光源器件的創(chuàng)新方向（全光譜技術(shù)、健康照明）及趨勢展望

1健康照明的需求

經(jīng)過過去十年的半導體材料技術(shù)發(fā)展和制造工藝的提升，白色發(fā)光二極管（）作為新型的固態(tài)發(fā)光器件已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)光源。其高光效、低能耗、無污染、長壽命等優(yōu)點，使其在燈具市場的滲透率連年遞增。然而，隨著led光源的快速發(fā)展，各種照明應(yīng)用對光源提出了新的要求。人們從最初的對led光效和成本的重視逐漸發(fā)展到對其光品質(zhì)和健康的追求。目前市場上一些光源的光譜缺失、色彩還原性差，一些led燈由于驅(qū)動電源等使用不當，存在頻閃、眩光、用眼安全等諸多問題，用戶體驗不佳。因而為了符合消費者對生活品質(zhì)以及舒適度的需求，高光品質(zhì)、舒適健康的照明技術(shù)成為近期市場的發(fā)展主流趨勢，也對白光及模組技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

2全光譜白光的技術(shù)方案

目前實現(xiàn)白光的方式主要有以下兩種：第一種是通過多色led多芯片組合（無熒光粉）實現(xiàn)白光。該技術(shù)路線主要要解決“黃色鴻溝“問題，黃光成為主要技術(shù)瓶頸。以南昌大學江風益教授代表的研究團隊正致力于研究硅襯底高光效黃光led芯片的開發(fā)，并取得了關(guān)鍵性進展，黃光led電光轉(zhuǎn)換效率突破22．7％，達業(yè)界領(lǐng)先（圖1）。由于此實現(xiàn)白光的技術(shù)路線對各色芯片的要求較高、初期成本較貴，且考慮到多色芯片長時間熱態(tài)使用可能出現(xiàn)的光色差異導致色溫不穩(wěn)定性問題，應(yīng)用領(lǐng)域雖潛力巨大但目前仍受到一定限制。

第二種方法是單色led芯片激發(fā)多種熒光材料實現(xiàn)連續(xù)白光光譜。由于芯片材料及結(jié)構(gòu)單一、簡單、封裝及控制成本較低，是當前實現(xiàn)全光譜白光的主要方案。通過在藍光或其他單色led芯片上涂敷熒光材料轉(zhuǎn)化成白光，因此熒光材料是決定白光質(zhì)量和色彩還原效果的關(guān)鍵因素。過去市場常規(guī)的藍光芯片＋黃色或綠色／紅色熒光粉組合模式，會產(chǎn)生白光led藍光過剩、短波青光（～490nm）缺失、長波紅光不足問題。新型全光譜led在芯片和熒光粉選擇及配比上進行了較大改善和優(yōu)化，從而達到近似于自然光的高品質(zhì)白光照明體驗。

高品質(zhì)白光led照明體現(xiàn)在舒適性、真實性、安全性、健康性四個方面。其具備優(yōu)異的視覺舒適性（適當?shù)牧炼群土炼染鶆蛐裕瑹o閃爍和眩光），高顯色性，用眼安全和迎合晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)等特點，滿足消費者心理和生理健康。從led封裝的角度來說，高品質(zhì)白色led光源應(yīng)具備較高的顯色性以呈現(xiàn)物體的本真顏色，即光源光譜更接近于太陽光或白熾燈標準光源，連續(xù)性佳，平滑均勻。其次，光源不含紫外（uv）及紅外（ir）輻射、并符合人眼敏感曲線。同時，滿足對光質(zhì)量、色飽和度分辨率要求高的場所。例如：高保真、色飽和度照明符合博物館、畫廊的需求；用于商業(yè)照明能夠提供較少色差的購物環(huán)境，有利于商品的銷售；用于手術(shù)燈照明可以正確顯示血液，皮膚以及傷口組織的顏色；用于教育照明還原書本畫面強，提高學習注意力；用于攝像攝影實況轉(zhuǎn)播，良好的色彩飽和度和高保真度使氣氛還原更加清晰真實；用于家居照明，高品質(zhì)的白光使人們感覺更舒適，更加享受生活。為更精準的衡量光源還原物體顏色的能力，業(yè)界開始采用新的方法來評估對比不同光源的色品質(zhì)表現(xiàn)，比如，在cri測試基礎(chǔ)上增加ies tm－30－15評價標準對顏色保真度（rf）和顏色色域度（rg）雙參數(shù)體系進行評估，針對性地解決了cri體系中對比色代表性不足、色空間不對稱、參考光源不連續(xù)等問題。此外在光譜設(shè)計時，考慮較低的高能藍光占比以減少潛在的藍光危害，及通過封裝設(shè)計和傳感來調(diào)控led色溫及亮度隨日照變化及使用場景的需求，并符合人體生理節(jié)律。

