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      可調(diào)光調(diào)色LED燈具藍(lán)光危害的測(cè)量與分析

      2021-05-10 12:27:20楊遠(yuǎn)禮
      照明工程學(xué)報(bào) 2021年2期
      關(guān)鍵詞:黃光調(diào)色視場(chǎng)

      楊遠(yuǎn)禮

      (中認(rèn)尚動(dòng)(上海)檢測(cè)技術(shù)有限公司, 上海 200233)

      引言

      智能照明時(shí)代已然拉開帷幕,LED照明不再單純的追求高能效和長(zhǎng)壽命,還對(duì)舒適度和智能化提出了新的要求,可調(diào)光調(diào)色LED燈具的應(yīng)用也越來越多??烧{(diào)光調(diào)色LED燈具一般可以對(duì)亮度和相關(guān)色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。亮度調(diào)節(jié)是在陰暗或明亮的環(huán)境下,增強(qiáng)或減弱LED燈具的亮度,增加舒適度;相關(guān)色溫的調(diào)節(jié)是根據(jù)用戶所需要的情景來改變色溫,例如休閑模式,更適合用低色溫(如3 000 K)的燈光,給人溫馨的感覺,工作模式則適合于高色溫(如5 000 K),使人更容易集中精神??烧{(diào)光調(diào)色LED燈具在不同的調(diào)光模式下,其藍(lán)光危害也不同。

      1 藍(lán)光視網(wǎng)膜危害

      目前的白光LED光源,大多是采用藍(lán)光磊晶上封裝黃色熒光粉,使藍(lán)光和黃光混合成白光,藍(lán)光波長(zhǎng)介于400~500 nm之間,而人眼視網(wǎng)膜在長(zhǎng)期受到藍(lán)光輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)損傷[1]。為了防止這種損傷,人眼受到的輻射不應(yīng)超過下述的藍(lán)光危害曝輻限值,即光譜輻亮度與藍(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后的藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB不應(yīng)超過下面式(1)、式(2)的限值:

      (J·m-2·sr-1)(t≤106s)

      (1)

      (W·m-2·sr-1)(t>104s)

      (2)

      式中:Lλ(λ,t),Lλ光譜輻亮度,單位為W·m-2·sr-1·nm-1;B(λ)藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù);Δλ波長(zhǎng)帶寬,單位為nm;t輻射持續(xù)時(shí)間,單位為s;B(λ)為藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)為恒值,其值見表1。

      表1 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)

      由式(1)、式(2)可知光譜輻亮度Lλ和輻射持續(xù)時(shí)間t決定了藍(lán)光危害,如果藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB超過100 W·m-2·sr-1,由式(1)可得其最大允許輻射持續(xù)時(shí)間tmax為式(3)。

      (3)

      根據(jù)IEC 62471—2006標(biāo)準(zhǔn),藍(lán)光視網(wǎng)膜危害等級(jí)分為無危險(xiǎn)類:在10 000 s內(nèi)不造成對(duì)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害;低危險(xiǎn)類:在100 s內(nèi)不造成對(duì)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害;中度危險(xiǎn)類:在0.25 s內(nèi)不產(chǎn)生視網(wǎng)膜藍(lán)光危害;以及高危險(xiǎn)類,即超過中度危險(xiǎn)限值。對(duì)于連續(xù)輻射燈危險(xiǎn)類的發(fā)射限見表2。

      表2 連續(xù)輻射燈各危險(xiǎn)類的發(fā)射限

      2 藍(lán)光測(cè)試一般條件

      測(cè)量輻亮度的裝置如圖1所示,將亮源成像到探測(cè)器上,具有一個(gè)圓形視場(chǎng)光闌,形成平均視場(chǎng)αeff的角度范圍,探測(cè)器上讀出在平均視場(chǎng)上的單位接收面積單位立體角內(nèi)的入射輻射功率φ(單位:W),在相同的位置和視場(chǎng)光闌下,使用小積分球來測(cè)量相對(duì)光譜分布圖。根據(jù)IEC/TR 62778—2014標(biāo)準(zhǔn),在測(cè)試燈具時(shí),一般測(cè)試條件為距離200 mm,視場(chǎng)角α=0.011 rad[2]。

