LED“光”——上帝赐予人类的礼物。圣经的第一章第一节写道:上帝在创造人类之前首先创造了光,从此世界不再漆黑。我们有幸与“光”为伴,无论在学习、研究、事业中,还是在生活、爱好与理想中,都与“光”结下了不解之缘……
确实,光与人类、我们每一个人都密切相关;地球上一切生物的生长、进化离不开“光”。我们有幸与“光”为伴,无论在学习、研究、事业中,还是生活、爱好与理想,都与“光”结下了不解之缘;尤其近几年LED产业的发展,使我们更加深了对光的认识,对称之为革命性照明时代的憧憬。
与光结缘 收获爱情
我们的努力,造就了中国光辐射检测设备的独特产业。浙江大学光电系不仅在光学学科一直排名全国第一,而且在照明检测产业的发展中,一直起着技术先导、行业引领的作用。我在浙大校园的光辐射测量研究也给我带来了爱情。我爱人王建平1984年考入浙江大学光仪系,她开朗热情,我想是我对科学研究的执着、自信,让她动心吧!二十多年来,她是我对“光”梦想的倾听者, 发明技术实现产业化的左右手。
在我的老家浙江黄岩,至今还流传着我小时候伸起手臂根据日影的长度来计算时间,误差在5分钟以内的故事。从小不善言辞的我对物理和化学很痴迷,“学好数理化,走遍天下都不怕”,是我们那个年代的雄心壮语。1979年高考物理得了99分,十六岁的我在物理老师的建议下选报了浙江大学光仪系。
经过四年的光学仪器专业的学习,顺利考入本系主任缪家鼎教授的研究生,跟随刚从德国进修回国的叶关荣老师从事光辐射测量研究(当时叶老师还是讲师, 需挂名在缪教授下)。在八十年代初,计算机还是校园里非常神秘的庞然大物,计算尺是常用的计算工具用来计算函数值;实验室里好不容易有一台计算器,可以做光路设计计算,算是非常贵重的财产了。
在叶教授的指导下我从事“光源的显色性评价和测量”研究,那个时候光辐射测量刚刚起步, 能查到的资料很少,我们最先翻译了国际照明委员会CIE 63号文件“光源的光谱辐射测量”。没想到这份CIE技术报告成为了我们光辐射测量的圣经,到今天仍在全球产业界作为非常重要的技术规范,像美国“能源之星”LED产品的认证测量方法,也引用该文件。
当时自动化测量刚刚起步,我用上了乔布斯设计的第一代苹果电脑AppleⅡ开始光辐射测量,用“6502”苹果机的专用汇编语言编写的光谱扫描程序,运行前要预先调入到专用地址的缓冲区内; 第一次按照CIE文件将大量的色度和显色指数计算数据表一一输入电脑,并建立计算模式; 用DOS语言编写了自动色温插值和显色指数计算等程序。同时发明了波长自动定位装置,还申请了发明专利。经过近三年的努力,终于在1986年初为浙江阳光(当时的上虞沥东灯泡厂)研制了国内第一台自动光谱辐射计。
1986年国际颜色专家Terstige教授访问浙江大学
当时国际颜色专家德国BAM实验室的Terstige 教授访问浙江大学时,我陪他到 上虞考察中国的节能灯,当他看到我们设计的光谱辐射计一次性输出了节能灯的光谱功率分布、色品坐标、相关色温,尤其还有显色指数时连连称赞。当时非常著名的美国Photo Research公司的仪器,还不能自动计算显色指数。当然,由于这些研究成果以及我对工作的努力,多次得到了系主任缪家鼎教授的表扬,并在1986年毕业后留校任教和继续光辐射测量研究。
1992年我到浙江大学光电子技术研究所担任副所长,当时PC计算机和Windows的操作系统刚开始兴起,我们课题小组就对光辐射测量技术作了进一步的发展。为了纪念1992年Windows图形界面的应用,我们将型号定为SPR920,并开始推广使用。今天在国内外的许多实验室和工厂,还可以见到SPR920光谱辐射分析仪的身影。
后来,我的多位师弟、学生,以及更多追随者不断加入了这一行业,造就了中国光辐射检测设备的独特产业。经过了二十多年的发展,尽管计算机硬件和软件的不断更新,几家公司做的“光谱辐射计”与二十多年前并没有本质的差别。
我们公司最新的SPR3000快速光谱辐射分析仪、SCD2000高精度快速光谱辐射计、SPR5000宽波段光谱辐射计等等,都是从这些技术上发展起来的,并在市场上得到客户的充分肯定。
浙江大学光电系不仅在光学学科一直排名全国第一,在照明检测产业的发展中,一直起着技术先导、行业引领的作用,对整个中国照明检测设备的国产化发展做出了非常重要的贡献。
2008年与王建平一起出席意大利都灵CIE光度色度测量专家会议
