基于全光谱健康照明技术的应用

2021-03-26陈少藩

光源与照明 2021年2期

陈少藩

广东光阳电器有限公司，广东中山 528400

0 引言

随着LED照明技术的迅速发展，人们已经不满足于照亮环境和看得见的照明基本功能，而是追求更高品质的生理和心理舒适性的照明光源和灯具。尤其是在2002年Brown大学的Berson等[1]发现内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGC）的作用，并发现该细胞与人体节律的调节有关。后续的相关研究表明，人类的生物节律和认知表现都受到光环境的影响，无论是来自自然界的太阳光，亦或是人造光源，都会引起人体一系列生理节律反应。因此，光能通过视觉和非视觉作用，不同程度地影响人体健康，而人类的发展进化史决定了人的眼睛和生活作息都习惯于太阳光，太阳光谱是最理想的照明光谱条件。基于这一情况，人们研发出了接近于太阳光谱的可见光全光谱LED。该技术能够很好地适应人体生理节律的特征，在很大程度上满足当前人们对照明的要求，可有效提高照明品质与舒适性，满足健康照明的需求。

1 全光谱LED概述

在过去很长一段时间，人们对照明的主要需求是亮度，但随着人们生活水平的提高，部分人开始追求更健康、更舒适的光环境。在此背景下，健康照明的理念被提出来，并受到市场的广泛关注。当前健康照明的概念主要指所制造出来的照明光源光谱尽可能接近太阳光谱，照明在满足基本的照明需求的同时，还应考虑人们的心理需求。如何判断照明灯具是不是健康照明灯具，除了显色指数、色温、照度、亮度、频闪等指标符合要求，其光谱与太阳光光谱的吻合度也应该达到一定的要求[2]。

更准确地说，全光谱LED是一种类太阳光谱LED，其可见光部分中的红绿蓝比例与太阳光近似，显色指数Ra接近100（太阳光的显色指数为100）。同时，全光谱LED还尽可能降低自然光中对人体有害的红紫外线。相较于普通LED，全光谱LED的蓝光峰值更低，可见光波段具备更好的连续性，因而具备更优的照明光品质[3]。相关研究显示，人体视觉的辨识能力极易受到光谱的完整性的影响，特别是儿童发育阶段。一般而言，越接近于太阳光谱，意味光谱连续性更好，显色指数更高，物体的色彩也能更好地被还原。因此，全光谱健康照明LED对保护人们的视力健康，提高光品质及视觉舒适性，降低人们在LED光照环境下不自觉的生理性紧张，改善人们学习、工作、生活的质量具有重大意义。

为了使全光谱LED可以随着照明需求的改变而做出相应的调整，从而为用户提供最佳的照明体验，相关科研人员开始研究将各种先进科学技术应用到照明系统中。通过将智能技术与全光谱LED的有效融合，科学预设全光谱LED所处场景，包括房间、教室、办公室、餐厅等场景。为此，可借助智能控制系统模拟光照条件，再结合数据库中已具备的各种场景信息，加以比较、处理，将光照指标调整到最佳需求状态，以更好地满足场景内实际的照明需求，从而为用户提供更加健康舒适、智能化的照明体验。

2 视觉与非视觉效应

光对人的生物效应分为视觉与非视觉效应。真正意义上的健康照明需要兼顾这两个方面，即既要关注是否“看得见、看得清”，也要关注是否能“看得舒服”“看得身心舒爽”。如今，国内外科研人员致力于研究光照对人类健康的影响，更进一步说，是关注照明对人的生理、心理等非视觉特性的影响，尤其是光敏视网膜神经节细胞被发现以来，国内外的相关研究不断深入。照明条件无论是对人的生理还是心理都会产生重大影响。因此，在生理上，不同年龄对照明亮度有着不同的要求。年龄越大，晶状体透光性变差，要求较高的照度[4]。在视觉心理上，不同照明条件通过视觉器官引起不同的心理机理反应[5]。

另外，不同的光照强度也能影响人的心理，如在一定的光照强度下能增强人的食欲、改善情绪与睡眠等。但是，光照强度的增强也并非都是好处，例如虽然其可改善阿尔兹海默症患者的睡眠情况和认知能力，但却对患者注意力产生负面影响。又如，紫外线能够对一些微生物或是病原体进行消灭，有助于人体生成维生素D，可对佝偻病、软骨症进行防治，还能够预防老年人骨质疏松，提高人体免疫力等；红外线则有助于人体血液循环与新陈代谢，在很大程度上增强人体免疫功能，并在软组织损伤、肌肉痉挛、肌肉劳损等方面具备显著的治疗效果。当前医学与光学等领域的研究人员都非常关注如何借助光谱中的有益光线服务人类。