      圖1 測(cè)量輻亮度的裝置Fig.1 Device for radiance measurement

      由式(1)可知,光譜輻亮度Lλ加權(quán)后求和得到輻亮度LB,不同的色溫對(duì)應(yīng)不同光譜輻亮度Lλ,如圖2藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)和不同色溫下相對(duì)光譜輻亮度Lλ的曲線圖,對(duì)于相同功率和封裝的LED模塊,其色溫越高,藍(lán)光危害越大[3]。以下選取兩種典型的可調(diào)光調(diào)色LED燈具,分別在不同調(diào)光模式下評(píng)估其藍(lán)光危害。

      圖2 藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)和不同色溫下相對(duì)光譜輻亮度Fig.2 Blue light hazard function & relative spectral radiance distribution of different CCT

      3 均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試

      本次選取一個(gè)可調(diào)光的LED吸頂燈做測(cè)試,燈具的光源腔用鉚釘固定,LED光源不可替換,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)整燈進(jìn)行測(cè)試[4],測(cè)試條件為距離200 mm,視場(chǎng)角α=0.011 rad。圖3為試樣照片和測(cè)試圖。此LED燈具為開關(guān)切換調(diào)光,使用了5 000 K和3 000 K同規(guī)格同數(shù)量同驅(qū)動(dòng)電流的兩種LED光源模塊,光輸出模式有三種,分別為黃光模式:僅3 000 K的LED模塊亮,額定輸入功率12 W;白光模式:僅5 000 K的LED模塊亮,額定輸入功率12W;全亮模式:LED模塊全亮,額定輸入功率24 W;燈具出光面為乳白色塑料透光罩,出光均勻,無斑狀光點(diǎn)。在測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的為圖4中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域,其直徑約為2.2 mm,輻亮度為此區(qū)域的平均值。分別在三種調(diào)光狀態(tài)下對(duì)此相同區(qū)域進(jìn)行藍(lán)光危害測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果見圖5相對(duì)光譜分布和表3藍(lán)光危害數(shù)據(jù)。

      圖3 均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED吸頂燈Fig.3 Dimmable LED ceiling lamp with uniform light-emitting surface

      圖4 藍(lán)光危害測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的區(qū)域Fig.4 Blue-light hazard testing area corresponding to visual angle 0.011rad

      圖5 不同調(diào)光模式下的相對(duì)光譜分布圖Fig.5 Relative spectral radiance distribution of different dimming modes

      表3的結(jié)果顯示,全亮模式輻亮度LB為黃光模式和白光模式之和,兩種色溫的LED模塊發(fā)出的光經(jīng)過乳白色的透光罩,在0.011 rad視場(chǎng)角內(nèi)形成新的均勻的亮源,全亮模式下的藍(lán)光危害是黃光和白光的疊加,所以在這種均勻出光的情況下,應(yīng)該選擇最高功率即全亮模式下來測(cè)試藍(lán)光危害,而不是選擇色溫最高的模式下進(jìn)行測(cè)試。

      表3 不同調(diào)光模式下的藍(lán)光危害

      4 非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試

      本次選取一個(gè)LED臺(tái)燈,燈具的光源腔為一次性卡扣密閉,LED光源不可替換,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)整燈進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試條件為距離200 mm,視場(chǎng)角α=0.011 rad。圖6為試樣照片和測(cè)試圖。此LED燈具為開關(guān)切換調(diào)光,使用了5 000 K和4 000 K同規(guī)格同數(shù)量同驅(qū)動(dòng)電流的兩種LED光源模塊,光輸出模式也有三種,分別為黃光模式:僅4 000 K的LED模塊亮,額定功率6 W;白光模式:僅5 000 K的LED模塊亮,額定功率6 W;全亮模式:LED模塊全亮,額定功率12 W;出光面為乳白色塑料透光罩,由于透光罩離LED光源比較近,LED光源在透光罩上形成了清晰的斑狀光點(diǎn),詳見圖7。在測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的為圖7中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域,其直徑約為2.2 mm,輻亮度為此區(qū)域的平均值[2]。在三種調(diào)光狀態(tài)下分別測(cè)試藍(lán)光危害,其測(cè)試結(jié)果見圖8相對(duì)光譜分布和表4藍(lán)光危害數(shù)據(jù)。

      圖6 非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED臺(tái)燈Fig.6 Dimmable LED desk lamp with non uniform luminous surface