我在浙大校园的光辐射测量研究也给我带来了爱情。我爱人王建平1984年考入浙江大学光仪系,她开朗热情,经常到实验室问问题,帮忙做些工作。她的毕业设计就在叶关荣教授和我的指导下,完成了电视机白场色度测试光谱分析仪。用她的话讲,我在那个时候除了不会甜言蜜语哄女孩子开心以外,讲起技术来滔滔不绝、充满自信。我想是我对科学研究的执着、自信,让她动心吧!二十多年来,她是我对“光”梦想的倾听者, 发明技术实现产业化的左右手。
怀揣梦想 比翼齐飞
2001年浙江大学国家科技园成立,浙江大学给了我一个实现梦想的舞台。浙大三色创新研制的GMS2200追踪反光镜式分布光度计,已广泛应用于美国UL实验室、香港ITS实验室、 TUV莱茵等几十个国家和地区的知名实验室,我的团队走遍了世界。联合国UNDP也邀请王建平到菲律宾等东南亚国家讲学,她每年都要走十几个国家。是“浙大三色”这个公司让我们实现了中国人做立式分布光度计的梦想。
在浙江大学光仪系,我一边教学,相继讲授本科的“光度学和色度学”、“光电检测技术”,以及研究生的“现代光子探测技术和成像技术”课程;一边带领一批研究生开展光辐射测量研究;同时,为照明产业开发急需的检测设备。随着节能照明产业蓬勃发展,让我看到了广大的应用空间。
记得上世纪80年代初我们国家进口了第一台德国LMT的庞然大物——立式分布光度计,用来测量荧光灯管的总光通量和灯具的空间光强分布,这台三轴旋转的立式分布式光度计给了我很大的启发和想象空间。我对三轴运动的反光镜分布光度计产生了浓厚的兴趣,开始分析建立分布光度学的数学模型。其实在80年代末,我们浙大就曾经开发了用力矩电机驱动的卧式分布光度计,但由于学校的科研环境的限制,没有得以进一步深入研究。
进入世纪之交,国家对实现科技成果产业化非常重视。国务院副总经李岚清主抓大学科技成果的转化,多次指导浙江大学的产业化工作。2001年浙江大学国家大学科技园,作为全国第一批国家级的大学科技园成立了。同时,出台了一系列政策,鼓励我们教师到科技园创业。浙江大学的领导给了我这样一个舞台,在学校所有身份都不变的情况下,在科技园里开始创业,实现光测量设备的产业化梦想,成立了“浙江大学三色仪器有限公司”。
这里,我要感谢宁波杰友升公司的屠伟勤董事长。当时他对我说“牟教授,您能不能设计一台我们中国人自己的带镜子的分布光度计”。因为他的一番话,我决定带领我的研发团队研制旋转反光镜的分布光度计。经过一年多的努力,终于向宁波杰友升交付了第一台由我们自主研发完成的立式分布光度计,并先后获得了3项发明专利的授权。为了纪念2001年夸世纪的开创性事业,我们将分布光度计型号命名为了GMS2000。
2002年广州照明展上展出中国第一台中心旋转反光镜分布光度计
2002年7月在广州照明展上,我们展出了中国第一台中心旋转反光镜立式分布光度计产品,当时震动了整个照明界。复旦大学的陈大华教授说:“真没想到在德国刚看到LMT的分布光度计,就在中国见到了中国人自己设计的反光镜立式分布光度计”。照明行业的著名记者安岚波先生也激动的写下了长篇报道。当时在展会上,马来西亚Success公司的陈老板亲派技术人员前来考察参观,并定 购了该分布光度计。2003年“非典”过后,第一台GMS2000立式分布光度计出口到了吉隆坡,成为我国第一台出口的反光镜式分布光度计。
2005年,广东中山质检所成立了国内第一家采用立式分光度计测试灯具配光的实验室。为了帮助该实验室提高测试能力,我们派出了一位优秀员工随设备来到广东中山工作。2007年,该实验室正式成立了国家灯具质量监督检验中心(中山),成为华南地区分布光度测试的重要实验室。
上海国家灯具质量监督检验中心也于2007年春天,在对同类产品进行严格测试和评定后,最终选用了浙大三色的GMS2000反光镜分布光度计,用于对灯具空间配光性能的测试和标准检验。2011年国家灯具检验中心搬迁新址后,我们公司又为该中心的设备进行了升级。欧盟标准EN13032对分布光度计的要求非常严格, 尤其是反光镜,非常最重要。我们就按照该标准的要求,采用欧洲专门订制的前表面镀硬膜的反光镜,再结合浙大三色公司的反光镜专利结构,精度优于欧盟标准。反光镜是分布光度计的主要误差来源,而国内的某些设备却不提它,尤其当采用两块反光镜时,问题更严重。此外,主控机柜也实现了触摸屏实时控制和测量显示。
随着LED照明技术的快速发展,厦门政府率先筹划要建国内第一家国家级LED产品质量监督检验中心,请我为他们做实验室的规划。我协助他们国外实验室的分析和设备配置。其中一期规划了六个分实验室:LED光学性能检测室、灯具配光性能检测室、光生物辐射安全检测室、LED热性能检测室、LED显示屏和背光源检测室以及LED变角光度测量实验室。并专门向我们定购了反光镜分布光度计,用于对LED灯具的配光测试。
