CN112255783A - 光健康的多波长白光led设计方法及其照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光健康的多波长白光LED设计方法及其照明系统，该方法获取满足目标色温的色坐标点的不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED的发射光谱能量比例；然后获取发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系，进而获得目标色温和指定显色指数下的优化发射光谱能量比例；再对红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED均采用脉冲宽度调制调光，使它们的发射光谱能量比例达到优化发射光谱能量比例；最后进行混色得到白光LED照明系统；优点是利用混色设计优化LED光源的光谱，使白光LED照明系统在保持相同色温、相同显色指数的情况下，能够有效提高节律作用效率和褪黑素抑制指数。

Description

光健康的多波长白光LED设计方法及其照明系统

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，尤其是涉及一种光健康的多波长白光LED设计方法及其照明系统。

背景技术

人类的生活受到昼夜生理节律的影响。生理节律是人体一天之内各种生理参数的生理循环，是人类在长期进化的过程中保存下来的适应性特征。当生理节律发生破坏，人们就会面临生理功能、神经行为认知功能和睡眠质量低下的状况，从而严重影响人体的健康。生理节律会随着外界环境(比如光照)的改变而改变，当人体受到光照时，人体内的生物钟系统将导引并启动从光信号到生理信号的连锁放大过程，从而调节人的行为和生理活动，参见孙大鹏提出的光照对人的生理节律的影响(灯与照明，2005，29(1):31-33.)。生理节律方面的研究显示：在哺乳动物中，光通过激活眼睛视网膜下丘脑束来调节生理节律，负责人体的非视觉生物效应，它与人脑的生物钟系统连接，通过光信号抑制来调节松果体的褪黑激素分泌以及人体内的皮质醇、体温等生理参数的变化，从而调节人体的睡眠、警觉、情绪、认知、免疫等功能，即参与生理节律的调控，参见杨春宇、梁树英、张青文提出的调节人体生理节律的光照治疗(照明工程学报，2012，23(5):4-17.)。

因此，光不仅能够满足人的视觉需求，而且也是最重要的生理节律调节因子。但是，光对生理节律系统和视觉系统的作用机理是不一样的。目前，国外的一些研究用生理节律作用因子(circadian action factor，CAF)(参见Oh J H,Yang S J,Do Y R.Healthy,natural,efficient and tunable lighting:four-package white LEDs for optimizingthe circadian effect,color quality and vision performance[J].Light:Science&Applications,2014,3:e141.(健康自然、高效可调的照明：优化了节律效应、颜色品质和视觉性能的四基色白光LED，《光：科学与应用》期刊)和Zukauskas A,VaicekauskasR.Tunability of the circadian action of tetrachromatic solid-state lightsources[J].Applied Physics Letters,2015,106:041107.(四基色半导体光源对生理节律的调节作用，《应用物理快报》期刊))或褪黑素抑制指数(melatonin suppressionindex，MSI)(参见Aube M,Roby J,Kocifaj M.Evaluating potential spectral impactsof various artificial lights on melatonin suppression,photosynthesis,and starvisibility[J].PLoS One,2013,8(7):e67798.(评价不同人造光源光谱对褪黑素抑制、光合作用以及星体能见度的影响，《公共科学图书馆·综合》期刊)和Sano I,Tanito M,OkunoT,et al.Estimation of the melatonin suppression index through clear andyellow-tinted intraocular lenses[J].Japanese Journal of Ophthalmology,2014,58:320-326.(评估透明人眼晶状体和黄变晶状体的褪黑素抑制指数，《日本眼科学报》期刊))来表征光对人体生理节律的影响。当光源的节律作用效率或褪黑素抑制指数比较高时，光源对人体产生的节律效应就越显著，人就越清醒，学习和工作效率也相应提高。因此，对于与人类生活息息相关的光源，有必要根据光源的实际应用需求，对光源的非视觉生物效应进行优化。比如，当白天人们在办公室上班的时候，除了要提升室内灯光环境，使人感到舒适愉悦外，还非常有必要提高光源的节律作用效率，使员工能更好更有效的工作。

