适合于中老年人夜间驾驶照明的低色温琥珀色LED路灯

摘要

本发明公开了一种适合于中老年人夜间驾驶照明的低色温琥珀色LED路灯。本发明采用蓝光铟镓氮LED芯片和琥珀色荧光粉合适比例的结合，构造出这种色温较低，同时仍然具有发光二极管的高光效和较高显色性能，兼有高压钠灯的高透雾性特点的路灯，取代传统的高压钠灯路灯。和传统高压钠灯相比，本发明有更高的光效和显色指数；和普通白光LED相比，本发明有较低的色温和较高的透雾性能，不会引起生物钟紊乱，引起的光污染相对较小，更适合视网膜黄化的中老年人在夜间驾驶和行走。

说明书

技术领域

       本发明涉及大功率LED路灯，特别是一种色温介于1700K至2700K之间的琥珀色大功率低色温LED路灯。

背景技术

       随着半导体照明技术的发展，LED具有光效高、颜色多、可定向、节能环保、可靠性高、显色性好、寿命长、容易调控等优点，已出现替代各种传统照明光源产品的趋势。相对于传统的高压钠灯路灯而言，由于LED体积较小，可以通过透镜来满足路面较均匀的光斑分布，提高光能的利用，因此可以达到比高压钠灯更高的光能利用率和均匀性；由于LED的高光效，使得它比高压钠灯具有更好的节能效果。

目前白光LED主要由蓝光LED芯片加上黄色荧光粉构成，在低波长波段的蓝光成分较多，因此色温较高。夜间路灯照明属于中间视觉，由于普金耶效应，人眼对低波长波段的光较为敏感，白光LED的中间视觉光效比明视觉光效高。白光LED的这个特点曾被照明界认为是一个优势。但是，最近白光LED的使用中愈发显现了这种蓝光部分较多的LED所存在的问题。这类高色温、富蓝光LED的照明会对人体及视觉产生多种副作用；它会抑制人体褪黑激素的产生，使人难以入睡产生疲劳，长久使用会造成生物钟紊乱，进而产生精神问题；富蓝光LED会造成较为强烈的夜间辉光污染，对人类的生活、夜间的天文观测、生态环境以及夜空整体美感均有不良影响；另外，由于中老年人随着年龄增加，存在晶状体黄化现象，中老年人的眼睛无法在夜间较好地接受来自这类富蓝光LED光源发出的光，使用目前普通的白光LED不利于中老年人在夜间的驾驶和行走，将会降低夜间驾驶和行走的安全系数。

发明内容

       本发明专利的目的是解决现有LED技术中，LED的蓝光成分较多，色温较高，心理和生理副作用及光污染作用较严重，不适合中老年人夜晚驾驶和行走，透雾性不足，总体不适合夜间道路照明的问题。本发明提供了一种适合于中老年人夜间驾驶照明的低色温琥珀色LED路灯，包括琥珀色大功率LED、自由曲面透镜、透光罩、线路板、驱动电源、散热结构和外壳，所述琥珀色大功率LED的光谱设计采用铟镓氮蓝光LED芯片激发荧光粉发出琥珀色光构成，发出的蓝光峰值波长在440nm至460nm之间，所用荧光粉为掺铕琥珀色荧光粉或YAG黄色荧光粉和红色荧光粉按一定比例混合而构成，其发光峰值波长在580nm至600nm之间，所述琥珀色大功率LED发出的光中，蓝光的能量比例小于总能量的10%，琥珀色光能比例大于总能量90%，其色温处于1700K至2700K之间。

进一步的，所述琥珀色大功率LED具有比高压钠灯路灯光效提高20%以上，等效显色性提高50%以上，等效显色指数Rames按以下公式计算：

γ指色偏移归一参数，由环境亮度决定，Ra为明视觉下的显色指数。

进一步的，所述琥珀色大功率LED（1）符合人体生物钟要求，在夜间照明时对人体褪黑激素产生的抑制作用比3000K以上色温的LED路灯低80%以上，不会引起生物钟紊乱，光源在夜间照明时对人体的褪黑激素抑制效应（MMSI_A）按以下公式计算：

K₀和K_mes0分别为夜间照明时明视觉和中间视觉条件下的光谱光视效能；V(λ)和Vmes(λ)分别为明视觉和中间视觉照明下的光谱光视效率；S(λ)为设计的LED光源的光谱功率分布曲线；S_A(λ)为CIE标准A光源的光谱功率分布曲线；C(λ)为各个波长光对人体褪黑激素的抑制函数。

进一步的，所述琥珀色大功率LED引起的可见光散射辉光光污染较普通白光LED要低1倍以上，在雨雾、雾霾天气下，具有最强的穿透能力，提高夜间驾驶时对物体的分辨能力，可见光范围内的辉光指数MGVI_A按以下公式计算：

