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近红外增强型LED照明方法

2018/7/3 16:37:25
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随着LED照明的发展,照明行业越来越重视一个话题:人类中心照明(HCL)。虽然HCL没有明确的定义,但共同的理解是,这是支持健康和人类福祉的光和照明。一些新的提案超越了提供适当质量的可见光的方法,同时也提供了支持健康和幸福的无形辐射,紫外线和/或近红外。一些研究和人类的进化显示出这种照明的积极作用的明确证据。Silas首席执行官Scott Zimmerman介绍了一种将近红外辐射增加到LED照明的新方法。他解释了这个想法的背景,它如何提高可见光的质量并讨论健康益处。

近红外增强型LED照明方法

研究结果表明,添加红外光谱可以减少“蓝光危害”的影响,增加幸福感。混合LED增加了一个小的白炽元素是......

数百万年来,太阳在近红外(NIR)和可见(VIS)波长中提供了大约90%的能量,其余百分比大致分为紫外(UV)和中/长红外(IR)。

在一个非常短暂的进化时间框架内(200年),我们已经从一个占主导地位的农业社会迁移到90%的时间在阳光下到现在,我们将90%的时间花在人工照明上(EPA估计)。在同一时间框架内,族群从其进化区域迁移。这引发了与最佳HCL基线相关的几个关键问题,或者即使每个人只有一个HCL基线。

如图1所示,与我们的细胞进化相比,照明界正在彻底缩小人工照明环境的光谱范围。这种变化是由成本,技术和节能所驱动的,但似乎没有任何健康或保健福利的支持。

图1:与我们的细胞进化相比,照明界正在彻底缩小人工照明环境的光谱范围(Credits:Nick Spiker,www.nikespiker.com)图1:与我们的细胞进化相比,照明界正在彻底缩小人工照明环境的光谱范围(Credits:Nick Spiker,

我们应该使用什么HCL基线?

这种光谱减少始于150年前,其长丝源提供了大量的NIR / IR,但褪黑激素刺激所需的紫外/蓝色含量极少。幸运的是,在这段时间的大部分时间里,我们都是一个充满活力的农业社会。在过去的40年里,我们已经开始通过荧光灯转向“Just Visible”(JV)照明,但我们家中的白炽灯光源仍然具有显着的NIR / IR。在过去的十年中,我们开始了一个过程,几乎消除了人工照明环境中的所有近红外/红外光源。不幸的是,这与节能的近红外反射窗口治疗和皮肤癌问题相吻合,减少了我们在户外的时间。如UV / VIS / NIR / IR图像所示,我们的身体对每个光谱区域的吸收和反应都非常不同。

UV

紫外光谱区域为维生素D的生产提供能量。另一方面,高能紫外线辐射紫外线会伤害我们的组织,破坏我们的遗传信息,并导致癌症。黑色素是主要的吸收剂,提供针对紫外线电离辐射及其相关皮肤癌的保护。 - 黑皮肤含量低的皮肤白皙的个体发生皮肤癌的可能性比深色皮肤的个体高10倍。

VIS

我们的视觉系统被限制在大约400nm到大约700nm之间的范围内。这种可见光辐射通常被称为光,照明行业主要关注它。其特征在于提供仅提供这种“仅可见光谱”(JV光)的光源的趋势。这种辐射范围,尤其是高能量蓝色范围,也与我们的适应性昼夜节律相关。蓝色范围也会影响我们的生理,并可能对组织造成一些损害。

NIR

我们身体吸收的大部分能量来自近红外线。在这个光谱区域,黑色素水平以对数方式下降,即使通过我们的头骨,我们的身体也可以穿透超过1英寸的深度。大多数有机材料(叶子,织物和着色剂)基本上是透明的,如图2所示(Nick Spiker)。

图2:图片显示了可见(VIS)辐射(左)和近红外(NIR)辐射(右)的吸收和反射差异。  - 出于比较原因,图像以灰度级保持图2:图片显示了可见(VIS)辐射(左)和近红外(NIR)辐射(右)的吸收和反射差异。 - 出于比较原因,图像以灰度级保持