3 健康照明之全光谱LED的具体应用场景

3.1 护眼台灯

台灯是照明领域的一个非常特殊的应用方向，在台灯市场中，处于生长发育阶段的未成年人占比非常高，同时由于台灯离人的距离非常近，使人们更容易关注其各项指标，包括色温、显色指数、照度和照度均匀度、频闪等。除此之外，生理、心理健康等非视觉特性也非常重要，因此对台灯的健康照明提出较高的要求。为此，全光谱LED台灯非常适合长期桌前阅读学习的学生群体使用，可以达到护眼效果。尤其是近年来，我国青少年儿童近视率越发严重，近视低龄化、重度化日益严重的情况下，全光谱LED台灯越来越受到市场的广泛青睐。

3.2 教室照明

教室照明是目前健康照明应用领域最热门的应用之一，尤其是八部委共同出台《综合防控儿童青少年近视实施方案》以来。与台灯照明类似，教室照明多数是幼儿园、小学、中学等，用户绝大多数是未成年人。据相关部门统计，当前我国拥有学校518 900所，其中中小学校约213 800所，教室数量达到3 750 000个，且这些教室的照明环境普遍较差，缺乏整体设计和照度，存在显色指数低、频闪严重、眩光污染等系列问题，具有改造潜力。当前各地已经陆续开始了教室照明改造工程，全光谱LED教室照明在其中占据重要地位。

3.3 植物照明

光环境对植物生长发育至关重要，植物的生长离不开太阳光的光合作用。全光谱LED可对太阳光进行模拟，或是直接取代太阳光来为植物的生长提供营养成分，帮助其更好地进行光合作用，促进植物快速生长。同时，结合当前的相关技术在植物种植环境中设置全光谱LED的智能照明系统，全过程地、准确地监控植物各阶段的生长状况，然后有针对性地调节光照，使之符合现阶段植物生长的需要。或者使用摄像头来拍摄植物，根据其种类及实际生长周期，科学调控全光谱LED照明产品的各项参数。不同植物的生长条件不同，故而所需的光源光谱能量也不同，且需要的光照波长也不同，但全光谱LED可在实现节能环保的同时，为不同植物的生长提供相对应的光照，有利于植物生长。

3.4 办公照明

对于办公照明而言，不仅要求办公场所内所用照明产品能够提供必要的照度，还应确保场所内人员的生理舒适性，以此来确保人员能够更加高质高效的工作。因为全光谱 LED类似于自然太阳花的光谱特性，加上显色指数约为1 000，故而将其应用到办公场所中，能够满足办公照明的实际需求。同时，全光谱LED的短波紫光还具备诸多的优势，包括杀菌、促进人体钙质的吸收、有利于骨骼生长。另外，全光谱LED可在蓝光波段对能量成本进行有效弱化，其所具备的长波红光可促进室内植物更加快速的生长。

3.5 餐厅照明

对于餐厅照明而言，由于大多数餐厅的采光主要依靠于窗户面，这往往很难满足餐厅内的照明需求，这时需要对全光谱LED进行充分利用。具体应用方式：（1）在餐厅设计过程中，相关人员应结合区域内的地理经纬度与各季节的太阳光光色、时长、强度等情况，对全光谱LED智能照明系统的各项参数进行合理设置，使系统内的相关设备能够对餐厅内太阳光变化状况、亮度等进行全过程监控，然后有针对性地提供照明。白天可结合照明光谱，科学模拟光环境；夜晚则需对餐厅内的照明进行合理调整，使之能够符合人的生理节律特点，从而为顾客提供舒适愉快的用餐环境。（2）当餐厅有顾客时，全光谱LED智能照明系统可根据人的生理节律特点来有针对性地调节照明。还可充分考虑人的生理节律特征、光照射量等信息，科学模拟太阳光的日变化，实现对餐厅内照明的各项光照参数的动态调节，从而为顾客提供更加舒适的用餐体验。（3）当餐厅没有顾客时，全光谱LED智能照明系统会自动调整照明，产生紫外光波段的光，从而实现对餐厅环境的灭菌处理。