室内(家居、办公室)照明光源的适宜色温

2014年04月21号浏览量:17749

近来有关白光LED中存在蓝光损害的议论纷纷扬扬,众人评论,畅所欲言。一些专家学者亦仁者见仁,智者见智,发表看法。

蓝光是白光的基本成分,适量的蓝光不仅为保证光源的显色性所必需,还对人的生理节律有调节作用。蓝光对人眼的伤害,主要是波长400-500nm的过量辐射所造成。只要合理地正确使用合格的普通照明白光LED,对人眼完全是安全的。

专家指出:室内LED产品的色温不宜超过4000K,一般显色指数应达到80 以上。室内照明应避免使用5000K及以上的LED产品。色温3200-3500K的暖白色光源最适合人眼视觉生理需要。“正确使用的合格LED产品不具备蓝光危害。”——《普通照明LED与蓝光》白皮书主要结论发布。

    白皮书主要结论的发布,表明这场蓝光损害的讨论已告基本结束。定性上做到了有益于普通照明白光LED的推广使用。本文试图通过对于“室内(家居、办公室)照明光源的适宜色温”这一课题的研讨,定量上协助达到这一目的。

勤上T5支架灯

  ㈠基尔霍夫定律和黑体辐射定律

    由热平衡辐射的基尔霍夫定律:

                              Me1(λ,T)/α1(λ,T)=Me2(λ,T)/α2(λ,T)=f(λ,T) (1)



    由(1)式,热平衡辐射的基尔霍夫定律文字叙述:

    “物体的光谱辐射出度Me(λ,T)和光谱吸收率α(λ,T)之间的比例与辐射物体性质无关,只与波长和温度有关。”  

    根据光的量子论,可推导出描述黑体辐射的定律,即普朗克公式(略)。由普朗克公式可得到黑体辐射的相对光谱能量分布曲线(即光谱辐射出度按波长发布的曲线)。随着温度的提高,曲线下面积黑体的辐射出度Me黑迅速增加:

                               Me黑(T)=∫Me黑(λ,T)dλ=σT (2 )

    <特别声明:由于电脑打字原因,该公式中:∫为定积分,上线:∞,下线:0。此外,斯提芬-波尔兹曼常数σ为4次方。特致歉意>  此式即:斯提芬-波尔兹曼定律。



    由(2)式,黑体辐射的史提芬-波尔兹曼定律文字叙述:

    “黑体的辐射出度随着温度4次方地极快上升。”

    由黑体辐射的相对能量分布曲线,具有最大辐射能量的波长λ峰和黑体的绝对温度T的关系为:

                               λ峰=2.897×10﹣³/T   (3)

    此式即:维恩位移定律。



    由(3)式,黑体辐射的维恩位移定律文字叙述:

    “随着温度的提高,辐射光谱的最大峰值向短波方向移动。”



    光速( 电磁波在真空中的传播速度):C=λv

    光子的能量:Q=hv=hC/λ



    推出结论:波长较短的光子具有更大的能量。可见光中,除了紫光,蓝光能量最大,由此发生了所谓的蓝光损害。其前提是:紫、蓝光在灯的光谱能量分布曲线中必须相对能量较高(过量辐射)时,造成伤害。事实上,大自然中的太阳光以及白炽灯和含汞的气体放电灯(包括含汞的金属卤化物灯,甚至应用钠汞齐的高压钠灯辐射发光的蓝绿区域也含有很弱的汞线。)中都或多或少地含有蓝光辐射,由于其辐射强度属正常范围内,在一般情况下,都不会造成蓝光损害。关键还是:正确对待,合理使用。



   ㈡光源的色温

    ⑴大自然的太阳光

    人的眼睛在白昼一致适应自然光。太阳光是连续光谱,中午的直射阳光4874K,平均日光6774K,近似阴天天空日光。日出后、日落前色温较低,约为2000-4500K。中午和阴天色温略高,约为5000-7000K。火光也是色温较低的连续光谱,人类在几十万年的历史进程中特别习惯于日光和火光,形成了特殊的偏好。

    ⑵人造的室内照明光源

      与室内照明有关的电光源:

     ①白炽灯系列(Ra97-99):真空白炽灯色温2400-2600K.