      表4的結(jié)果顯示,全亮模式輻亮度LB不等于黃光模式和白光模式之和,且低于白光模式,全亮模式在白光的基礎(chǔ)下增加黃光,藍(lán)光危害反而降低了,檢測(cè)結(jié)果有悖常理。分析發(fā)現(xiàn)在全亮模式下,燈具的總功率雖然變大了,但對(duì)應(yīng)測(cè)試視場(chǎng)角區(qū)域內(nèi)的光源卻保持不變,即圖7中標(biāo)“1”的圓形區(qū)域,全亮模式與白光模式下的區(qū)域相同,對(duì)應(yīng)光源功率也相同,不同的是,測(cè)試視場(chǎng)角外增加了黃光的存在,從而改變了光譜輻亮度分布Lλ,見圖8中白光模式和全亮模式下的相對(duì)光譜分布明顯不同,由式(3)可知輻亮度LB會(huì)變小,得出錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。

      圖7 藍(lán)光測(cè)試中視場(chǎng)角0.011 rad對(duì)應(yīng)的區(qū)域Fig.7 Blue light hazard testing area corresponding to visual angle 0.011rad

      圖8 不同調(diào)光模式下的相對(duì)光譜分布圖Fig.8 Relativespectral radiance distribution of different dimming modes

      表4 不同調(diào)光模式下的藍(lán)光危害

      由于黃光LED光源和白光LED光源相隔很近,但又不夠同時(shí)分布在同一視場(chǎng)角內(nèi),即在測(cè)試距離200 mm時(shí),不能同時(shí)處于在直徑約為2.2 mm的測(cè)試區(qū)域內(nèi),黃光不可避免的作為雜散光干擾了輻亮度分布。

      為了真實(shí)的得到可調(diào)光調(diào)色LED燈具的藍(lán)光測(cè)試結(jié)果,避免因測(cè)試設(shè)備的局限性而使得測(cè)量結(jié)果發(fā)生偏差,在針對(duì)此類燈具的藍(lán)光測(cè)試時(shí),通過增加適當(dāng)?shù)墓怅@來避免視場(chǎng)角以外的雜散光對(duì)結(jié)果的干擾是很有必要的。本文在全亮模式中增加限制光闌,限制了標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試視場(chǎng)角以外的黃光干擾,如圖7中的全亮模式(增加光闌)所示。很明顯,在圖8的結(jié)果中顯示全亮模式(增加光闌)的光譜分布明顯發(fā)生了改變,與白光模式一致,表4測(cè)試結(jié)果顯示輻亮度LB與也與白光模式相近,均大于未加光闌的全亮模式。

      上述臺(tái)燈如果是用于讀寫作業(yè)臺(tái)燈[5],在全亮模式下直接測(cè)試時(shí),藍(lán)光危害LB小于100 W·m-2·sr-1,為無危害類,滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9473—2017《讀寫作業(yè)臺(tái)燈性能要求》[6]中藍(lán)光危害應(yīng)為無危害類的要求,但在白光模式和全亮模式(增加光闌)中藍(lán)光危害LB大于100 W·m-2·sr-1,藍(lán)光危害等級(jí)為低危險(xiǎn)類,不滿足讀寫作業(yè)臺(tái)燈藍(lán)光危害要求,為了避免這種誤判,測(cè)試時(shí)要充分考慮LED燈具不同的調(diào)光模式和出光口面的光分布情況。

      因此,對(duì)于非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具在進(jìn)行藍(lán)光危害測(cè)試時(shí),應(yīng)該避免視場(chǎng)外的雜散光干擾輻亮度分布,確保光譜輻亮度分布與視場(chǎng)中的待測(cè)光源相一致,可以選擇額外增加光闌的方式,或者選色溫最高的模式進(jìn)行測(cè)試。

      5 結(jié)論

      通過上述的試驗(yàn)對(duì)比,在針對(duì)不同類型的可調(diào)光調(diào)色LED燈具進(jìn)行藍(lán)光測(cè)試時(shí),應(yīng)該合理的選擇調(diào)光模式。對(duì)于均勻出光的可調(diào)光LED燈具,LED全亮下的藍(lán)光危害為黃光和白光之和,此時(shí)應(yīng)選擇全亮模式測(cè)試;對(duì)于非均勻出光的可調(diào)光調(diào)色LED燈具,LED全亮下的藍(lán)光危害不等于黃光和白光之和,測(cè)試時(shí)要通過增加光闌或其他方式來避免雜散光的干擾,使光譜輻亮度分布與視場(chǎng)中的待測(cè)光源相一致,才能得到準(zhǔn)確的藍(lán)光測(cè)試結(jié)果。

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