特别值得一提的是,2004年Philips亚太灯具研发中心的实验室决定要购买一台反光镜分布光度计。而之前,飞利浦全球七个光度实验室都采用德国LMT公司的设备。经过严格的考核、筛选,Philips决定采用浙大三色公司GMS2000反光镜分布光度计。从2005年3月起至今6年多的时间,一直运行稳定,每年与其欧洲实验室比对,数据一致。随着LED照明灯具的飞速发展,亚太地区的测试任务骤增,今年Philips实验室又向浙大三色公司采购了第二套反光镜分布光度计。
我们团队研发设计的这款分布光度计,不但被国内外知名实验室采用,也获得了“浙江省科技进步二等奖”和“中国LED技术创新奖”,并获得了包括发明专利和软件著作权在内的多项自主知识产权。随着技术的不断创新,又研发了包括GMS2200追踪反光镜式分布光度计,GMS1980运动反光镜式分布光度计,GMS3000追踪探头式反光镜分布光度计等多种新型分布光度计。
实实在在的技术创新,行业内遥遥领先。我得感谢我的团队和我的伴侣王建平。记得在2001年开始研制阶段,她每天替我亲临现场,检查每一个技术细节。亲自到客户现场做计量校准、验证。2005年,我们的设备、也是大陆第一台反光镜分布光度计出口到台湾省时,她就带领工程师连续四天,每天都工作到深夜,将设备安装、调试、培训一口气完成。至今,在台湾已有近十套分布光度计设备,我们也有了台湾三色公司做本地化服务和技术支持。
现在王建平更多在做培训工作,大家都爱叫她王老师。做技术培训时,她总会用最生动形象、通俗易懂的语言讲述光度学概念、测试原理,C-γ& B-β坐标系。有时连做梦都在朗朗讲分布光度测量,Photometry,Goniophotometer,Chromaticity Uniformity等单词经常会把我惊醒。
2008年王建平在意大利CIE会议上报告追踪反光镜式分布光度计
由于她在技术上的执着,当我讲解国际标准中有关平板显示器运动图像的追踪测量时,使她产生了创新设计思想,将国际照明委员会的分布光度测量技术规范CIE 70中推荐的两种结构有机地融合成一体,既保证测量中的灯具不动,又具有极好的消杂散光性能。这就是我们中国自主创新的“追踪反光镜分布光度计”,并取得了发明专利授权。2008年,她作为中国的光学专家在CIE光度色度测量专家会议上,作新型反光镜分布光度计技术报告。当时,国际光度测量权威专家、德国PTB国家实验室Georg Sauter 博士主持会议,他对我们设计的追踪反光镜分布光度计也非常关注。2010年,他应浙江大学的邀请,来到浙大三色研讨如何设计高精度的分布光度计,对我们新的前表面反光镜技术给予了高度的肯定,同时在测试精度分析和细节设计上给了我们很多的指导。2010年在维也纳国际第一届光的质量和能效大会上,王建平又被邀请做LED灯具色空间分布测量的报告;德国同行、LMT的总经理Mr. Hammer先生也亲自为她拍照留念,并邀请他去德国LMT公司总部参观访问。
至今,浙大三色公司创新研制的GMS2200追踪反光镜式分布光度计已广泛应用于UL认证实验室、香港ITS实验室、 TUV莱茵等几十个国家和地区的知名实验室,这也让我的同事走遍了世界。联合国UNDP还邀请王建平作为国际高效照明转换项目的专家,到菲律宾等多个国家讲学、指导。
她每年都要出国十几次,当她抱怨没有时间到国外再生个儿子的时候,我就安慰她“分布光度计就是我们的儿子,你是立式分布光度计之母”。是“浙大三色”这个公司让我们实现了中国人做立式分布光度计的梦想,让LED照明产业蓬勃发展。
走向世界 放飞理想
当中国代表团专家聚在一起时,大家就滔滔不绝地交流“战果”,就像中国体育运动员在奥运会上取得成绩一样。每当我想起这些,仍然会心跳加快。IEC专家是代表国家的利益、声音,当我们坐在立有“China”的位置上时,深深感受到了国家的荣誉和责任。
在上世纪末,我国倡导积极跟踪国际标准,采用国际标准,随着改革开放的深入,我国经济得到了快速发展,本世纪初开始提倡积极参与国际标准。最近几年,全球经济的疲软,而我国经济仍保持强劲的发展势头,我国在国际贸易中的地位不断提高,为了支撑我国全球化经济的发展,必须在国际标准中发挥更大的作用。我记得2002年第66届IEC大会在中国北京召开,我作为观察员参加了IEC TC34的标准工作组会议,我们中国代表清一色地坐在最后一排,会上只见欧美国家的专家不断地交流各种观点,讨论不同的议题。我们中国专家基本上不明白他们讨论的话题,那时候我们感觉国际标准离我们太遥远了!
