用于气氛照明的灯具和控制器件，但其基本思想是在灯具中同时采用高低色温的两种高显色性的Ｔ５荧光灯，通过控制器件调节高低色温的两种荧光灯的光输出，从而产生照度和色温变化的效果，分别发出红光、绿光和蓝光的彩色荧光灯也可以作为气氛照明的光源。但由于荧光灯本身的缺陷，气氛照明的效果并不理想。３.２半导体照明二维光源在未来气氛照明中的应用由此看来，随着人们对司辰视觉认识的不断深入，设计照明时一定要注意如何更好地运用司辰系统的作用。高光通量全彩LED的广泛应用，使气氛照明变得非常简便。LED照明光源色彩饱和度高，而且目前红、绿、蓝三基色的大功率LED技术已经成熟，加之对LED的发光进行控制非常方便，采用高光通量LED光源的气氛照明，必将给人类的照明观念和照明文化带来一场新的革命。随着LED光效的提高和成本的降低，LED将是气氛照明的首选光源。大功率LED作为固体照明光源有很大发展空间，但由于现阶段其成本较高，直接影响了大功率LED在普通照明市场的应用和推广。因此现阶段充分发挥LED在色彩饱和多变、易于实现控制、可任意调光等方面的优势，开发出适用于气氛照明的高端照明产品是比较正确的发展方向。南京汉德森科技股份有限公司在该领域已从事了大量开拓性的工作，目前已成功开发出了基于COB（ChipOnBoard）的大功率LED二维光源和用于气氛照明的半导体照明灯具，通过控制装置可以随着季节、心情的变化而任意调节灯光的颜色和色温，并完成了包括娱乐模式、冬季照明模式、夏季照明模式、家庭就餐模式等多种情景模式的设计，将气氛照明推向更高境界。与传统封装形式相比，由于LED二维光源有