CN103411145A - 一种四通道健康led照明系统的设计方法 - Google Patents

一种四通道健康led照明系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四通道LED健康照明系统设计的方法，主要特点在于用红光LED、绿光LED、蓝光LED及琥珀光LED混光得到白光LED，通过计算机模拟计算得到最佳的光通量比例。在此基础上，针对蓝光LED及绿光LED，对其光通比例进行下调，从而降低组合白光中蓝光成分的含量，降低组合白光带来的蓝光伤害。在降低组合白光带来的蓝光伤害的同时，保持其显色性指数Ra保持在90以上。

Description

一种四通道健康LED照明系统的设计方法
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种四通道LED健康照明系统的设计方法。
背景技术
可见光除了让人眼产生视觉，还可能引起眼睛视网膜的蓝光伤害。人类眼睛视网膜上的视杆细胞及视网膜色素上皮细胞（RPE）受到蓝光长时间照射会引起光损伤，老年性黄斑变性的发病与此有关。蓝光的波长范围是400-500nm，与人体的生理健康有密切关系。
为了防止长时间受到蓝光辐射的视网膜产生光化学损伤，国标《GB/T 20145-2006 灯和灯系统的光生物安全性》对光源中蓝光伤害的有效辐射量进行了限值。蓝光伤害有效辐射值由光谱辐射亮度与蓝光危害函数B(λ)加权积分计算得到。标准中规定，对于边角小于0.011弧度的小型光源，眼睛的光谱辐照度Eλ与蓝光危害函数B(λ)加权积分后不应该超出下面的限值：
Figure 2013103429118100002DEST_PATH_IMAGE002
  