2005年,我有幸应清华大学的邀请参与了邱勇教授担任组长的“OLED光学和光电性能测试方法”IEC国际标准的制订,随后每年几次与清华大学的应根裕教授、维信诺公司的高裕弟博士等参加国际标准会议,着手该标准的CD、CDV文件的起草,应对欧、美、日、韩等国家的意见。据应教授介绍,我们负责的国际标准,之前文本中的大部分内容由美国专家、日本专家等插入的,会上其他国家专家的意见常常遇到难以应付。所幸我们浙大光电系在光学和光电检测方面具有一定的优势。
2007年在日本扎幌IEC TC110国际标准专家组成员合影
第一次我参加的会议是2005年底在东京日本信息产业标准化协会(JEITA)总部召开的IEC TC110/WG5会议,当时我针对国际上争论非常激烈的平板显示亮室对比测试方法问题,首先我代表中方专家作了研究报告,分析了原有国际标准及日本标准中存在的问题,提出了我国的外积分球法(也称采样积分球法)的新方法,得到了与会各国专家的一致认可。从此,我们提出的外积分球亮室对比度测试方法就纳入了IEC标准稿中。
2007年访问美国国家标准与技术研究院NIST
随着OLED的技术发展,图像质量的评价逐渐成为国际上关注的焦点,我觉得我们浙大三色公司应该牵头这一国际标准。2007年我专程飞赴美国丹佛,访问了位于Boulder的美国国家标准与技术研究院,拜访了国际平板显示领域的权威专家Ed Kelly先生,他对我们的亮室对比度测量方法给予了充分的肯定;有关新的国际标准提案,我们交换了意见。2008年浙大三色公司通过国标委正式向IEC提出了“OLED图像质量测量方法”新国际标准提案,经过为期三个月的投票获得了确认。在该标准中,我们融入了许多新的研究成果。
首先,在闪烁度的测量评价方法中,废除了原有国际上普遍采用的滤波器方法,该方法源自于日本JEITA标准,是日本的专有技术。在该标准中我提出了基于人眼视觉敏感度函数的傅氏变换法,科学性和普遍性更强,获得了欧美及韩国代表的支持。同时,国际显示量测委员会ICDM标准的主编Ed Kelly先生邀请我重新编写了显示器闪烁度的测量评价标准。在运动图像分辨率的评价方法中,我们采用了基于人眼平滑追踪的新方法,并且将我国东南大学李晓华教授提出的响应函数方法也一同纳入了我们的标准中。经过三年,从NP文件到CD文件,再到CDV文件的多次投票确认,数百条各国专家反馈意见的答复和解释,目前这项OLED国际标准进入了最后的FDIS阶段,待译成法、英两种语言后即可向全球发布。
我们中国代表团专家在中国电子工业标准化研究所赵英秘书长的带领下亲如一家。像黄卫东、王大魏、李新国、刘卫东、高裕弟、谢静等等都是活跃分子,大家各有分工,分别“战斗”在各个工作组。按照国际惯例,IEC国际标准会议没人“管”饭的,大家常常为了会议忘了吃中饭,早饭有时到会场“抓”几块饼干,马上打开各自的笔记本商量当天的对策。当中国代表团专家聚在一起时,大家就滔滔不绝地交流战果,就像中国体育运动员在奥运会上取得成绩一样。每当我想起这些,仍然会心跳加快。IEC专家是代表国家的利益、声音,当我们坐在立有“China”的位置上时,深深感受到了国家的荣誉和责任。
2009年在日本宫崎IEC TC110年会上代表中国提出新的提案
近两年,LED在液晶显示LCD中的应用,成为LED第一大应用产业,LED不仅无汞、长寿命,还可以明显改善改善LCD的影像品质,尤其是LED动态背光技术的发展,明显降低显示器的功耗,提高对比度,我国海信、TCL、康佳、创维、长虹等大厂也都大力推进动态背光技术的应用,韩国三星和LG更是抢在国际风口浪尖。
显然,如何评价基于动态背光技术的LCD显示器的性能,将涉及各个国家的技术、专利等相关的产业利益。我们浙大三色公司在多年光学测量研究的基础上,代表我们国家提出了我们的议案。2009年底在日本宫崎国际标准会议上,我作为中国国家委员会代表,我提出了新的国际标准提案;与此同时,LG公司高级经理Hong先生也代表韩国提出他们的提案。两国标准之争,在国际标准化活动中是经常发生的;尽管我们之间是很好的朋友,但由于各自代表着国家的目标,我们之间开始了PK。
在2010年5月和10月的两次美国西雅图会议上,我们不断陈述各自的观点,基于新的研究提出最新的方案。在此期间,我们还发挥海峡两岸标准交流平台的作用,与台湾友达、奇美两大LCD公司多次交流,细化我们的提案内容。至2011年5月美国洛杉矶会议上,我们的方案更合理,获得了其它国家的广泛支持,LG公司专家放弃了进一步的PK,但同时韩国三星公司的专家又提出要切入这一些新的国际标准,会后我们与韩国三星公司专家及日本IEC TC110秘书长多次沟通,最终他们同意支持我们中国的提案。在今年的南京国际标准会议上,IEC工作组内部已确认了这项新标准,我们计划于明年2月美国会议前准备CD文件。今年11月初,电子显示领域的中国IEC专家在昆山对这项新的国际标准提案进行了论证。我们将通过国标委向IEC正式官方立项。随着动态背光LCD测量标准的制订,将促进LED在液晶显示背光中的应用,不久的将来对动态背光LCD的动态功耗、动态影响质的评价,在国际上将会有更科学、一致的方法。
