饶 丰 胡春香 杨 武

(1.常州工学院光电工程学院，江苏常州 213002;2.江苏省丹阳高级中学，江苏丹阳 2123000;3.杭州创惠仪器有限公司，浙江杭州 310015)

1 引言

发光二极管 (Light Emitting Diode，LED)具有重量轻、体积小、能耗低、响应速度快、抗震性能好、节能环保等优越的性能，是最有潜力的下一代光源［1，2］。随着LED技术的不断进步，LED光效和功率不断增大，亮度也不断提高。过去LED出射光不会对人体造成危害的时代已经一去不复返［3］，因此，研究LED产品的光生物安全性，具有重要的意义。

2002年国际照明学会出版了 CIE S009/E:2002，规定了灯和灯系统生物安全六大测试项目及其安全限值。2006年，国际电工委员会等同采用该标准，出版了IEC62471:2006。由于lEC在安全方面的巨大影响，灯具光生物安全迅速得到人们的重视。2008年，M.Paul等研究了LED光生物安全测量时遇到的问题和解决方法［4］。2010 年，K.C.Smith研究了激光和LED光生物安全的区别［5］。2011年，P.N.Youssef等分析了光对视网膜的危害的原理和人眼的自我保护机制［6］。2012年，P.P.Zak和M.A.Ostrovsky研究发现LED照明对儿童和青少年的潜在危害比成人更大［7］，A.V.Aladov、A.L.Zakgeim和 M.N.Mizerov研究了色温从1800K到18000K的LED灯具的蓝光危害，发现在同样照度下，色温越高，蓝光危害越大［8］。同年，我国的陈慧挺等对大功率LED路灯的光生物安全性进行了测量［9］，发现蓝光危害是最主要的危害因素。然而，这些研究均是针对规定温度，规定的老化时间和额定电流下光生物安全进行研究。在实际使用过程中，LED的光生物安全性随环境温度、随点灯时间和驱动电流变化，而目前鲜有LED光生物安全随点灯条件变化的分析和实验。

本文选择LED光生物安全最主要的因素——蓝光危害为研究对象，选择功率为1W、光电性能较均一的大功率白色LED30余只为研究样本，运用LED光色电综合分析仪，测量环境温度25℃时电流从30mA到400mA时的光谱，额定电流时，环境温度从20℃到70℃时的光谱，以及12周内每老化一周的光谱，然后计算蓝光相对加权辐射亮度和单位光通量内蓝光相对加权辐射亮度，得到这两个参数随电流、温度和点灯时间的变化规律，并分析导致变化的原因。因此，实际LED照明安全性需要考虑点灯条件。

2 实验

选择Philips公司同型号1W荧光粉转换型白色LED50余只，标称色温5500K，标称光通量85lm。然后，测量LED实际的光通量和色温，剔除实测值与标称值差异较大的LED，最后得到30余只LED，作为研究样本。

本研究的实验装置是LED光色电综合测试系统，其结构如图1所示，数控高精度恒流电源给待测LED供电，积分球和光谱计能够快速测量待测LED的光通量和光谱分布，通过电脑处理，可以得到待测LED的色坐标，恒温夹具给LED提供稳定的基底温度。

图1 光色电综合分析系统结构示意图Fig.1 Light，color，electricity comprehensive analysis system

不同驱动电流下，LED光谱测量时，保持基底温度为25±1℃，驱动电流从30mA开始，每10mA测量一次，一直测到400mA。

不同环境温度下，LED光谱测试时，采用350mA驱动电流，基底温度从20℃上升至70℃，每隔10℃测量一次光谱.

LED老化实验过程中，保持环境温度25±1℃，LED的驱动电流400mA，误差3%。分别测量12周内，每老化1周后的LED光谱，测试时，基底温度为25±0.1℃，驱动电流为350mA。

为了测量准确，每次测量前稳定10分钟。

3 数据处理

对于调光型LED灯具，一般是通过调节驱动电流的大小，来改变光输出的;对于非调LED灯具，一般采用恒流驱动，输出与温度、点灯时间变化而变化，因此，本文选择蓝光加权辐射亮度 (Lb)为研究对象。另外，IEC62471:2006要求测量最佳照度面上的蓝光危害［10］，此时，进入人眼的光通量大小相似，因此，本文还研究了单位光通量内的蓝光加权辐射亮度 (Lb/Ф)。

标准IEC62471:2006规定:对于对边角大于0.011弧度的光源，其蓝光加权辐射亮度L计算公式为:

式中，Lλ(λ，t)是LED的光谱辐射亮度，B(λ)是蓝光危害加权函数，由标准给出。为了研究的方便，我们选择1只LED(编号1)为参考对象，并忽略在测量时间 (约20分钟)内，LED光谱的变化，则其他LED的相对蓝光相对加权辐射亮度Lb:

式中:S(λ，t)为LED的光谱，S1(λ，t)为参考LED的光谱，将不同条件的光谱代入，即可得到Lb及Lb/Ф随随驱动电流、环境温度和点灯时间的变化规律。

4 结果

图2 Lb，Lb/Ф随电流的变化曲线Fig.2 Lb，Lb/Ф variation with current

图2(A)是在不同的驱动电流下，5只LED的Lb随电流的变化曲线，可见:随着驱动电流的增加，Lb几乎线性不断增加。由于LED结构不同，5只LED的曲线存在差异，这种差异随着电流的增大而增大。图2(B)是驱动电流从30mA到380mA时，5只LED的Lb/Ф随电流的变化曲线，可见，随着电流的增加，Lb/Ф也不断增加，不同LED的变化规律基本相同，变化幅度均约8%。

