得邦-ED照明燈具向室內(nèi)照明產(chǎn)品發(fā)展的技術(shù)要求

LED照明燈具向室內(nèi)照明產(chǎn)品發(fā)展的技術(shù)要求:光譜和光生物安全橫店得邦照明股份有限公司吳一新梁培張軍摘要：文章主要論述了氣氛照明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)以及氣氛照明對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?，重點(diǎn)論述了如何通過(guò)采用大功率LED照明技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的氣氛照明。關(guān)鍵詞：氣氛照明；半導(dǎo)體照明二維光源；大功率LED；1引言LED照明市場(chǎng)商機(jī)巨大，發(fā)展空間廣闊。LED照明燈具應(yīng)用已經(jīng)從過(guò)去室外景觀照明LED發(fā)展向室內(nèi)照明應(yīng)用。據(jù)分析未來(lái)五年內(nèi)LED室內(nèi)照明的發(fā)展將有指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)。2011年其產(chǎn)值將高達(dá)數(shù)百億美元。尤其是2009年歐盟率先實(shí)施禁用白熾燈計(jì)劃，以及節(jié)能議題備受關(guān)注，造就了LED室內(nèi)照明巨大的市場(chǎng)機(jī)遇和樂(lè)觀的前景。 高功率LED照明燈具的發(fā)展取決于兩大元素：一是芯片本身；二是燈具技術(shù)，包含散熱、光學(xué)、驅(qū)動(dòng)。首先是芯片，目前，LED芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于基底材料和外延生長(zhǎng)技術(shù)。基底材料由傳統(tǒng)的藍(lán)寶石材料、矽和碳化矽，發(fā)展到氧化鋅、氮化鎵等新材料。無(wú)論是面向重點(diǎn)照明和整體照明的高功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡(jiǎn)單的輔助照明的低功率芯片，技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵都關(guān)乎如何開(kāi)發(fā)出更高效、更穩(wěn)定的芯片。在短短數(shù)年內(nèi)，借助于包括芯片結(jié)構(gòu)、表面粗化處理和多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在內(nèi)的一系列技術(shù)改進(jìn)，LED在光效方面實(shí)現(xiàn)了巨大突破。薄膜芯片技術(shù)是超亮LED芯片生產(chǎn)中的核心技術(shù)，能夠減少各側(cè)面的光輸出損耗，并能借助底部的反射面使97%以上的光線從正面輸出。這不僅顯著提高LED的光效，還為透鏡設(shè)計(jì)創(chuàng)造了優(yōu)越的便利條件。 其實(shí)從LED照明燈具的發(fā)展以來(lái)人們一直關(guān)注它的使用壽命，若僅僅依靠使用低熱阻的LED元件是未能為燈具裝置構(gòu)建良好的散熱系統(tǒng)，而必須有效地減小從PN節(jié)點(diǎn)到周?chē)h(huán)境的熱阻，才能大大降低LED的PN節(jié)點(diǎn)溫度，而成功實(shí)踐延長(zhǎng)LED燈具的使用壽命并提高實(shí)際光通量的目標(biāo)。別于一般傳統(tǒng)燈具，印刷電路板既是LED的供電載體，也是LED的散熱載體，所以散熱片和印刷電路板的散熱設(shè)計(jì)十分重要。除此之外，燈具制造商還須考慮散熱材料的品質(zhì)、厚度和尺寸以及散熱接口的處理和連接等因素。 LED照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)方面，與傳統(tǒng)燈具比較，定向性和點(diǎn)光源是LED最典型的特點(diǎn)也是燈具光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。通過(guò)LED的二元光學(xué)設(shè)計(jì)，LED燈具能達(dá)到更好的配光曲線。正如目前LED照明燈具發(fā)展應(yīng)用市場(chǎng)最大的室內(nèi)照明的光線需要十分的明亮，則可使用高透光率燈罩提高光提取效率?；蚴菍?dǎo)光板技術(shù)應(yīng)用到燈具中，從而將LED點(diǎn)光源更改為面光源，不但能提高燈具的配光均勻度，還可以防止眩光。也可以配合一些聚光透鏡或反射器使用來(lái)突出照亮的物體的聚光效果實(shí)現(xiàn)實(shí)理想的光學(xué)效果。 