IR

来自太阳的大约8%的能量落在红外光谱区域。当黑色素吸收接近零时,该区域由吸水性决定。在IR中,我们都是平等的(深色皮肤和白发)。虽然存在争议并且超出了本文的范围,但甚至有证据表明NIR和IR都是体内能量储存的基础。

关于光的定义

虽然光被严格定义为我们的眼睛所响应的那些波长,但作者认为这个定义部分地导致我们错过了UV / NIR / IR对我们的细胞和HCL的重要性。出于本文的目的,光将用于指UV / VIS / NIR / IR辐射。

拟议的HCL基线

针对HCL基线提出了三个基本原则:
?最小NIR / VIS比率大于1 
?零闪烁
?照明应适应皮肤色素沉着水平

一般来说,常识论证是自然是机会主义的,并且数百万年来我们的细胞已经进化到利用我们眼睛看不到的60%的光谱能量。通过采光研究[1]进一步证明了这一论点,这表明太阳光在短期和长期对我们现有的人造光源总是优越的。更进一步,医学界每年发表关于近红外线治疗的400多篇同行评审论文[2,3,4]。具有讽刺意味的是,与此同时,照明界正在消除我们生活中NIR / IR的主要来源,医学界发现NIR可用于治疗从痴呆到皱纹等各种疾病。运动队甚至使用近红外线治疗来提高运动成绩[5],担心其应该被禁止参加竞技运动[6]。

三个基本原则来自三个观察。

近红外/可见光比率

所有自然光源的近红外/可见光比率均大于1:太阳的近红外/可见光比率范围从1(中午)到5(日出/日落),月光约为2,火灾范围从5到10千克医疗文章表明,NIR通过刺激线粒体中ATP的产生来保护和修复我们的细胞[7]。还有新的水研究[8]表明NIR / IR可能是细胞水平能量储存的基础。有趣的是,存在700至1000纳米的生物窗[9],其中吸收最小。这使得NIR甚至可以通过我们的头骨穿透我们的身体一英寸。我们的大多数细胞只“看到”近红外波长。例如,NIR是 被我们的血液强烈吸收但被其他周围组织吸收很弱,使得血管在NIR中可见,在VIS中并不明显。巩膜的透射和吸收也会根据光谱范围而变化(图3)。

图3:UV,VIS,NIR图片显示了眼睛吸收的差异。 图3: UV,VIS,NIR图片显示了眼睛吸收的差异。巩膜(眼睛的白色)强烈反射VIS光,但对NIR信用的透射性是4倍:Nick Spiker,www.nikespiker.com) - 出于比较原因,图像统一为灰度

关于闪烁

闪烁是有害的,甚至可能是痴呆率上升的一个因素。虽然可能是最具争议的原则,但闪烁在自然界中并不存在,只是为了简化驱动电子设备而存在。麻省理工学院最近的工作表明,脉冲光会影响斑块的形成,因为它与痴呆有关[11]。人们普遍认为,相当大比例的ASD人群对闪烁敏感[12]。

光和皮肤色素沉着

在最近的迁移之前,皮肤色素沉着完全基于纬度和叶子条件。如图4所示,这种进化适应导致NIR光在人体内的吸收方式存在巨大差异。令人怀疑的是,所有种族群体都存在单一的最佳HCL基线,事实上,可以认为某些种族群体因我们的合资企业照明方法而处于不利地位。鉴于我们是纬度移动的,似乎最佳的HCL基线需要适应个体的皮肤色素沉着。

图4:Lambda Research TracePro模型,了解NIR光在人体内的吸收差异。 NIR独特地穿透我们的身体(甚至我们的头骨)一英寸,减少炎症,增强认知技能,并刺激肌肉力量图4: Lambda Research TracePro模型,了解NIR光在人体内的吸收差异。NIR独特地穿透我们的身体(甚至我们的头骨)一英寸,减少炎症,增强认知技能,并刺激肌肉力量

巧合还是关键问题?