V’(λ)表示暗视觉条件下人眼的光谱光视效率。

进一步的，所述琥珀色大功率LED发出的光符合中老年人由于晶状体黄化后的视觉要求，对老年人晶状体的透过率比3000K以上色温的LED路灯高，适合老年人在夜间驾驶和行走，因晶状体黄化而造成的视网膜亮度下降效应指数MLYIage按以下公式计算：

T_age(λ)和T₂₅(λ)为某一年龄老年人和25岁青年人晶状体的平均光谱透过率。

进一步的，所述掺铕琥珀色荧光粉包括 (Sr,Ba)₂SiO₄:Eu；所述黄色荧光粉包括Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce；所述红色荧光粉包括 (Ca,Sr)₂Si₅N₈:Eu、Ca₂Si₅N₈:Eu或Sr₂Si₅N₈:Eu。

本发明的色温较低（介于1700K与2700K之间），发出光色为琥珀色的大功率LED路灯，辉光污染也随着蓝光成分的降低而降低；本发明的低色温LED路灯发出的光颜色为琥珀色，能被晶状体黄化的中老年人较容易地接收，从而提高对夜间物体的分辨能力，让他们能够在夜晚安全出行。且由于琥珀色光的成分较多，相比普通白光LED具有更少的散射辉光和更高的透雾性。同时，本发明技术相对于目前使用的传统道路照明高压钠灯，仍然具有LED光源光斑设计可调、光效高、显色性好的优势。

本发明的琥珀色大功率LED路灯与现有常用的夜间照明的高压钠灯相比，它的光效明显高于高压钠灯、对雾的穿透性优于高压钠灯、显色性能比高压钠灯更加优秀。同时，本发明与现有的白光LED相比，发出光谱的蓝光成分较低，色温也较低。它对人体褪黑激素的产生抑制效果较低，不会引起疲劳、睡眠困难和生物钟紊乱；并且，它造成的城市辉光污染比现有的白光LED低。同时，因为中老年人晶状体黄化，本发明设计的LED路灯比普通白光LED路灯更加适合中老年人在夜间驾驶和行走时的视觉状况。

附图说明

图1是本发明的琥珀色大功率低色温LED路灯的结构；

图2是现有的暖白、正白LED、高压钠灯和琥珀色大功率LED发出的光谱曲线对比；

图3是各个波长光对人体褪黑激素的抑制函数C(λ)；

图4是25、50和75岁人晶状体对各个波长可见光的平均透过率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明使用铟镓氮蓝光LED芯片，配以合适比例的琥珀色荧光粉或红色和YAG黄色荧光粉按一定比例混合成的琥珀色荧光粉，封装成为新型LED灯，将色温控制在1700-2700K，然后在LED前配置自由曲面透镜2，采用铝基板、陶瓷基板或金属线路板，和热管或散热翅片、金属基热沉6散热，配上铝合金或不锈钢外壳7和可控恒流功率驱动电源5。

外壳7内有灯线路板4，灯线路板4上焊有琥珀色大功率LED灯1，蓝光LED芯片的峰值波长在440nm左右，琥珀色荧光粉被激发以后发出光的峰值波长在580-600nm。LED的前面装有自由曲面透镜2，使LED发出的光成为沿路面方向铺展的蝙蝠翼光斑分布。LED灯的线路板为铝基板、陶瓷基板、硅基板或金属线路板，板的后面装有金属基热沉，热沉后面装有散热翅片或热管装置。

        图2为琥珀色LED、暖白色LED、正白LED和高压钠灯HPS发出的光谱分布。由图2可见，琥珀色大功率LED发出光的光谱曲线较为平滑，且蓝光所占成分较低。由光谱曲线可设计出琥珀色大功率LED的色温、显色指数、辐射光效等参数。表1是对设计的琥珀色大功率LED、高压钠灯、现有的暖白、正白等白光LED的相关参数的比较。表中，0.1cd/m²、2cd/m²和>5cd/m²分别对应于行人走路中间视觉、快速路驾驶中间视觉和明视觉条件下的环境亮度，在各环境亮度下得出的相关参数是不同的。

这些参数中，等效显色指数R_ames所指的是在考虑环境亮度降低时，人眼的色分辨能力下降情况下归一化的光源等效显色指数，在>5cd/m²的明视觉条件下即为R_a。等效显色指数其计算方法如公式（1）所示：

                         （1）

       公式（1）中，γ指的是色偏移归一化参数，是一个由环境亮度决定的参数。对于0.1cd/m²和2cd/m²的环境，γ分别为0.16和0.51。

表1 各类光源的光学性能指标对比

由表1可见，设计的琥珀色大功率LED的色温较低，色品坐标和高压钠灯接近，等效显色指数优于高压钠灯。等效显色指数虽不及白光LED，但在亮度为0.1cd/m²和2cd/m²的夜间条件下，等效显色指数分别达到了90和70，已经完全能够满足夜间照明辨色的需要。