2007年第26届CIE大会上应邀报告亮室对比度测试方法
我也非常欣慰,浙大三色公司在牵头国际标准化活动中,不仅在检测技术上有一系列的创新、突破,也培养了像李俊凯等新的国际标准化专家,并与一批国际专家结下了深厚的友谊。每年都有多名国际专家来浙大三色公司技术交流、讲学。我们中国专家的真诚、热情,为了“中国” 利益的执着,也感染了许多国家的代表,像来自荷兰Philips的Kees博士,当中、日、韩有争议时就比较支持中国;在2010年美国西雅图平板显示国际标准年会上,当讨论到国际标准工作组新的召集人(Convener)提名时,我代表中国提出:国际标准化是全球产业界的共同事务,要充分考中国等发展中国家的席位,马上得到了美国国家代表的支持。在最近几次的IEC TC110年度聚会上, TC110主席Mikoshiba教授和秘书长Iwama先生会直接“点”我,代表中国专家上台即兴发言。
因在光学和光电测量国际标准的研究,2007年国际照明委员会CIE四年一届的第26次大会在北京召开,我有幸应邀在大会上报告了新的亮室对比度测量方法。同时在2009年布达佩斯召开的CIE中期会议上,被任命担任CIE D2(光与辐射测量)与国际标准化组织IEC TC110/WG5之间OLED国际标准的协调官(Liaison officer),第二年又任命为CIE D2与国际显示量测委员会ICDM之间有关显示量测标准的国际协调官。在每次CIE D2的会议上,我代表IEC组织、ICDM组织向CIE专家报告相关国际标准的进展。当然,也常常为了赶这些报告熬到深夜。作为一名中国专家,能在国际照明委员会中承担更多的官方工作,发出更多中国的声音也是非常值得的。
在日常生活中,我们往往比较关心水、空气、噪声、电磁波等等对人健康的影响,很少关注光学辐射对人体健康的影响,白内障、黄斑区功能退化、皮肤癌只是医学上的疾病,很少与“光”联系在一些。
2001年底,我正好去北京出差,拜访了我国照明学会光化学专业委员会主任。北京师范大学副校长郝允祥教授,郝教授不仅热情招待我一起吃饭,更重要的是传达了国际照明委员会CIE新的动向,即CIE新制订的重要标准“灯和灯系统的光生物安全”将要发布,希望我参与一起翻译。郝教授德高望重,在八十年代初我读研究生期间就曾得到他的许多关心和支持。
那时,光辐射测量在国内有“北有北师大,南有浙大”之称,我作为叶关荣教授的第一位研究生与郝教授的大弟子张保洲之间也结下了深厚的友谊,平时偶有接触感觉非常亲切。郝教授的提议,我当然非常高兴地接受了。同时,我也在浙江大学开始了光生物辐射安全的研究工作,我的两位研究生的论文都是从事光生物辐射安全的评估和测量研究。2004年,我国专门的硕士研究生在我的实验室毕业,并留在了浙大三色公司继续研究工作。在国际上,国际照明委员会CIE也建议IEC TC34采纳CIE S009/2002“灯和灯系统的光生物安全”标准。2004年全国照明电器标准化技术委员会决定转换来自CIE的IEC标准。当时光生物辐射安全对于我国照明界是比较陌生的内容,我们浙大三色公司和北京国家电光源检测中心承担了这项工作,这也是我国第一份光生物辐射安全(非激光类)标准GB/T 20145-2006,并于2006年与国际标准IEC62471同时正式发布。
2008年在IEC TC76年会上代表中国做有关于光辐射安全检测的报告
随着LED在普通照明及其他民用消费类产品中的应用,高强度的LED蓝光对人眼视网膜的伤害越来越引起国际上的重视。为此,我们浙大三色公司的技术团队率先开展了一系列研究。尤其是对于视网膜损伤相关的有效辐射亮度的测量,发明了MPR-16视网膜辐射亮度计,它模拟人眼光生物学特性,具有恒视场、恒孔径及7mm瞳孔的结构。基于MPR-16视网膜辐射亮度计和SPR5000紫外-可见-红外(200nm~3000nm)的光谱辐射计的IEC62471光生物辐射安全检测系统已在TUV、BV等全球几十家实验室应用。
同时,在一系列国际学术活动中,我发表了我们的一系列研究成果,在2008年IEC TC76国际标准会议上,我代表中方专家介绍了中国LED产业的发展及中国光生物辐射安全检测技术,在2008年意大利都灵CIE专家会议上,报告了我们自主创新的“视网膜亮度计”技术;在2009年美国国际光辐射安全会议上,应邀介绍了我们在LED光辐射安全测量与评估技术研究。
2009年、2010年在美国国家标准与技术研究院NIST做LED光学测量研究
同时,作为浙江大学的访问专家身份(按照美国政府规定,中国的商业性企业人员不允许参加美国政府的研究项目),在2009年和2010年两次赴美国国家标准与技术研究院NIST从事LED光学测量研究。我研究的项目是“LED光生物辐射安全测量研究”,作为NIST的客座研究员,我还两次获得了美国政府的资金支持。