Figure 2013103429118100002DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
      
Figure DEST_PATH_IMAGE008
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
——光谱辐照度，单位为W·m-2·nm-1；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
——蓝光危害加权函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
——波长带宽，单位为nm；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
——辐射持续时间，单位为s。
发光二极管（LED）以其高光效、长寿命、点光源、易调光、快速启动、机械性能强等优点，在照明、显示、背光等领域得到广泛的应用。
目前白光LED主要是靠450-455nm波长的蓝光芯片激发荧光粉产生，或由多种单色光或白光LED混光产生。目前市场上，不少LED灯具都存在蓝光溢出问题。另外，LED点亮的时间越长，光源中的荧光粉衰减越快，结果就会导致人眼受到的蓝光波段的光照越来越强烈。日积月累，人眼的视网膜会受到伤害。
根据国标中对蓝光危害限值的计算方法，需要对光源与人眼的距离进行假设。在本发明中，用每千流明光通量中的蓝光加权辐射功率来表征光源带来的蓝光伤害。
发明内容
本发明的目的在于提出一种四通道LED照明系统的设计方法。本发明基于红色、绿色、蓝色、琥珀色LED组合成白光LED的原理，通过调节各成分光的比例，使得组合得到的白光的显色性指数Ra大于90，同时减少蓝光成分对身体带来的生理伤害。
本发明主要采用以下技术方案来实现，通过红色、绿色、蓝色、琥珀色四种单色光LED发光比例的调节来实现，具体步骤如下：
步骤一：获取四种单色光LED的光谱功率分布曲线，通过模拟计算，得到四种单色光LED的光通比例；选取满足约束条件的光通比例；所述四种单色光LED分别为红色、绿色、蓝色和琥珀色，约束条件有：
（1）根据要求，将组合白光的色温设定在色温区间内；
（2）控制组合白光的显色性指数Ra大于90；
（3）在满足约束条件（1）及约束条件（2）的前提下，组合白光的光源辐射发光效率LER取最大值；
步骤二：在步骤一得到的结果的基础上，调整蓝光LED及绿光LED的光通量，在保证组合白光的显色性指数Ra大于90的前提下，减小组合白光中蓝光波段的比重；由于减少了蓝光波段的比重，组合白光的色温也会发生变化；
步骤三：将红光LED与红光控制电路相连、将绿光LED与绿光控制电路相连、将蓝光LED与蓝光控制电路相连、将琥珀光LED与琥珀色控制电路相连；
步骤四：根据步骤二得到的最终红光LED、绿光LED、蓝光LED和琥珀光LED的发光比例，配合LED芯片的光通量与驱动电流的关系，确定红光LED、绿光LED、蓝光LED、琥珀光LED各自控制电路的驱动电流；
步骤五：根据步骤四得到的红光LED、绿光LED、蓝光LED和琥珀光LED控制电路的驱动电流，对四种单色光的控制电路分别施加对应的驱动电流，从而得到组合白光。
本发明中，所述红光LED的峰值波长为630nm-650nm；所述绿光LED峰值波长为500nm-510nm；所述蓝光LED的峰值波长为450nm-460nm；所述琥珀光LED的峰值波长为590nm-600nm。
本发明中，组合白光需要一颗或以上红光LED，一颗或以上绿光LED，一颗或以上蓝光LED，一颗或以上琥珀光LED，各光色LED的具体数量由组合白光的光通量及每种光色LED的光通比例来确定。
本发明针对由多种单色光LED混合产生白光LED的方法，提出了一种设计四通道LED健康照明系统的方法，主要特点在于在保证混合白光具有较高显色性指数Ra及较高光源辐射发光效率LER的同时，尽量减小蓝光成分的比重，从而降低蓝光伤害。
本发明与现有的组合白光LED方法相比，具有如下优点：
1)  首先进行模拟计算，寻找红光、绿光、蓝光、琥珀光的最佳比例，使得组合白光具有较高显色性指数，便捷、快速；
2)  若组合白光用到的四种成分光发生变化，在理论计算时，只需更改成分光的光谱便可再次计算得到新的最佳比例；
3)  在约束条件中可以定义特定的色温区间，获得此色温区间内的组合白光；
4)  根据各成分光LED的光通与驱动电流的关系确定各LED控制电路的电流，在物理实现组合白光时也较便捷；
5)  组合得到的白光的显色性指数Ra在90以上，显色性较好；
6)  最大程度地降低了LED中的蓝光波段可能对人体带来的伤害；
7)  下调了蓝光成分的含量，从明视觉函数V（λ）可知，使得组合白光LED的LER得到了提升。
附图说明
图1是本发明中所述的11时日光的相对光谱分布示意图；
图2是本发明中所述的红光LED的相对光谱分布示意图；
图3是本发明中所述的绿光LED的相对光谱分布示意图；
图4是本发明中所述的蓝光LED的相对光谱分布示意图；
图5是本发明中所述的琥珀光LED的相对光谱分布示意图；
图6是本发明中所述的红光LED控制电路、绿光LED控制电路、蓝光LED控制电路及琥珀光LED的控制电路示意图；
图7是本发明中所述的合成白光的相对光谱分布示意图；
图8是本发明中所述的降低蓝光危害之后的合成白光相对光谱分布示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做详细说明，在此本发明的示意图以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。在阅读了本发明说明的方法后，对本发明进行改动，这些等价形式同样在本权利要求书说限定的范围之内。
实施例1：
采用的红光LED的相对光谱功率分布如图2所示，其峰值波长为635nm，光谱半高宽为20nm；绿光LED的相对光谱功率分布如图3所示，其峰值波长为507nm，光谱半高宽为66nm；蓝光LED的相对光谱功率分布如图4所示，其峰值波长为450nm，光谱半高宽为30nm；琥珀光LED的相对光谱功率分布如图5所示，其峰值波长为595nm，光谱半高宽为81nm。
红色、绿色、蓝色、琥珀色四种光色LED的连接方式如图6所示。
根据上述红色、绿色、蓝色、琥珀色四种光色LED的相对光谱功率分布曲线，通过计算机模拟计算，可以得到红光、绿光、蓝光、琥珀光的光通百分比如表1所示：
表1： 红、绿、蓝、琥珀色LED光通百分比
LED颜色 红色 绿色 蓝色 琥珀色
光通百分比 4.2% 44.3% 1.8% 49.6%
CCT（K） LER（lm/W） Ra PB （W/klm）  
5900 294.2 91.1 0.78  
根据表1光通百分比组合得到的白光LED的光谱功率分布如图7所示。得到的组合白光的色温为5900K，显色性指数Ra达到91.1，光源辐射发光效率LER为294.2。根据国标《GB/T 20145-2006 灯和灯系统的光生物安全性》中的计算方法可以得到组合白光的每千流明光通量中的蓝光加权辐射功率为0.78W/lm。根据标准中对蓝光加权辐照度应小于1W/m2。在本例中，蓝光加权辐照度等于1W/m2时，接收面的照度达到1280lx。
为了降低合成白光的蓝光辐射伤害，在表一的基础上减少蓝光、绿光LED的光通百分比，但同时保证合成白光的显色性指数Ra在90以上。通过计算，可以得到，在红光、绿光、蓝光、琥珀色LED的光通百分比为表2中所示的值时，组合白光的每千流明光通量中的蓝光加权辐射功率降低至0.64，且此时组合白光的显色性指数Ra为91.0，光源辐射发光效率LER为306.7。此时，合成白光的光谱如图8所示。
表2 降低蓝光成分后各光色LED的光通百分比
LED颜色 红色 绿色 蓝色 琥珀色
光通百分比 4.5% 40.8% 1.4% 53.3%
CCT（K） LER（lm/W） Ra PB （W/klm）  
5000 306.7 91.0 0.64  
根据红光、绿光、蓝光、琥珀光LED的驱动电流与光通的关系，可以计算得到红光、绿光、蓝光、琥珀光LED所需要的驱动电流。根据图6所示的LED控制电路，调整四种光色LED的驱动电流，就可以得到具有高显色性指数，同时蓝光伤害指数较低的组合白光。