                             充气白炽灯色温2700-3000K.

                             卤钨白炽灯色温2500-3000-3200-3500K.

     白炽灯钨丝的熔点:3680K.(“传统卤钨灯色温5600K”,超过了钨丝熔点,为不实之言。)例如:照明管型卤钨灯、红外线管型卤钨灯色温均为2800K。摄影聚光卤钨灯(硬料玻璃、石英玻璃)色温均为3100-3200K。电影新闻摄影卤钨灯、放映卤钨灯色温均为3100-3200K。红外线灯属于特殊白炽灯系列,其色温﹤2500K。(浴霸即红外线灯的一种。前段时间所发生浴霸<浴霸取暖往往采用4支,总功率可达1000-2000瓦。>强光——近紫外光,可见光和红外光致使儿童眼睛失明一事,这其中,近紫外、红外辐射都逃脱不掉干系。)

     ②荧光灯系列:普通照明荧光灯——紧凑型荧光灯(单端荧光灯、自镇流荧光灯)、双端荧光灯、环型

                                     荧光灯。(三基色稀土粉Ra80-85)

                                     相关色温:白炽灯色(2700K)、暖白色(2900K)、白色(3500K)、

                                            冷白色(4500K)和日光色(6500K).

                   特殊照明荧光灯——色评价灯、高显色荧光灯(Ra95-98)相关色温4500K、5000K、5500K

                                      6500K。

                                      这类灯的光效较低,50lm/w。用于色评价和高显色场所。高显色荧光

                                      灯可用于电视台新闻联播的主持现场,是除了白炽灯以外,显色性最

                                      好的气体放电灯。

     ③照明白光LED系列:LED日光灯、台灯射灯球泡灯、天花板灯和柜台灯。相关色温2900-6500K。



    ㈢色度学考虑

人工光源的最优光色是什么?是色温较高的偏蓝色光,还是色温较低的偏黄色光?主观评价法(要求观察者在各种照度下评定哪种光色的主观感觉最好。)研究表明,照度水平与光色的舒适感有一定的相互关系。在很低照度下,舒适的光色是接近火焰的低色温光色;在偏低或中等照度下,舒适的光色是接近黎明和黄昏(2000-4500K)的色温略高的光色;在较高照度下,舒适的光色是接近中午或偏蓝(5000-7000K)的高色温天空光色 。

    不同色温的人造光源并不影响视觉辨认细节的能力。试验证明,在白炽灯(2900K)、荧光灯(6500K)、高压汞灯(5500K)三种色温的光源照明下,在相同照度下的视觉辨别细节能力没有差别。室内(家居)照明要求应该属于“偏低或中等照度”较为适宜。举例:“晴朗的夏日在采光良好的室内的光照度100-500lx”;“白天室内100-500lx”;“40瓦日光灯下(1米)300lx”;“40瓦普通白炽灯下(1米)30lx”;“一般阅读时50lx”;“工作场合下20-100lx”。 因此,室内光源的色温范围确定为2400-5500K为宜,可基本满足家居生活的卧室、餐厅、厨房、洗浴、娱乐和学习的要求。虽然上述的室内照明照度要求系上世纪七十年代 制订,与现今的精神、物质文化生活要求有一定距离,但仍不失其参考价值。随着物质文明的提高,当今的“学习台灯要求光照均匀,离桌面距离40厘米处的光照度不应低于750lx”。办公室照明要求则应属于“中等偏上 ”的较高照度。



   ㈣关于高显色荧光灯和色评价灯

     笔者所提出的 室内照明光源色温范围的上限为5500K,已超过4000K,达到5000K以上。出于:

    ⑴deluxe(豪华)高显色荧光灯的考虑:既然显色指数高达95-98,相关色温达5500K,光效50lm/W。(Philips公司:TL-D90 Graphica Tc5000K Ra98;美国德克萨斯州Vita-Lite公司:Tc5500K Ra96。上海华利图像设备有限公司:Tc5000K和6500K Ra>95。规格:18W、36W、58W)尚能自由出入电视台新闻联播主持(人)现场,在保障工作人员人身(近紫外、蓝光对人类眼睛、皮肤的可能伤害)安全的同时,满足高质量的浏览、阅读要求。为什么百姓的家居却要将其拒之门外?