高功率LED照明的技術(shù)挑戰(zhàn)，即使LED在室內(nèi)重點(diǎn)照明和裝飾照明應(yīng)用中已有令人滿意的表現(xiàn)，但是在普通照明和氛圍照明應(yīng)用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括初置成本、色溫較低時(shí)的光效、顯色指數(shù)和系統(tǒng)可靠性等。成本是室內(nèi)照明中相對(duì)比較敏感的因素，特別是在家居照明應(yīng)用中。盡管LED燈型號(hào)越來(lái)越多，光效也在不斷提高，但是價(jià)格高這個(gè)問(wèn)題仍然存在。但是當(dāng)LED光源價(jià)格降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化，總成本就必然下降。 LED燈具提高低色溫時(shí)的光效4,000K以下的低色溫通常是室內(nèi)家居照明的首選。暖白光令整個(gè)環(huán)境更加溫暖和放松；而冷白光則給人潔凈、高效、明亮的感覺(jué)，較適用于辦公室和室外照明。LED燈具的延長(zhǎng)使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性。在一般照明應(yīng)用中，LED的整體效率、使用壽命和可靠性必須通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化才能得以提升。LED光源：緊湊、高效，有多種顏色和輸出功率可供選擇。電源轉(zhuǎn)換：將交流電、電池和其他電源高效轉(zhuǎn)換為安全的低電壓、恒流電源?？刂坪万?qū)動(dòng)：使用電子電路實(shí)現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動(dòng)和控制。熱管理：若要達(dá)到更長(zhǎng)的使用壽命，控制LED節(jié)點(diǎn)溫度顯得十分重要，散熱分析也不可或缺。光學(xué)元件：透鏡、反射器或?qū)Ч獍宀牧鲜菍⒐饩€聚焦在目的地區(qū)域必需的光學(xué)元件。 隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展以及LED光效的逐步提高，LED的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。特別是隨著全球性能源短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注LED在照明市場(chǎng)的發(fā)展前景，LED將是取代白熾燈、鎢絲燈和螢光燈的潛力光源。此外，在室內(nèi)燈具設(shè)計(jì)方面，LED將趨向節(jié)能化、人性化和藝術(shù)化。在人造光出現(xiàn)以前，人類(lèi)日出而作，日落而息，基本上過(guò)著與太陽(yáng)光同步的生活。后來(lái)，隨著“火”特別是人工取火的出現(xiàn)，用火來(lái)照明是人類(lèi)歷史上的一次重大進(jìn)步。一百多年前愛(ài)迪生等人發(fā)明了電燈，人類(lèi)開(kāi)始在人造燈光下工作和生活，可以自主地決定自己的作息時(shí)間，從而擺脫了必須與太陽(yáng)光同步的生活規(guī)律。可以說(shuō)照明與人們的生活息息相關(guān)，但一直以來(lái)，人類(lèi)主要關(guān)注的是照明的功能性，即是亮還是暗，對(duì)光環(huán)境對(duì)人類(lèi)生理和心理的影響卻少有研究。近幾年來(lái)，隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)照明的要求早就過(guò)了為照亮而照明的初級(jí)階段，開(kāi)始更多地關(guān)注照明對(duì)環(huán)境及對(duì)人們心理、生理的影響。除了節(jié)能以外，越來(lái)越多的人還想方設(shè)法利用燈光營(yíng)造出和諧、靜謐、溫馨的起居環(huán)境，于是“氣氛照明”的概念應(yīng)運(yùn)而生。由于傳統(tǒng)光源受其自身的發(fā)光原理和功能限制，很難被用來(lái)實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又有效的氣氛照明。而高光通量全彩LED的出現(xiàn)，使氣氛照明成為可能。2光的生物功能2.1人眼的感光細(xì)胞長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為在我們的視網(wǎng)膜上只有錐狀和桿狀兩種感光細(xì)胞，分別在明視覺(jué)和暗視覺(jué)時(shí)起作用。這兩種感光細(xì)胞對(duì)光的靈敏度隨波長(zhǎng)而變化。錐狀細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)為555nm的光最靈敏，而桿狀細(xì)胞的最大靈敏度發(fā)生在507nm。