本发明琥珀色大功率低色温LED路灯，它对人体产生褪黑激素的抑制作用较低，相应地也具有较低的生物钟扰乱效应。各个波长的光对人体的褪黑激素抑制效应可以用抑制函数C(λ)表示，如图3所示。因此，单位光强下，单位亮度的光源在夜间照明时对人体的褪黑激素抑制效应MMSI_A可以用公式（2）来表示：

         （2）

其中，K₀和K_mes0分别为夜间照明时明视觉和中间视觉照明下的光谱光视效能；V(λ)和V_mes(λ)分别为明视觉和中间视觉照明下的光谱光视效率；S(λ)为设计的LED光源的光谱功率分布曲线；S_A(λ)为CIE标准A光源的光谱功率分布曲线，其在明亮条件下对人体产生生物钟扰乱效应被定义为1。

将本发明的琥珀色大功率LED分别和普通白光LED及高压钠灯在明亮条件（>5cd/m²）、中间视觉照明条件（0.1cd/m²、2cd/m²下）的MMSI_A进行对比，结果如表2所示。

表2 各光源的褪黑激素抑制效应对比

由表2可见，本发明的琥珀色大功率LED对褪黑激素抑制的指标在各个亮度条件下都是最低的，不会对人体产生褪黑激素有明显的抑制作用，不会引起生物钟紊乱。

本发明的琥珀色大功率低色温LED路灯，它造成的辉光污染低。因瑞利散射和米散射，富蓝光LED光源的光会被空气中的颗粒散射到城市上方天空，导致夜空光线污染和夜空中天体相对亮度下降，影响天文观测和夜空的整体美感。同时，这种辉光也对夜间的生态环境产生负面影响，影响动植物、人体的生理反应和结构。

对夜晚辉光的评判指标MGVI_A是指整个可见光范围内可以观测到的辉光指数；MGVI_A的计算如公式3所示。

           （3）

V’(λ)表示暗视觉条件下人眼的光谱响应强度。将琥珀色大功率LED、白光LED和高压钠灯的MGVI_A作了对比，结果如表3所示。

表3 各种光源造成的辉光污染效应对比

由表3可见，本发明的琥珀色大功率低色温LED造成的辉光污染是最低的。同时，这也意味着它在雨雾、雾霾天气环境中，在所述几种光源中具有最强的穿透能力，提高夜间驾驶时对物体的分辨能力。

普通白光LED造成的辉光污染较高，且在颗粒物较多的环境下，穿透能力差，对天气适应能力不强，并不适合夜晚道路照明。

人体的晶状体随着年龄的增加，会逐步黄化，结果是晶状体对低波长（蓝光）的透过率下降，蓝光无法很好地呈现在视网膜上。对中老年人而言，富蓝光光源的亮度实际上要低很多。本发明设计的琥珀色大功率低色温LED路灯相比目前的白光LED光源，更加适合中老年人在夜间驾驶和行走。晶状体光谱透过率T_age(λ)和年龄有关，如图4所示。这种因晶状体黄化而造成的视网膜亮度下降的效应可以用和年龄相关的视网膜亮度指数MLYI_age来表示，由公式（4）计算获得。

      （4）

表4列出了各种光源MLYI_age的对比。

表4 各种光源对中老年人的视网膜亮度指数对比

由表4可见，与高压钠灯相比，琥珀色大功率LED对中老年人的视网膜亮度类似，两者都没有明显的亮度下降。而普通白光LED对中老年人，尤其是75岁左右的老年人，则视网膜亮度有较为明显的下降。

本发明的琥珀色大功率低色温LED路灯一实施例，由蓝光铟镓氮LED芯片激发红色Sr₂Si₅N₈:Eu和琥珀色(Sr,Ba)₂SiO₄:Eu混合荧光粉构成；本实施例的琥珀色大功率低色温LED路灯测得的色温为1851K，显色指数（明视觉）为40.1。

本发明的琥珀色大功率低色温LED路灯另一实施例，由蓝光铟镓氮LED芯片激发红色(Ca,Sr)₂Si₅N₈与黄色Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce混合荧光粉构成。其中，红色荧光粉和黄色荧光粉的混合比例为1:1。这种琥珀色大功率低色温LED路灯色温为1842K，显色指数为38.9。

本发明的琥珀色大功率低色温LED的两种实施例的各个指标如表5所示。

表5 琥珀色大功率低色温LED的两种实施例的各个指标

由两种实施例的琥珀色大功率低色温LED的各项指标都相似。分别将108颗采用实施例1和实施例2设计封装的1W大功率琥珀色LED安装在线路板上，配以自由曲面透镜、透光罩、驱动电源、散热器和外壳，封装成2个120W的琥珀色路灯，具有色温低、等效显色性好、褪黑激素抑制水平低、穿雾能力强、造成光污染小、适合晶状体黄化的中老年人行走和驾驶的优势。

以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。