但是，目前对于光源的非视觉生物效应很少有定量化的研究。普通照明用的两基色白光LED，即蓝光芯片激发荧光粉混色的白光LED，也不考虑光健康的指标性能。有些研究通过对灯光亮度和色温的控制，改变人的视觉感受，但亮度和色温并不与节律效应曲线有直接对应关系，这些光源的设计并没有从光生物学角度考虑人体的健康。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光健康的多波长白光LED设计方法及其照明系统，该设计方法采用四种不同峰值波长的单色光源混色设计得到白光LED照明系统，该白光LED照明系统能够在保持相同色温和相同显色指数的情况下，具有高的节律作用效率和高的褪黑素抑制指数，且该白光LED照明系统用于室内照明时能够有效提高人们的学习和工作效率，更符合人体的健康需求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光健康的多波长白光LED设计方法，其特征在于采用不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源混色生成具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的白光LED照明系统，具体步骤如下：

步骤1：设定待设计的白光LED照明系统所需要的目标色温；然后在CIE 1931色域空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的色坐标点；接着利用奇异值方程求解满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的发射光谱能量比例，得到多种不同的发射光谱能量比例；再按照每种发射光谱能量比例，对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED进行混色，得到每种发射光谱能量比例下的白光光源；其中，红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的峰值波长不同；

步骤2：计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，将任一种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数对应记为Υ_C,v、MSI和XS；

步骤3：根据所有发射光谱能量比例及每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，得到发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系；然后根据发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系，获得目标色温和指定显色指数下高节律作用效率对应的优化发射光谱能量比例；

步骤4：对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED均采用脉冲宽度调制调光，改变各自的光输出强度，使它们的发射光谱能量比例达到步骤3中所获得的优化发射光谱能量比例；然后根据已调光的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED进行混色设计，设计得到光健康的白光LED照明系统，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

所述的步骤2中，

其中，Υ_C,v的单位为W/klm，λ为波长变量，Φ(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的光谱能量分布，C(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的节律效应的光谱光效率曲线，V(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率函数，K_m表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率的最大值，M(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的褪黑素抑制的光谱光效率曲线，Φ_n(λ)表示Φ(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布，

Φ_n(D65)(λ)表示D65光源的光谱能量分布Φ_D65(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布。

所述的步骤1中，红光LED的峰值波长为610～670nm，绿光LED的峰值波长为500～540nm，蓝光LED的峰值波长为440～480nm，黄光LED的峰值波长为580～600nm。

一种上述的光健康的多波长白光LED设计方法设计得到的白光LED照明系统，其特征在于由不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源，并按照在目标色温和指定显色指数下得到的优化发射光谱能量比例混色而成，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

所述的红光LED的峰值波长为610～670nm，所述的绿光LED的峰值波长为500～540nm，所述的蓝光LED的峰值波长为440～480nm，所述的黄光LED的峰值波长为580～600nm。

所述的黄光LED为黄光芯片封装得到，或为芯片激发黄光荧光粉得到；所述的黄光LED的光谱的全值半宽度为15～130nm。

所述的目标色温的调节范围为2000～10000K。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过对红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色，并根据红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系，获得目标色温和指定显色指数下的优化发射光谱能量比例，利用该优化发射光谱能量比例可以得到高节律作用效率、高褪黑素抑制指数的光健康的白光LED照明系统，将该白光LED照明系统用于室内照明时能够有效提高人们的学习和工作效率，更符合人体的健康需求。

2)本发明利用奇异值方程求解满足目标色温所对应的色坐标点的四原色红光LED、绿光LED和蓝光LED及黄光LED的发射光谱能量比例，再计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率和褪黑素抑制指数这两项参数，用来定量表征光对人体生理节律和健康的影响，计算过程简便实用，根据计算结果就可准确的设计出实际产品。

3)本发明设计得到的白光LED照明系统，与普通的两基色白光LED相比，节律作用效率提高了25％以上。

附图说明

图1为实施例一选用的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的相对光谱功率分布示意图；

图2为实施例一选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与节律作用效率之间的曲线关系示意图；

图3为实施例一选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与褪黑素抑制指数之间的曲线关系示意图；

图4为实施例一选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系示意图；

图5为利用本发明方法设计的目标色温为4000K和几种典型显色指数(CRI)下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的光健康的白光LED照明系统的相对光谱功率分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种光健康的多波长白光LED设计方法，其采用不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源混色生成具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的白光LED照明系统，具体步骤如下：

步骤1：设定待设计的白光LED照明系统所需要的目标色温；然后利用现有技术在CIE 1931色域空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的色坐标点；接着利用现有的奇异值方程求解满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的发射光谱能量比例，得到多种不同的发射光谱能量比例；再按照每种发射光谱能量比例，对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED进行混色，得到每种发射光谱能量比例下的白光光源；其中，红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的峰值波长不同。