我在美国国家实验室的两次研究中,得到了光度组负责人、CIE技术副主席(原CIE第二分部主任)Yoshi Ohno博士、我们光电系校友宗予勤先生、美国能源之星LED产品认证实验室审核项目负责人Camron Miller的大力支持。在此之前,浙大三色公司还专门为美国NIST实验室设计制造了LED标准试验用光度球,该积分球具有灯座、侧面基座及球内空气三种恒温方法,专门为LED器件、模块及灯的精确测量而设计的。该设备是浙大三色公司在美国NIST的全球政府招标中中标的项目。我在NIST期间,来自欧洲的青年学者在我们公司制造的恒温光度球上,做着各种LED标准测试实验,对我们中国造的测试设备连连夸奖,那时心里由衷的高兴。
浙大三色工程师在美国NIST安装LED标准恒温光度球
二十年前,我国的照明检测设备基本上是从欧美日进口的,今天,我们制造的LED照明检测设备不仅满足了国内市场,而且已进入全球最顶级的美国国家标准实验室NIST,并得到他们的认可。办企业不完全为了挣钱,尤其我们这些来自大学的学者型企业家,更关心社会责任和国家荣誉。
这么多年来,我们在光生物辐射安全检测及标准化研究方面的工作,逐步得到国际上的认可。在2011年美国光辐射安全国际会议ILSC的非激光分会,以及南非第27届国际照明委员会CIE大会“照明产品光生物辐射安全及测量”专题会议上,很荣幸均被推选担任会议主席。
由于LED光生物辐射安全纳入了欧盟的CE认证范围,进入欧盟市场的LED产品必须考虑光生物辐射安全性。而如何对产品进行测量评估是当前国际上关注的热点。2010年,在美国西雅图第75届IEC大会上,我代表中国国家委员会提出了“灯和灯系统的光生物辐射安全——测量方法”的提案,并在会议上介绍了当前国际上LED光辐射安全测量及相关标准化工作的最新进展 ,得到了与会专家的一致认可,并由中国来主导制订。
回国后,我组织浙大三色技术团队马上准备详细的NP标准草案,并于2011年3月通过国标委报送到IEC国际标准化组织;经过三个月的投票,全部成员国一致支持中国牵头该项国际标准,我也担任了该项目的组长,有六个国家派专家参与一起起草。这也是迄今我们国家在灯和照明产品领域牵头制订的第一份国际标准,而且光生物辐射安全是一项全球关注新的强制性安全议题。尤其,涉及LED产品的蓝光辐射安全,对我们国家LED产品的发展将会有很大的关联度。我也非常希望通过我们的国家标准化工作,推动我国的LED产品快 速进入国际高端市场,同时也为保证百姓健康,安全享受新一代的科技成果,提供依据。
2010年在瑞士CIE D2会议上报告光辐射安全测量,并提案成立新的技术委员会
另外,我也非常欣慰,2010年我在瑞士国际照明委员会CIE D2会议上提出的成立“照明产品光生物辐射安全相关量值的测量”技术委员会提案,经过CIE高层的认真讨论,今年在南非第27届CIE 大会上得到了确认,成立了CIE TC2-73技术委员会,并荣幸地担任该技术委员会主席,负责CIE有关光生物辐射安全测量的技术报告工作。这也是我们国内专家在CIE成立的第一个技术委员会。随后,我国另一技术委员会CIE TC2-74以及台湾的两个技术委员会CIE TC2-75 和CIE TC2-76也获得了确认。
第27届CIE大会上王建平作”动态LED光源的评价和测量”技术提案
南非CIE大会上CIE主席Franz Hengstberger先生祝贺浙大三色公司取得成功
在南非第27届大会上,浙大三色公司是本次大会的铂金会议合作商,无论在会议开幕式大屏幕上,还是会议室、展厅等,到处闪亮着“SENSING”(浙大三色)的标志。更值得庆贺的是,面向未来新型LED照明技术的发展,作为CIE D2专家、我夫人王建平提出的“动态控制LED光源的性能表征和测量方法”项目(Reportship)提案,也得到了国际照明委员会的确认。
另外,由于在显示测量方面的研究工作,国际照明委员会副主席Yoshi Ohno 博士提议由我牵头CIE R2-33“激光投影显示的测量”项目工作。至此,浙大三色公司在CIE负责了五项国际性工作,扩大了我国在国际照明委员会的影响力。
在国际IEC标准化工作中,我们已牵头两项国际标准的制订,第三项国际标准也正在确认之中,未来我们将为我国的LED和OLED国际标准化争取更多的话语权。2010年,我的国际标准化工作得到了国际上的认可,获得了国际标准化专家的最高荣誉奖“IEC 1906奖”。IEC秘书长兼执行官Aharon Amit先生在给中国国家标准化委员会的贺信中,希望中国相关领导替他颁奖。今年九月我很荣幸,国家标准化管理委员会石保全副主任亲自为我颁发了IEC奖状和奖章。
国家标准化管理委员会石保权副主任为近三年获”IEC1906奖”的中国专家颁奖
我更希望我国有更多的专家参与到LED国际标准化活动中,为制订国际贸易技术规则,共同唱响中国的声音。我给浙大三色公司的定位是“推动国际标准制订、引领中国测光技术”。浙大三色公司通过牵头国际标准,提升企业创新能力,推动LED产业走向国际化。
憧憬未来 再续“光”缘
如果说,我在前面近三十年的学习、工作、研究、创业的人生路途中,从事的是“光测量”事业,从研究第一台自动光谱辐射计、设计第一台反光镜分布光度计、发明光辐射安全测量用视网膜亮度计,到牵头国际标准制订。而LED产业的发展,将给我更多的憧憬。
大家都认为,半导体照明是人类照明史上的一场革命!何谓“革命”?
