光健康的白光LED混色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白光LED混色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。另外，当光源中短波长的蓝光比较多时，蓝光辐射可能会对眼睛视网膜产生光化学损伤，蓝光危害效率(blue light hazard，BLH)也是影响人体健康的一个重要方面，参见Baczynska K,Price L.Efficacy and ocular safety of bright light therapy lamps[J].LightingResearch&Technology,2013,45:40-51.(光疗灯的效率和人眼安全性评价，《照明研究与技术》期刊)。因此，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，就有必要提高节律效率，使员工能更好更有效地工作；同时必须减少光源的蓝光危害，不影响人体的健康。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，特别是对于如何优化光源参数，既能提高节律效率又能减少蓝光危害，鲜有报导。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白光LED混色设计方法及其照明系统，其用三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和任意色温的荧光粉转换的白光LED混色，使得到的白光LED照明系统在保持相同色温、相同显色指数的情况下，具有高的节律作用效率、高的褪黑素抑制指数、低的蓝光危害效率，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：一种光健康的白光LED混色设计方法，其特征在于用三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和任意色温的荧光粉转换的白光LED混色生成具有高的节律作用效率、高的褪黑素抑制指数、低的蓝光危害效率的白光LED照明系统，该白光LED混色设计方法具体包括以下步骤：

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三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和任意色温的荧光粉转换的白光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三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和任意色温的荧光粉转换的白光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和任意色温的荧光粉转换的白光LED的波长不同；

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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率，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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率对应记为Υ

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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率，得到发射光谱能量比例分别与节律作用效率、褪黑素抑制指数、蓝光危害效率之间的曲线关系；并计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的显色指数，进而得到发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系；然后根据发射光谱能量比例、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具有高节律作用效率的白光光源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三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和任意色温的荧光粉转换的白光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和白光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、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率。

所述的步骤2中，

一种光健康的白光LED混色设计方法设计得到的白光LED照明系统，其特征在于由不同波长的三原色红光LED、绿光LED和蓝光LED及任意色温的荧光粉转换的白光LED，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、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率。

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)本发明通过对不同波长的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED混色，并根据白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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、低蓝光危害效率的光健康的白光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，更加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三原色红光LED、绿光LED和蓝光LED及任意色温的荧光粉转换的白光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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率这三项参数，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20％以上。

附图说明

图1为本实施例的白光LED混色设计方法选用的红光LED、绿光LED、蓝光LED和白光LED的相对光谱功率分布；

图2为本实施例的白光LED混色设计方法选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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为本实施例的白光LED混色设计方法选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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

图4为本实施例的白光LED混色设计方法选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与蓝光危害效率之间的曲线关系；

图5为本实施例的白光LED混色设计方法选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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6为利用本实施例的白光LED混色设计方法设计色温为4000K的几种典型显色指数下具有高节律作用效率、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率的光健康的白光LED照明系统及纯白光的LED的相对光谱功率分布。

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白光LED混色设计方法，其用三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED混色生成具有高的节律作用效率、高的褪黑素抑制指数、低的蓝光危害效率的白光LED照明系统，该白光LED混色设计方法具体包括以下步骤：

步骤1：设定待设计的白光LED照明系统所需要的目标色温，为4000K；然后采用现有技术在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三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光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三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光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和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED的波长不同，当用四种不同波长的LED光源(即红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED)混色时，多种发射光谱能量比例下都可以混色成满足该色坐标点的白光光源，假设红光LED、绿光LED、蓝光LED和白光LED的色坐标对应为r(x

在CIE 1931色域空间中，周围轮廓对应不同波长单色光的色坐标点，内部对应各种合成光的色坐标点，中心的曲线是黑体曲线，黑体曲线上的每个点对应不同温度的黑体，一般合成白光时都以黑体为目标，所以目标色温所对应的色坐标点指的就是黑体曲线上该温度对应的点，是唯一的。

在本实施例中，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，以及色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED，图1给出了选用的红光LED、绿光LED、蓝光LED和白光LED的相对光谱功率分布。当用四种不同波长的LED光源混色时，多种发射光谱能量比例都可以混色成所需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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率这三项参数，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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率对应记为Υ

Υ

在此具体实施例中，

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、褪黑素抑制指数和蓝光危害效率，得到发射光谱能量比例分别与节律作用效率、褪黑素抑制指数、蓝光危害效率之间的曲线关系，随着三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的白光LED的发射光谱能量比例的增大，节律作用效率、褪黑素抑制指数都线性增大，而蓝光危害效率减小；并计算每种发射光谱能量比例下的白光光源的显色指数，进而得到发射光谱能量比例、显色指数、节律作用效率之间的曲线关系；然后根据发射光谱能量比例、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具有高节律作用效率的白光光源对应的优化发射光谱能量比例。

在此，发射光谱能量比例分别与节律作用效率、褪黑素抑制指数、蓝光危害效率之间的曲线关系是作为三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED即RGB+W四基色合成比例选择的参考曲线。

图2给出了选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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；图4给出了选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED混色成白光光源时，发射光谱能量比例与蓝光危害效率之间的曲线关系。从图2、图3和图4中可以看出，随着发射光谱能量比例的增大，节律作用效率、褪黑素抑制指数都线性增大，而蓝光危害效率减小。

图5给出了选用图1所给的白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光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5中使用了图2中发射光谱能量比例与节律作用效率之间的曲线关系，通过与显色指数曲线的对比，可以提供显色性和节律作用的协调范围，在此范围内，可以根据所需的显色指数和节律作用要求来选择对应的光色混合比例范围。根据图5可以得到在目标色温和指定显色指数下具有高节律作用效率的白光光源对应的优化发射光谱能量比例。

图2至图5中RGB比例就是三种单色光的发射光谱能量比例之和，白光比例为1-RGB比例。图2至图4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、蓝光危害效率的影响。

步骤4：对满足该色坐标点的三原色红光LED、绿光LED、蓝光LED和色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光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和白光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、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率。

为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，色温为4000K的荧光粉转换的普通照明的白光LED。

利用本发明方法设计色温为4000K和几种典型显色指数(CRI)下具有高节律作用效率、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率的光健康的白光LED照明系统。表1列出了与纯白光的LED相比，本发明方法设计得到的白光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和白光LED的发射光谱能量比例。

表1色温为4000K的几种典型显色指数(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和白光LED的发射光谱能量比例

图6给出了上表中对应的色温为4000K的几种典型显色指数(CRI)下具有高节律作用效率、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率的光健康的白光LED照明系统及纯白光的LED的相对光谱功率分布。

实施例二：

本实施例提出了一种利用实施例一的光健康的白光LED混色设计方法设计得到的白光LED照明系统，其由不同波长的三原色红光LED、绿光LED和蓝光LED及色温为4000K的荧光粉转换的普通照明白光LED，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、高褪黑素抑制指数和低蓝光危害效率。

上述，所需的目标色温的调节范围为2000～10000K，如可选4000K。

上述，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三原色红光LED、绿光LED和蓝光LED及任意色温的荧光粉转换的白光LED均可混色成色温为4000K的白光LED照明系统，如色温为2700K或4000K或6500K的荧光粉转换的普通照明的白光LED与红光LED、绿光LED和蓝光LED混色。