Claims (3)

1.一种四通道LED健康照明系统设计的方法，其特征在于，通过红色、绿色、蓝色、琥珀色种单色光LED发光比例的调节来实现，具体步骤如下：
步骤一：获取四种单色光LED的光谱功率分布曲线，通过模拟计算，得到四种单色光LED的光通比例；选取满足约束条件的光通比例；所述四种单色光LED分别为红色、绿色、蓝色和琥珀色，约束条件有：
（1）根据要求，将组合白光的色温设定在色温区间内；
（2）控制组合白光的显色性指数Ra大于90；
（3）在满足约束条件（1）及约束条件（2）的前提下，组合白光的光源辐射发光效率LER取最大值；
步骤二：在步骤一得到的结果的基础上，调整蓝光LED及绿光LED的光通量，在保证组合白光的显色性指数Ra大于90的前提下，减小组合白光中蓝光波段的比重；由于减少了蓝光波段的比重，组合白光的色温也会发生变化；
步骤三：将红光LED与红光控制电路相连、将绿光LED与绿光控制电路相连、将蓝光LED与蓝光控制电路相连、将琥珀光LED与琥珀色控制电路相连；
步骤四：根据步骤二得到的最终红光LED、绿光LED、蓝光LED和琥珀光LED的发光比例，配合LED芯片的光通量与驱动电流的关系，确定红光LED、绿光LED、蓝光LED、琥珀光LED各自控制电路的驱动电流；
步骤五：根据步骤四得到的红光LED、绿光LED、蓝光LED和琥珀光LED控制电路的驱动电流，对四种单色光的控制电路分别施加对应的驱动电流，从而得到组合白光。
2.根据权利要求1所述的四通道LED健康照明系统设计的方法，其特征在于所述红光LED的峰值波长为630nm-650nm；所述绿光LED峰值波长为500nm-510nm；所述蓝光LED的峰值波长为450nm-460nm；所述琥珀光LED的峰值波长为590nm-600nm。
3.根据权利要求1所述的四通道LED健康照明系统设计的方法，其特称在于，组合白光需要一颗或以上红光LED，一颗或以上绿光LED，一颗或以上蓝光LED，一颗或以上琥珀光LED，各光色LED的具体数量由组合白光的光通量及每种光色LED的光通比例来确定。
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