非洲裔美国人痴呆症死亡率最高(80 / 100,000),几乎是美国白人死亡率的两倍[13]。这与赤道黑人群体的痴呆死亡率最低(1 / 100,000)相反[14]。直到最近,苏联集团90%的照明都是白炽灯“Ilyvich”灯泡,与美国和欧洲不同。俄罗斯的痴呆死亡率为(2 / 100,000),而芬兰痴呆死亡率为(53 / 100,000)[14]。近视率正在飙升,特别是在主要使用JV LED照明的亚洲国家[15]。园艺照明正在增加NIR以提高增长率[16]。非VIS昼夜节律线索正在提出[17]。黄斑变性正在接受NIR治疗[18]。

虽然上面的确切根本原因尚不清楚,但认为照明起到一定作用是合理的。为什么建立HCL基线如此困难?

需要HCL基线研究

与植物不同,当我们四处移动并生活在各种各样的生活方式中时,很难准确地评估光对人类的影响。鉴于自然阳光可以为典型的人体提供高达60 MJ /天的UV / VIS / NIR / IR,并且当我们坐下来阅读书籍时,白炽灯可以在本地提供更高的近红外曝光水平,简单的生活方式变化可以显着影响光照研究。一般而言,缺乏长期研究,其考虑到参与者每日,每周和每月的总曝光量。除了缺乏对照研究之外,医学界还有动力开发可以在办公室访问的时间限制内完成的治疗,同时照明社区的动机是尽可能地限制光谱范围以节省能量。

建议的解决方案 - 测量和简化照明

建议的解决方案包括两部分
?每日,每周,每月UV / VIS / NIR曝光水平跟踪
?采用NIR增强型LED照明,模拟完整的昼夜节律频谱,无需复杂的驱动程序

曝光跟踪

应用程序可以根据位置,时间和天气状况累积每日,每周和每月的曝光数据。估计时,可以从移动设备访问大量信息。这结合了一些个人的回应; 你的办公室有LED或荧光灯,窗户是否有近红外反射涂层,你穿什么(如穿透NIR的衣服)等可以用来进一步提高监测的准确性。通过在手机中引入NIR相机,现在可以直接测量UV / VIS / NIR水平并将数据输入到应用程序中。一般来说,应用程序的目的是扩大我们“看到”的光谱范围,以便我们可以适当改变生活方式。

近红外增强型LED照明

图5描绘了NIR增强型LED光源,仅通过调节输入电压即可模拟太阳的强度和光谱位移(Complete Spectrum Circadian?)。该系统可以缩放到任何流明水平,并且可以针对个体偏好或皮肤色素沉着水平调整NIR / VIS的比率。

图5:NIR增强型LED光源,模拟太阳的强度和光谱位移图5: NIR增强型LED光源,模拟太阳的强度和光谱位移

该系统基于三个组成部分; 一种新颖的CNT Yarn LED封装和2线端子灯丝源。灯丝源是非线性电阻,用于消除对复杂恒流驱动器的需求,如图6所示。

图6:LED,白炽灯和组合光源的U / I图图6: LED,白炽灯和组合光源的U / I图

低温灯丝源是已知的最长的人造光源(世纪灯泡),在产生近红外/红外光方面效率高达90%。从室温到工作温度,灯丝源的电阻增加十倍。正在申请专利的串联/并联设计用于产生光谱和强度IV响应,其仅通过调节从零到峰值电压的电压来模拟太阳(在图5的示例中为0-15V)。这消除了对PWM调光方法相关的恒定电流驱动器和闪烁的需要。该技术可用于DC和AC输入,并可缩放至任何流明输出水平。然而,基于之前的闪烁讨论,建议该解决方案应该用作推动DC照明解决方案的催化剂。

作者敏锐地意识到将灯丝光源带回照明的异端邪说。虽然使用带LED的限流电阻是常见的,但是一些米粒灯源可以与LED一起使用以消除复杂的驱动电子设备并提供有益的NIR / IR光的想法在某种程度上被认为是倒退。

虽然IP涵盖了创建NIR增强型LED照明的一系列手段,包括NIR荧光粉,NIR LED / LD / VCSEL和量子点转换器,但这种灯丝配置是最有效,最便宜,最环保,寿命最长的宽带,并且最简单的HCL解决方案。当不需要产生显着的蓝/绿光时,小灯丝源的预期寿命超过300,000小时。然而,它们确实提供了显着的橙色和红色,即使在这些低驱动水平下也有利于颜色质量,同时它们会产生大量的NIR。通过结合两种竞争技术,这两项技