我个人将照明分成这么几个阶段,一百多年以前,人类的生存、生活只能依赖太阳、火、油灯等自然光;1879年爱迪生发明了白炽灯,认为是人类的第一次照明革命——电气照明;上个世纪气体放电灯的发明,尤其是七十年代全球石油危机引发的对高效节能照明的重视,八十年代后的高效节能灯、荧光灯等室内照明光源,以及新型高压钠灯和金卤灯的发展,称之为第二次照明革命——节能照明;以LED和OLED发光为主导的半导体照明,由于其高效节能、长寿命、光色可变性强、数字控制方便等优点,结合微电子技术、智能控制技术及网络技术,尤其本世纪以来全球在光生物学和视觉感知理论上的发展,半导体照明不仅仅“照亮”,不仅仅“节能”这些传统概念上的照明,它将彻底改变人类的照明方式、照明习惯,从而影响我们人类的生活方式。这将是一场新的照明革命!
如果说,我在前面近三十年的学习、工作、研究、创业的人生路途中,从事的是“光测量”事业,从研究第一台自动光谱辐射计、设计第一台反光镜分布光度计、发明光辐射安全测量用视网膜亮度计、LED寿命加速试验实时检测设备推向市场,到牵头国际标准制订。而LED产业的发展,将给我更多的憧憬。
随着LED产业的发展,从指示、显示、特种照明,到目前的替代型照明,相关的技术正在逐步完善,我相信“革命性”的半导体照明时代即将来临。而对于我国LED产业的发展,制造业已成为全球的基地,未来更多地应在照明理念上的突破。
伴随着光生物辐射安全研究及国际标准化活动,我有幸结识了一批国际光生物学及健康照明研究专家,同时也更多地参与了国际照明委员会CIE第六分部“光生物和光生物学”以及国际上光生物学学术活动。
2010年我去美国布朗大学拜访了David Berson教授,他的研究团队在人类等哺乳动物的视网膜上发现了一种新的感光神经节细胞,也称为第三种感光细胞。这一重大发现,彻底改变了我们人类150多年以来对光视觉的认识,被评为2002年全球十大重要发现之一。这种光感受器是非视觉的,它与人脑内的生物钟系统连接,通过光信号抑制、调节松果体的褪黑色素分泌以及人体内的皮质醇、体温等生理参数,调节人体的睡眠、警觉、免疫等功能。
所以,“光”不仅仅有“明亮”、有“颜色”;还与我们身体的生理节律、内分泌,仍至免疫系统、抗衰老等等都有密切相关。
2010年国际照明委员会CIE “光生物与光化学”分部原部长Ann Web教授升任为新一届的 CIE主席。2010年6月,在美国召开的CIE D6会议上,我荣幸地被提名为两名新部长候选人之一。我在发给CIE参选演讲稿中表示,要推动两大合作:一是加强欧美等发达国家与发展中国家的合作,二是推动光生物的学术研究与全球产业的合作,尤其是面向亚洲地区蓬勃发展的LED产业。在布朗大学我对 David Berson教授说,希望我们的国际化工作能使他早日获得诺贝尔奖。
去年,我邀请了原美国军事医学中心光健康研究负责人、美国NASA计划生命保障系统光健康专家访问浙大三色公司,并召开了国内第一次光健康和照明的学术研讨会。我们大家共同努力,推动LED产业向更深层面的“照明革命”发展。
2010年邀请国际光健康专家在浙大三色举办光健康学术研讨会
因负责国际光生物安全标准化工作,近几年经常会有朋友问我:牟教授,LED是不是很不好?还会伤害眼睛吗?
LED是可变性很强的光源,科学地应用非常重要。盲目地追求高效率、眩光很强、色温很高有人称像“鬼火”,不是LED的真实面目。如果结合现代的微电子技术、网络技术、艺术、视觉感知和光生物学的新发现,充分发挥LED的优越性,未来的半导体照明将更安全、健康、舒适、节能!