在此，假设待设计的白光LED照明系统所需要的目标色温为4000K，那么满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED组合方案均可混色成色温为4000K的白光LED照明系统。

在本实施例中，红光LED的峰值波长为610～670nm，绿光LED的峰值波长为500～540nm，蓝光LED的峰值波长为440～480nm，黄光LED的峰值波长为580～600nm，具体选用峰值波长为634nm、全值半宽度为18nm的红光LED，峰值波长为521nm、全值半宽度为33nm的绿光LED，峰值波长为465nm、全值半宽度为25nm的蓝光LED，峰值波长为593nm、全值半宽度为80nm的黄光LED，图1给出了选用的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的相对光谱功率分布。当用四种不同峰值波长的LED光源混色时，多种发射光谱能量比例都可以混色成目标色温的白光光源。

步骤2：计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，其中节律作用效率、褪黑素抑制指数这两项参数用来定量表征光对人体生理节律和健康的影响，将任一种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数对应记为Υ_C,v、MSI和XS。

Υ_C,v代表了该发射光谱能量比例下的白光光源的光谱中的非视觉生物效应含量，它等于每千流明光通量中的节律效应加权辐射功率，该参数可用来定量地分析不同白光光源的节律作用效率；在光通量相同的情况下，Υ_C,v的值越大，则对应的白光光源对人体产生的节律效应就越显著。MSI的值越大，则人就越清醒。

在此具体实施例中，步骤2中，

其中，Υ_C,v的单位为W/klm，λ为波长变量，Φ(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的光谱能量分布，Φ(λ)代表该发射光谱能量比例下的白光光源在不同波长λ下的相对发光强度，C(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的节律效应的光谱光效率曲线，V(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率函数，即为明视觉的视见函数，代表人眼对不同波长λ的相对灵敏度，K_m表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率的最大值，K_m代表的是人眼对不同波长光谱产生视觉效能的最大值，是辐射度学和光度学转换中的重要系数，在本实施例中K_m＝683lm/W，M(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的褪黑素抑制的光谱光效率曲线，Φ_n(λ)表示Φ(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布，

Φ_n(D65)(λ)表示D65光源的光谱能量分布Φ_D65(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布。

根据上述公式，可知随着红光LED、绿光LED和蓝光LED所占比例的增大、黄光LED所占比例的减小，节律作用效率和褪黑素抑制指数都线性增大。

步骤3：根据所有发射光谱能量比例及每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，得到发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系；然后根据发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系，获得目标色温和指定显色指数下高节律作用效率对应的优化发射光谱能量比例。

图2给出了选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与节律作用效率之间的曲线关系；图3给出了选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与褪黑素抑制指数之间的曲线关系。从图2和图3中可以看出，当用四原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色时，随着发射光谱能量比例的增大、黄光LED的比例减小，节律作用效率和褪黑素抑制指数都线性增大。

图4给出了选用图1所给的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系。

图2、图3和图4中RGB比例就是三种单色光的发射光谱能量比例之和，黄光比例为1-RGB比例。图2和图3中主要说明RGB的发射光谱能量比例之和分别对节律作用效率、褪黑素抑制指数的影响。

步骤4：对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED均采用脉冲宽度调制调光，改变各自的光输出强度，使它们的发射光谱能量比例达到步骤3中所获得的优化发射光谱能量比例；然后根据已调光的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED进行混色设计，设计得到光健康的白光LED照明系统，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

为了进一步说明本发明方法的有效性，对本发明方法进行试验。

选用峰值波长为634nm、全值半宽度为18nm的红光LED，峰值波长为521nm、全值半宽度为33nm的绿光LED，峰值波长为465nm、全值半宽度为25nm的蓝光LED，峰值波长为593nm、全值半宽度为80nm的黄光LED。

利用本发明方法设计目标色温为4000K和几种典型显色指数(CRI)下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的光健康的白光LED照明系统。表1列出了与普通两基色白光LED相比，设计得到的白光LED照明系统的光生物效应参数以及相应的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的优化发射光谱能量比例。

表1与纯白光LED相比，目标色温为4000K和几种典型显色指数(CRI)下的白光LED照明系统的光生物效应参数以及相应的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的优化发射光谱能量比例

表1中第一行数字表达的是常用的两基色白色LED混合方案在目标色温为4000K时的性能指标，作为后面几行的四基色混合方案的参考。

图5给出了表1中利用本发明方法设计的目标色温为4000K、具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的光健康的白光LED照明系统的相对光谱功率分布的具体实施结果。