在2002年以前，我們只認(rèn)識(shí)到光給了我們視覺(jué)（成像）——讓我們看到了周?chē)拇笄澜?，這就是視覺(jué)系統(tǒng)（visionsystem）的功效。2.2司辰視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)2002年，美國(guó)Brown大學(xué)的DavidBerson現(xiàn)了一種新的感光細(xì)胞，它是視網(wǎng)膜上的神經(jīng)結(jié)細(xì)胞。與錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞相似，這種視網(wǎng)膜神經(jīng)結(jié)細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的，它的光譜靈敏度曲線峰值波長(zhǎng)位于460nm的藍(lán)光附近。但是與前兩種感光細(xì)胞不同，這第三種感光細(xì)胞與視覺(jué)并無(wú)關(guān)系。它不是連接到腦皮層，而是直接聯(lián)系到下丘腦的松果體，亦即人體的生物鐘，從而影響人的生物功能。這就是司辰視覺(jué)系統(tǒng)。它的發(fā)現(xiàn)被列為2002年世界十大發(fā)現(xiàn)之一。因此，眼睛接受了光線，有兩個(gè)通道：成像視覺(jué)和非成像視覺(jué)（司辰視覺(jué)系統(tǒng)）。成像視覺(jué)通道和非成像視覺(jué)通道如圖所示。2.3司辰視覺(jué)系統(tǒng)的意義清晨，周?chē)墓猸h(huán)境處于高色溫的狀態(tài)，藍(lán)色光的成分比較豐富，刺激著視網(wǎng)膜上的神經(jīng)結(jié)細(xì)胞，使我們體內(nèi)皮質(zhì)醇的濃度增高，并抑制褪黑色素的分泌。此時(shí)，我們的身體就充滿了活力，精力充沛地開(kāi)始一天的工作。到黃昏時(shí)，周?chē)墓猸h(huán)境逐漸變?yōu)榈蜕珳氐臓顟B(tài)，藍(lán)色光的成分很少，體內(nèi)皮質(zhì)醇的分泌減少，褪黑色素的濃度增高，因而我們漸漸感到疲勞，需要休息和睡眠。在“三班倒”的人員中，使用不同的藍(lán)光照射后，可以明顯改變?cè)瓉?lái)的不適應(yīng)狀態(tài)，身體能很快地適應(yīng)過(guò)來(lái)；患老年癡呆癥的病人，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間不同燈光的照射后，病情會(huì)得到明顯的好轉(zhuǎn)；尤其像費(fèi)俊龍、聶海勝這樣經(jīng)過(guò)航天飛行后的人，在有規(guī)律的燈光照射下，能迅速適應(yīng)當(dāng)時(shí)的時(shí)辰。2.4司辰視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)照明的要求在高樓林立的現(xiàn)代都市里，人們工作、學(xué)習(xí)和生活的大部分時(shí)間都是在燈光下度過(guò)的，照明質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到人們的身心健康、學(xué)習(xí)和工作的效率。目前，大部分消費(fèi)者對(duì)照明產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)僅停留在“能亮就行”或“能省電就好”等初級(jí)層面上，對(duì)更高層次“氣氛照明”的認(rèn)識(shí)還處于朦朧狀態(tài)。照明必須滿足人的心理需求，如色彩、色溫、照度對(duì)人情緒的影響；光與環(huán)境的和諧；如何利用照明渲染氣氛等。在我們?nèi)粘Ｉ罾锩妫境揭曈X(jué)系統(tǒng)已經(jīng)扮演了重要的角色：商店中采用色彩照明，可以激發(fā)顧客的購(gòu)買(mǎi)欲望，銷(xiāo)售結(jié)果比原先采用熒光燈時(shí)好；辦公室采用可調(diào)節(jié)光色的燈具，根據(jù)需要適時(shí)改變光色，可提高辦公效率；客廳和臥室采用氣氛照明，可以提高生活情趣，并有效地改善睡眠。司辰系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)要求我們必須對(duì)照明進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，對(duì)照明的一些評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。究竟接受多少光及接受什么樣的光才能啟動(dòng)司辰視覺(jué)？既然司辰系統(tǒng)這種現(xiàn)象有很多應(yīng)用，那么應(yīng)該怎樣定性和定量研究？