3藍光危害與健康光源的特性

雖然來自學術(shù)界、工業(yè)界、醫(yī)學界的專家已經(jīng)達成了基本共識，即正確使用合格的白色led照明產(chǎn)品對人眼來說是安全的，但人眼感應(yīng)藍光的錐狀細胞的最大吸收波長（440－450nm）與常用藍光芯片的發(fā)光波長及視網(wǎng)膜藍光傷害特征曲線有很大的重合，因此，人們會特別關(guān)注高能藍光對敏感人群人眼的影響。如圖2所示，藍光傷害曲線是指波段位于415－455nm（峰值：435－440nm），由于波長短，能量高，可以穿透晶狀體到達視網(wǎng)膜，光功率中的藍光成分對視網(wǎng)膜可能造成潛在的化學損傷，加速黃斑區(qū)細胞的氧化，引起視覺疲勞和視網(wǎng)膜疾病，如老年性黃斑變性（amd）。國內(nèi)外已推出一些相關(guān)的安全標準和參考文件作為支持。iec／en 62471：2006已經(jīng)建立了關(guān)于評估燈具的光生物安全性的方法。北美的ansi／iesna rp－27建立了燈具和燈具系統(tǒng)的光生物安全相關(guān)標準。iec／tr 62778規(guī)定了一般照明服務(wù)燈具類別的問題，并提供了對led照明產(chǎn)品應(yīng)用藍光危險分類的指導。燈具通用安全要求標準en 60598－1：2015針對led燈具的要求更新主要包括：針對led光源的藍光傷害，增加了明確的危害等級要求（rg0／rg1／rg2／rg3）；并且基于不同的危害等級，有相應(yīng)的標簽、說明書及固定燈具的安裝要求。此外，考慮到兒童和老人的眼睛結(jié)構(gòu)對藍光的透過率、敏感性與成年人相比相對較弱，目前已有一些針對他們對藍光危害的承受能力的評價方法研究，但還沒有統(tǒng)一的標準。另外，高能藍光危害的程度與劑量有關(guān)。藍光的強度越大，危害等級也就越高。

下面三個參數(shù)相乘，才能得到藍光的劑量：

1、光源光譜中本身包含藍光成分的比重；2、光源本身的亮度；3、受到藍光照射的時間。

而這三點，也是者防止受到藍光危害而常采用的三個方向：

1、選擇色溫低的光源；2、降低光源的亮度，方法如增加擴散板，避免光源直射眼睛；3、不要在很強烈的光環(huán)境中工作時間太久。除此之外，我們可以考慮從光源設(shè)計最大限度降低高能藍光占比。

然而，藍光又是白光的基本組成部分。光譜中的藍光波長范圍400－500nm的視覺過程包括顏色感知的重要波長。并且有研究表明，465－495nm藍光在晝夜節(jié)律中起著至關(guān)重要的作用（圖2）。由于這部分的光可以抑制褪黑素的產(chǎn)生，在白天光譜中增加此部分可以保證作業(yè)效率，使人保持清醒、警覺的狀態(tài)，促進工作積極性、專注性。而在夜晚，通過降低藍光或色溫以達到促進睡眠、調(diào)整時差等功能。因此，根據(jù)一天中的不同時間與生活需求，綜合視覺舒適度、眼睛安全、晝夜節(jié)律需求，通過光源的設(shè)計，色溫連續(xù)可調(diào)的，與傳感器和控制器結(jié)合，可實現(xiàn)色溫和亮度的連續(xù)可調(diào)性，以滿足各種場景及與日照時間相匹配的高性能照明要求（圖3）。通過對光譜的有效調(diào)節(jié)和控制，led在光品質(zhì)和藝術(shù)效果上也逐漸超越了傳統(tǒng)照明。甚至在被認為傳統(tǒng)照明保有相對優(yōu)勢的酒店和零售商業(yè)照明領(lǐng)域，led光源也能提供更加飽滿的色彩還原效果。

4相關(guān)企業(yè)與代表性產(chǎn)品

美國sorra公司率先推出全光譜光源產(chǎn)品，采用gan襯底生長制作紫光，激發(fā)紅綠藍三種熒光粉將紫光轉(zhuǎn)換為白光，包含了400－700nm的可見光譜，cri95和r9大于90，對含400－480nm激發(fā)的光亮劑物體有亮白效果。近期，日本及公司也通過類似的紫光或低波長藍光激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換方式，相應(yīng)推出全光譜白光系列光源，比如，在200ma驅(qū)動下，5000k色溫led光效達110lm／w，實現(xiàn)了與自然光較接近的光譜（圖4），準確地呈現(xiàn)物體在自然光中的顏色和結(jié)構(gòu)，這種全光譜白光實現(xiàn)方式近期引起了商業(yè)照明的關(guān)注。