实施例二：

本实施例提出了一种实施例一的光健康的多波长白光LED设计方法设计得到的白光LED照明系统，其由不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源，并按照在目标色温和指定显色指数下得到的优化发射光谱能量比例混色而成，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

在本实施例中，红光LED的峰值波长为610～670nm，绿光LED的峰值波长为500～540nm，蓝光LED的峰值波长为440～480nm，黄光LED的峰值波长为580～600nm，具体选用峰值波长为634nm、全值半宽度为18nm的红光LED，峰值波长为521nm、全值半宽度为33nm的绿光LED，峰值波长为465nm、全值半宽度为25nm的蓝光LED，峰值波长为593nm、全值半宽度为80nm的黄光LED，图1给出了选用的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的相对光谱功率分布。当用四种不同峰值波长的LED光源混色时，多种发射光谱能量比例都可以混色成目标色温的白光光源。

在本实施例中，黄光LED为黄光芯片封装得到，或为芯片激发黄光荧光粉得到。

在本实施例中，目标色温的调节范围为2000～10000K，如可选4000K。

Claims (7)

1.一种光健康的多波长白光LED设计方法，其特征在于采用不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源混色生成具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数的白光LED照明系统，具体步骤如下：

步骤1：设定待设计的白光LED照明系统所需要的目标色温；然后在CIE 1931色域空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的色坐标点；接着利用奇异值方程求解满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的发射光谱能量比例，得到多种不同的发射光谱能量比例；再按照每种发射光谱能量比例，对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED进行混色，得到每种发射光谱能量比例下的白光光源；其中，红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED的峰值波长不同；

步骤2：计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，将任一种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数对应记为Υ_C,v、MSI和XS；

步骤3：根据所有发射光谱能量比例及每种发射光谱能量比例下的白光光源的节律作用效率、褪黑素抑制指数和显色指数，得到发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系；然后根据发射光谱能量比例、节律作用效率、褪黑素抑制指数、显色指数之间的曲线关系，获得目标色温和指定显色指数下高节律作用效率对应的优化发射光谱能量比例；

步骤4：对满足该色坐标点的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED均采用脉冲宽度调制调光，改变各自的光输出强度，使它们的发射光谱能量比例达到步骤3中所获得的优化发射光谱能量比例；然后根据已调光的红光LED、绿光LED、蓝光LED及黄光LED进行混色设计，设计得到光健康的白光LED照明系统，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

2.根据权利要求1所述的光健康的多波长白光LED设计方法，其特征在于所述的步骤2中，

其中，Υ_C,v的单位为W/klm，λ为波长变量，Φ(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的光谱能量分布，C(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的节律效应的光谱光效率曲线，V(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率函数，K_m表示该发射光谱能量比例下的白光光源的明视觉的光谱光效率的最大值，M(λ)表示该发射光谱能量比例下的白光光源的褪黑素抑制的光谱光效率曲线，Φ_n(λ)表示Φ(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布，

Φ_n(D65)(λ)表示D65光源的光谱能量分布Φ_D65(λ)经归一化处理后得到的归一化光谱能量分布。

3.根据权利要求1或2所述的光健康的多波长白光LED设计方法，其特征在于所述的步骤1中，红光LED的峰值波长为610～670nm，绿光LED的峰值波长为500～540nm，蓝光LED的峰值波长为440～480nm，黄光LED的峰值波长为580～600nm。

4.一种权利要求3所述的光健康的多波长白光LED设计方法设计得到的白光LED照明系统，其特征在于由不同峰值波长的红光LED、绿光LED、蓝光LED和黄光LED四种单色光源，并按照在目标色温和指定显色指数下得到的优化发射光谱能量比例混色而成，该白光LED照明系统在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率和高褪黑素抑制指数。

5.根据权利要求4所述的光健康的多波长白光LED照明系统，其特征在于所述的红光LED的峰值波长为610～670nm，所述的绿光LED的峰值波长为500～540nm，所述的蓝光LED的峰值波长为440～480nm，所述的黄光LED的峰值波长为580～600nm。

6.根据权利要求4或5所述的光健康的多波长白光LED照明系统，其特征在于所述的黄光LED为黄光芯片封装得到，或为芯片激发黄光荧光粉得到；所述的黄光LED的光谱的全值半宽度为15～130nm。

7.根据权利要求6所述的光健康的多波长白光LED照明系统，其特征在于所述的目标色温的调节范围为2000～10000K。

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