隨著半導(dǎo)體照明的出現(xiàn)，對(duì)照明系統(tǒng)表征參數(shù)進(jìn)行深入研究是非常重要和必要的。3半導(dǎo)體照明與氣氛照明3.1對(duì)氣氛照明的探索人類(lèi)司辰視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，要求我們?cè)诳疾煺彰髻|(zhì)量的時(shí)候，不僅僅要關(guān)心其亮度，更要關(guān)心其光譜分布和相對(duì)強(qiáng)度分布，關(guān)心不同的光譜分布對(duì)人們的心情和心理狀態(tài)的影響。氣氛照明就是對(duì)亮度的強(qiáng)弱、色彩的改變、色溫的高低都可以進(jìn)行智能控制的照明。傳統(tǒng)照明只關(guān)心其照度分布，而氣氛照明在關(guān)心其照度分布的同時(shí)，更關(guān)心照明效果給人們帶來(lái)的心理感受。傳統(tǒng)光源由于其發(fā)光原理的限制，其色溫和色彩很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，因此在實(shí)現(xiàn)氣氛照明方面遇到了不可逾越的技術(shù)障礙。采用傳統(tǒng)光源實(shí)現(xiàn)氣氛照明系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：（１）白熾燈、氣體放電燈等傳統(tǒng)光源很難調(diào)節(jié)色彩和色溫；（２）采用傳統(tǒng)光源的氣氛照明系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的光效，需要安裝大量的燈具系統(tǒng)，成本高、系統(tǒng)復(fù)雜；（３）采用傳統(tǒng)光源的燈具體積大，不能與周?chē)ㄖ铜h(huán)境實(shí)現(xiàn)一體化，不能達(dá)到見(jiàn)光不見(jiàn)燈的效果；（４）采用傳統(tǒng)光源的氣氛照明系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)不同照明氣氛的漸變，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的不斷變化，需要頻繁地啟動(dòng)、關(guān)斷，開(kāi)關(guān)沖擊會(huì)對(duì)光源造成損害，并將大大縮短光源的使用壽命。國(guó)外某照明公司雖然已開(kāi)發(fā)出用于氣氛照明的燈具和控制器件，但其基本思想是在燈具中同時(shí)采用高低色溫的兩種高顯色性的Ｔ５熒光燈，通過(guò)控制器件調(diào)節(jié)高低色溫的兩種熒光燈的光輸出，從而產(chǎn)生照度和色溫變化的效果，分別發(fā)出紅光、綠光和藍(lán)光的彩色熒光燈也可以作為氣氛照明的光源。但由于熒光燈本身的缺陷，氣氛照明的效果并不理想。３.２半導(dǎo)體照明二維光源在未來(lái)氣氛照明中的應(yīng)用由此看來(lái)，隨著人們對(duì)司辰視覺(jué)認(rèn)識(shí)的不斷深入，設(shè)計(jì)照明時(shí)一定要注意如何更好地運(yùn)用司辰系統(tǒng)的作用。高光通量全彩LED的廣泛應(yīng)用，使氣氛照明變得非常簡(jiǎn)便。LED照明光源色彩飽和度高，而且目前紅、綠、藍(lán)三基色的大功率LED技術(shù)已經(jīng)成熟，加之對(duì)LED的發(fā)光進(jìn)行控制非常方便，采用高光通量LED光源的氣氛照明，必將給人類(lèi)的照明觀念和照明文化帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。隨著LED光效的提高和成本的降低，LED將是氣氛照明的首選光源。大功率LED作為固體照明光源有很大發(fā)展空間，但由于現(xiàn)階段其成本較高，直接影響了大功率LED在普通照明市場(chǎng)的應(yīng)用和推廣。因此現(xiàn)階段充分發(fā)揮LED在色彩飽和多變、易于實(shí)現(xiàn)控制、可任意調(diào)光等方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出適用于氣氛照明的高端照明產(chǎn)品是比較正確的發(fā)展方向。南京漢德森科技股份有限公司在該領(lǐng)域已從事了大量開(kāi)拓性的工作，目前已成功開(kāi)發(fā)出了基于COB（ChipOnBoard）的大功率LED二維光源和用于氣氛照明的半導(dǎo)體照明燈具，通過(guò)控制裝置可以隨著季節(jié)、心情的變化而任意調(diào)節(jié)燈光的顏色和色溫，并完成了包括娛樂(lè)模式、冬季照明模式、夏季照明模式、家庭就餐模式等多種情景模式的設(shè)計(jì)，將氣氛照明推向更高境界。與傳統(tǒng)封裝形式相比，由于LED二維光源有