图3 Lb，Lb/Ф随点灯时间的变化曲线Fig.3 Lb，Lb/Ф variation with lighting time

图3(A)是30只LED的Lb随点灯时间的变化关系，可见:在前5周内，随着点灯时间的增加，Lb指数变小;5周后，LED的性能基本稳定，Lb也基本稳定。图3(B)是随点灯时间的变化曲线，可见，在相同的点灯时间内，不同LED的Lb/Ф大小不同，这是由于不同LED结构不同，热阻也不同造成的。但是，对于同一LED，Lb/Ф随点灯时间增加而增大，变化规律一致，12周内变化的幅度约为10%。

图4 Lb，Lb/Ф随环境温度的变化曲线Fig.4 Lb，Lb/Ф variation with ambient temperature

图4(A)是10只LED的Lb随温度的变化曲线，可见，随着温度的增加，Lb线性减小，20℃到70℃内，减小了6%左右。图4(B)是Lb/Ф随温度变化曲线，可见，随着温度的增加，相同的光通量内下，LED的蓝光危害随着环境温度的增加而增加，但幅度较小，约2%。

5 讨论

图5 蓝光危害加权系数和白色LED光谱Fig.5 Blue light hazard and W－LED Spectrum

图5为蓝光危害加权系数 (实线)和荧光粉转换型白色LED的归一化光谱 (虚线)，可见，蓝光辐射峰与蓝光危害加权系数吻合，对于荧光粉转换型白色LED，蓝光加权辐射亮度主要由蓝光芯片的辐射峰决定。

图6(A)、(B)和 (C)是辐射功率随点灯条件的变化曲线，可见:Lb芯片辐射功率随条件的变化曲线与蓝光危害的变化曲线高度相关。LED蓝光辐射加权亮度大小主要由芯片的辐射功率决定。

图6 (A)辐射功率随驱动电流的变化，(B)辐射功率随点灯时间的变化，(C)辐射功率随环境温度的变化Fig.6 (A)Power variation with current，(B)Power variation with lighting time，(C)Power variation with ambient temperature

Lb/Ф随归一化蓝光芯片辐射谱的变化而变化。如图7所示，当驱动电路增大时，光谱蓝移，半高全宽的变化仅2nm，因此，Lb/Ф不断增大。如图8所示，随着点灯时间的增加，峰值波长和半高宽虽然变化不明显，但荧光粉发的光相对减少，LED光谱中蓝光相对增多，Lb/Ф也就不断增大。如图9所示，而随着温度的增加，蓝光峰值波长略红移，但光谱半高全宽略变大，因此Lb/Ф仅略变大2%。

图7 不同驱动电流下LED的归一化光谱及峰值波长、半高宽随驱动电流的变化曲线。Fig.7 Variation curve with different current

图8 不同点灯时间下LED的归一化光谱及峰值波长、半高宽随驱动电流的变化曲线。Fig.8 Variation curve with different lighting time

图9 不同温度下LED的归一化光谱及峰值波长、半高宽随驱动电流的变化曲线。Fig.9 Variation curve with different temperature

6 结论

本文实测不同点灯条件下同一批LED样品的光谱，计算其相对蓝光加权辐射亮度Lb和相对单位光通量内的蓝光加权加权辐射亮度Lb/Ф，发现Lb随驱动电流的增加线性增大，随环境温度和点灯时间的增加减小;Lb/Ф随驱动电流、环境温度和随点灯时间的增加而增大。最后分析了Lb和Lb/Ф的变化原因。

LED光生物安全性是目前半导体照明领域的热点问题，研究LED蓝光危害随点灯条件的变化规律，有利于测算实际照明条件下的蓝光危害，有利于LED健康照明，有利于LED标准的修订。

［1］Steranka F.M.，Bhat，J.，Collins，D.et al.High Power LEDs－Technology Status and Market Applications［J］.Phys.Stat.Sol.，2002，194(2):380－388.

［2］毛兴武，张艳雯，周建军，等.新一代绿色光源LED及其应用技术［M］.北京:邮电出版社，2008.

［3］M.Bueeler，E.Spoerl，T.Seiler.UV collagen cross－linking of the cornea－Safety aspects and design of a UV illumination system［C］.Proc.of SPIE，2008(6844，68440Z):1605－7422.

［4］P.Miller，T.Goodman.MeasurementforLED performance and safety［J］.J.light ＆ Vis.Env.2008，33(2):156－160.

［5］K.C.Smith.Laser and LED photobiology［J］.Laser therapy，2010，19(2):72－78.

［6］P.N.Youssef.Retinal light toxicity［J］.Eye，2011，25(1)，1－14.

［7］P.P.Zak，M.A.Ostrovsky.Potential Danger of Light Emitting Diode Illumination to the Eye，in Children and Teenagers［J］.Light ＆ Engneering，2012，20(3):1－5.

［8］A.V.Aladov，A.L.Zakgeim，M.N.Mizerov，et al.Concerning Biological Equivalent of Radiation of Light－Emitting Diode and Lamp Light Sources with Correlated Colour Temperature of 1800K－10000K .Light ＆ Engneering，2012，20(3):6－9.

［9］陈慧挺，蔡喆，吴晓晨，等.大功率LED路灯的光生物安全测试与分析［J］.照明工程学报，2011，22(6):87～90，96.

［10］国家质检总局、国家标委会.GB/T 20145－－2006灯和灯系统的光生物安全性［S］.北京:中国标准化出版社，2006，3.