    ⑵色评价灯:用于一般住宅、办公大楼、饭店旅馆、店铺、购物中心、量贩卖场、走廊等公共场所。特别适用于台灯、桌灯、夹灯、嵌灯和美术灯。(日立HITACHI三波长色评价灯规格: Tc3000K<EX-N灯泡色:黄光> 5000K<EX-L昼白色>。日立四管并排灯管<手掌型>规格:FML27w和FPL18w EX-N;FPL27w EX;FPL55w EX。)色评价灯用于色评比、颜色检验。又称:对色专用灯。用于:颜料厂、涂料厂、油墨厂、家具厂、印刷制版车间、对色箱、博物馆、画廊、实验室、成衣厂、绘图室和产品展示间。



   ㈤从光谱能量分布考虑:

    ⑴从各种荧光粉的光谱能量分布<横坐标波长(nm),纵坐标辐射功率(微瓦/10纳米)>来考虑:

      ①对于相关色温2900K(暖白色):相对于450nm蓝光处的辐射功率(微瓦/10纳米流明)值为150,

                                    峰值>250。

      ②对于相关色温3500K(白色):相对于450nm蓝光处的辐射功率(微瓦/10纳米流明)值为170,

                                    峰值>250.

      ③对于相关色温4500K(冷白色):相对于450nm蓝光处的辐射功率(微瓦/10纳米流明)值为200,

                                    峰值220.

      ④对于相关色温6500K(日光色):相对于450nm蓝光处的辐射功率(微瓦/10纳米流明)值为250,成为

                                    峰值。该荧光粉的次峰值为200.

                                  

                 



      结论是:①随着相关色温的提高,450nm蓝光处的辐射功率提高。

              ②对于2900K暖白色、3500K白色和4500K冷白色来说,450nm处的蓝光辐射均低于各自荧光粉的

                  峰值。

              ③对于6500K日光色,450nm处的蓝光辐射高于日光色荧光粉的次峰辐射值,过量的蓝光辐射损害

                  不容忽视。

                

    ⑵从各种卤磷酸钙荧光粉的光谱能量分布<横坐标波长(nm),纵坐标相对能量(%)来考虑:

       2900K暖白色在450nm处辐射的相对能量8%;3500K白色在450nm处辐射的相对能量22%;4500K冷白色在

       450nm处辐射的相对能量38%;6500K日光色在450nm处辐射的相对能量56%。



  *由4500K冷白色荧光粉的两种光谱能量分布<横坐标是波长(nm),纵坐标分别是辐射功率(微瓦/10纳米流明)

   和相对能量(%)>可以看到:其在450nm处的蓝光辐射均不构成“过量辐射”,无“蓝光损害”。

    ⑶由黑体辐射的相对能量分布<横坐标波长(纳米),纵坐标相对能量>来考虑:

       1000K峰值>1200nm;3000K峰值960nm;4000K峰值780nm;5000K峰值600nm;6000K峰值500nm。以上色温在

        450nm处均不构成峰值。由此推断:色温5500K的辐射峰值应在500-600nm之间。



     出于以上⑴、⑵、⑶的考虑,笔者提出把室内家居照明光源的色温上限定量扩展至5500K。至于办公室照明应为“中等偏上”的较高照度水平,而较高照度下舒适的光色是中午阳光或偏蓝的高色温天空光色。由此,对于办公室照明,日光色(6500K)荧光灯应不再作为限制。



   笔者甚至考虑:室内家居照明光源色温放宽至5500K;对于紧凑型荧光灯(其亦可作为台灯光源)来讲,选用三基色稀土荧光粉的同时,高显色荧光粉是否亦可作为考虑之列。这一点,对于荧光灯生产厂家又是否是个商机呢?



   以上是笔者对于室内(家居、办公室)照明光源的色温选用范围考虑,不当之处,请指正。





 参考文献

   ⑴《电光源原理》 复旦大学电光源实验室 上海人民出版社 1977

   ⑵《电光源工艺》 方道腴、蔡祖泉编著 复旦大学出版社 1988

   ⑶《色度学》 荆其诚、焦书兰、喻柏林、胡维生编著 科学出版社 1979
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