此外，市場上實現(xiàn)高品質(zhì)白光的另一條技術(shù)路線是在模擬太陽光的連續(xù)光譜的同時，盡量降低對人眼有害的uv和高能量藍光光譜，在實現(xiàn)高顯色指數(shù)的同時，不明顯犧牲流明效率；在保證使用新型熒光材料的信賴性的同時，不增加材料及制造成本。比如2017年廣州光亞展推出的采用藍光激發(fā)多種熒光粉實現(xiàn)類太陽光的全光譜系列產(chǎn)品。此類全光譜led光源正是基于以上幾點考慮，兼顧光效、光品質(zhì)、成本及健康照明應(yīng)運而生的產(chǎn)品。采用特定波長藍光led芯片激發(fā)紅、綠、青色等多種熒光粉，實現(xiàn)光譜可調(diào)的白光光源。通過優(yōu)化芯片波長和功率，及與熒光材料吸收及釋放波譜的配方，大幅提高照明led光源的光譜連續(xù)性、色飽和度、顯色指數(shù)，同時通過青色熒光粉對藍光的吸收，甚至實現(xiàn)二次轉(zhuǎn)光，有效降低藍光占比。許多公司也在加快開發(fā)藍光激發(fā)的全光譜照明led光源，近期朗明納斯、宇極芯光、瑞豐、聚飛等也相繼推出相應(yīng)產(chǎn)品。

依托不斷研發(fā)新型熒光材料與led芯片的合理配比，優(yōu)化光源光譜，同時引入智能控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)真正意義上的健康綠色生態(tài)照明。由于照明細分應(yīng)用的不同需求，光源提供商可根據(jù)光效、色彩要求、顯指參數(shù)、健康指標、及成本等進行權(quán)衡和優(yōu)化。比如，企業(yè)針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)出了通用全光譜悅目、護眼臺燈全光譜led（圖5）、影視燈全光譜led等不同系列產(chǎn)品。

5結(jié)語

本世紀以來，短短的的二十年時間，中國led產(chǎn)業(yè)的取得了引人矚目的成功，從一個無技術(shù)、無規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展到今天產(chǎn)業(yè)鏈齊全、技術(shù)先進、擁有全球最大制造規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。上、中、下油各環(huán)節(jié)的企業(yè)從珠三角拓展到長三角和全國各地，規(guī)模不斷壯大，國際競爭力不斷得到提升。隨著產(chǎn)業(yè)鏈競爭力增強，led器件封裝格局也在改變，近年來國內(nèi)制造商的進取精神發(fā)揮到極致，無論是芯片還是封裝產(chǎn)業(yè)，都在大肆擴產(chǎn)，產(chǎn)線以數(shù)十數(shù)百的單位擴張，而國際廠商在過去幾年基本上沒有擴產(chǎn)。

在生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備方面，led封裝制造產(chǎn)線也已經(jīng)鳥槍換炮了，目前的led封裝制造產(chǎn)線，大部分工藝都實現(xiàn)了自動化，并不斷向著智能化互聯(lián)自控技術(shù)發(fā)展。在封裝結(jié)構(gòu)上，從開始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的dsp，倒裝技術(shù)以及方興未艾的mini led，封裝技術(shù)仍在市場需求的推動下高速地向前發(fā)展。在器件的質(zhì)量環(huán)節(jié)，隨著led光效商業(yè)化地攀過了180lm／w的高峰，人們逐步將關(guān)注重點從器件的光效轉(zhuǎn)到更高要求的光色要求，在關(guān)注節(jié)能的同時更希望滿足健康和情調(diào)照明的要求。

本白皮書試著從幾個側(cè)面來剖析這波瀾壯闊的led光源產(chǎn)業(yè)全貌，掛一漏萬也好，管中窺豹也罷，只望能給企業(yè)的決策者、產(chǎn)品的開發(fā)者一個有益的參考，以便看清led光源器件的發(fā)展方向，清楚目前各環(huán)節(jié)一國外最高技術(shù)的差距，明白人們對照明產(chǎn)品的深層次需求，促進我國的led創(chuàng)業(yè)發(fā)展。

悅目系列：具有還原物體顏色真實生動的特性，綜合考慮了高顯色性／低高能藍光／高光效／低成本的各項指標，為通用型98顯指led，適合應(yīng)用于商照／教育／醫(yī)療／藝術(shù)展廳／家居等。

全光譜護眼臺燈系列：著重考慮到成長發(fā)育的孩子眼睛結(jié)構(gòu)及對光的透過率、敏感性和成人的不同，承受藍光的能力相對較弱，對于使用時間較長、使用距離近及具有的照度需求的臺燈，需要關(guān)注高能藍光成分對視網(wǎng)膜可能造成的損傷。如圖5所示，通過led光源的獨特設(shè)計，在高顯指悅目系列基礎(chǔ)上，進一步降低短波高能藍光占比，同時保障高波段藍光的比分以促進工作積極性及專注性，提高學習及工作效率。

全光譜影視燈系列：除具有較高的顯色性外，滿足r1－r15全部大于90的挑戰(zhàn)，具有極佳的保真及色飽和度；較高的電視照明一致性指數(shù)（ticl＝99）使得電視攝像、攝影機輸出端畫面的色彩真實清晰生動。

全光譜技術(shù)不限于某種特定的封裝形式，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求封裝成smd、cob、flash、dob等模組產(chǎn)品，為高品質(zhì)照明生活提供多樣靈活的led燈珠與解決方案。

（作者：劉國旭）