灯丝源中的大部分电阻变化发生在较低的驱动电平。通过使灯丝电阻曲线与LED IV曲线匹配,可以消除对恒定电流驱动器的需要。鉴于灯丝源在产生NIR方面的效率为90%,LED的大部分能量消耗(在效率仅为40%至50%时)取决于选择的NIR / VIS比率。使用这种方法,当NIR / VIS大于1时,可以实现80到100 lm / W的光源效率。与更简单的驱动电子设备相关的原材料成本降低,健康效益,更高的可靠性和成本节省抵消了添加NIR所带来的任何能源损失回到我们的生活中。

如前所述,灯丝效率高达90%,并且比LED具有更长的预期寿命。在这些低驱动水平下,来自灯丝源的LED上唯一显着的热负荷是通过辐射耦合,辐射耦合仅代表灯丝发出的光的一小部分,并且可以通过放置或遮盖而容易地最小化。与过去的白炽灯和卤素灯源不同,这些设计中的灯丝源的功能仅需要与LED输出的VIS光瓦相匹配。效率为90%时,以80%驱动电平运行的小型T1灯丝灯泡可输出比300流明JV LED灯泡产生的VIS光瓦数更多的近红外光功率。

为了提高LED可靠性,开发了一种新颖的互连方法。使用CNT纱线可以形成双面CSP发射器。与传统的焊料连接不同,金/ CNT触点使用额定温度为600°C的高温硬质硅胶粘合在一起。由于构成纱线的数百万纤维产生大的表面积,CNT纱线本质上是“粘性的”。在该设计中,CNT纱线用作电导体和热导体。两个Seoul Semiconductor CSP芯片背对背粘合,如图7所示。

图7:所提出的LED +灯丝光源的结构图7:所提出的LED +灯丝光源的结构

通过使用CNT纱线代替金属线和焊料,消除了与电迁移相关的故障,并且可以使用各种安装配置。通常,灯丝源和CNT Yarn LED封装简单地卷曲或捆扎在一起。根据需要可以附加额外的冷却表面区域。可以通过使用其他组或使用高瓦数组件来缩放流明输出。在两种情况下,灯丝上的峰值驱动电平保持在低水平,使得产品寿命由LED而不是灯丝限定。这种设计方法使用尽可能少的原材料,不包含红色列出的材料,并且与摇篮到摇篮兼容。

近红外增强型LED照明提供了一种实用的常识解决方案,可以补充所有采光工作。我们对光与细胞的相互作用知之甚少,但我们看得越深,我们发现光在我们的健康中起着重要作用。照明应该遵循医学界的领导,并采取“首先不伤害”的理念。随着应用程序的数据变得可用,我们可以限制某些人的频谱。在此之前,采光研究和医学研究似乎表明我们应该强制要求我们花费大量时间的所有人工照明的最小NIR / VIS比率大于1。

结论

数百万年来,我们的细胞已经接受了特定的光谱和时间曝光。认为大自然没有发展利用这种暴露的机制并且最近的医学数据似乎支持这一立场是天真的。在过去的150年里,我们一直在消除照明中的光谱内容。最近的政府行为,生活方式改变,皮肤癌问题以及盲目追求节能将在未来十年消除我们生活中70%以上的太阳光谱。然而,似乎没有数据支持降低光谱范围,但有许多指示相反。医疗界似乎走向照明界的相反方向,显示NIR / IR光有益于身体,甚至可以使用类似于照明系统中可能的能量暴露水平来治疗疾病。存在实用,节能且成本较低的解决方案,不需要我们妥协。在这一点上,标准和政府计划是HCL最重要的障碍。建议NIR增强型LED照明与建筑界的采光工作保持一致,并且应该针对长期照射的区域进行强制要求。标准和政府计划是HCL最重要的障碍。建议NIR增强型LED照明与建筑界的采光工作保持一致,并且应该针对长期照射的区域进行强制要求。标准和政府计划是HCL最重要的障碍。建议NIR增强型LED照明与建筑界的采光工作保持一致,并且应该针对长期照射的区域进行强制要求。



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本文为华强LED网综合报道,华强LED网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。

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