我期盼着未来,通过我国LED产业界的共同努力,不断创新,突破传统照明理念,引领国际产业标准,革命性的照明时代很快会到来。
牟同升简历:
牟同升,杭州浙大三色仪器有限公司董事长,浙江大学光学专家,2010年度国际标准化杰出贡献奖“IEC1906奖”获得者;两项IEC国际标准项目组长。
“中国LED行业领军人物”、“2003-2011中国LED先锋人物”。
国际照明委员会CIE TC2-73技术委员会主席;国际照明委员会CIE与IEC TC110/WG2 OLED国际标准协调官;CIE与国际信息显示测量委员会ICDM 显示国际标准协调官。
专注于半导体照明LED和平板显示光电测量技术和设备研究;LED光生物辐射安全性和健康照明研究。2009-2010年美国国家标准与技术研究院NIST客座研究员,两次赴美国从事LED测量技术和标准的研究。
由国家标准化管理委员会的委派的IEC国际标准化专家,担任国际电工委员会IEC TC76/WG9光辐射安全、IEC TC110/WG2液晶显示、IEC TC110/WG5有机发光OLED、IEC TC110/PT62595 LED背光源等四个领域国际标准工作组的中国专家。
国际电工委员会IEC 62341-6-3组长,牵头“OLED图像质量测试方法”国际标准制订; IEC 62471-4组长,牵头“灯和灯系统的光生物安全测量方法”国际标准制订;同时还牵头LED动态背光液晶显示测量方法国际标准制订。照明委员会CIE第二分部“光与辐射测量”成员,CIE第六分部“光生物和光化学”成员。国际信息显示测量委员会ICDM的委员。
担任全国光辐射安全、电光源、照明灯具、半导体照明LED及平板显示FPD等多个标准化机构的技术委员;美国光生物学学会ASP会员,中国照明学会理事,LED行业协会理事、专家委员会委员。同时,也是历届海峡两岸信息产业标准论坛半导体照明和平板显示专题的大陆专家,积极推动两岸“共通”标准。
延伸阅读:
光测量国际标准化专家
阳光、纯净、热情、真诚,有理想,对“光”有着与生俱来的爱。牟同升在与“光”的不解之缘中,撰写着自己的“光”彩人生。他是光检测领域的学者、科技专家,他的研究事业紧紧围绕着产业需要、市场需求。中国的科技界、产业界需要牟同升这样的产业型科技专家。
“他穿越在学者与商人之间。低调的企业家,高调的光学专家,将国际标准制定过程永刻‛中国’二字,是他坚信的强国之路。推动国际标准制订,引领中国测光技术,他是中国LED照明检测设备的创新者和领头人。”2011“中国LED先锋人物”评语这样评价牟同升。
自2005年起,牟同升就积极投身国际标准的制订,在半导体照明LED、液晶显示LCD、OLED平板显示等领域的标准制订中发挥了重要的影响,他负责、参与制定了数十项光电领域的国际标准,是迄今我国光电领域国际标准化中最活跃的专家,被称为中国国际标准的“百科全书”。
2010年,牟同升的国际标准化工作得到了国际上的肯定,获得了国际标准化专家的最高荣誉奖“IEC 1906奖”。
二十年前,我国的照明检测设备基本上依靠进口,而今天,牟同升和他的团队研发制造的LED照明检测设备不仅满足了国内市场,而且已进入全球最顶级的美国国家标准实验室NIST。“办企业不完全为了挣钱,尤其我们这些来自大学的学者型企业家,更关心的是社会责任感和国家荣誉。”就是带着这样的责任感,牟同升穿越在企业与学术研究之间,行走在国际光领域的标准与检测充满挑战也充满色彩的道路上。
阳光、真诚如牟同升。“分布光度计就是我们的儿子。”当牟同升面对爱他、敬他、心疼他,是他事业上的好帮手,又与他在光测量领域比翼齐飞的爱人时,内心是平和的,他们把爱全部给了他们的“儿子”——光检测、光安全、光健康的事业。祝福他们,祝他们永远幸福,永远拥有一颗阳光纯净的心。中国LED产业发展史会记住他们,世界光检测标准史也将留下他们浓墨重彩的一笔。
让历史告诉未来:
LED光生物安全性及其评估
牟同升 罗勇军 王建平
(杭州浙大三色仪器有限公司)
摘 要:高效大功率LED的快速发展,促进LED在各个领域的推广应用,尤其在普通照明的应用。但是,高亮度的LED产品,其潜在的光生物辐射安全问题越来越引起人们的关注。特别是基于氮化镓蓝光芯片的白光LED,蓝光辐射对人眼视网膜潜在的危害已成为LED产品进入市场必须考核的安全指标。光生物安全性国际标准的修订版IEC62471-1即将发布,测量标准IEC62471-4正在制订之中,并由我国主导。我国在LED光生物辐射安全检测及相关设备的研究,在国际上发挥重要作用。
关键词:光辐射安全,蓝光危害 , LED光生物安全
1、引言
辐射通常分为电离辐射和非电离辐射;非电离辐射主要是指光学辐射和电磁波辐射。辐射危害已被世界卫生组织列为继“水、空气、噪声”外的人类所面临的四大环境安全问题之一。光学辐射是辐射的重要组成部分,也是与人类接触最密切的辐射波段。
光学辐射损伤主要是指人体组织受到光辐射的作用后引起的热损伤和光化学损伤; 主要是眼睛和皮肤。光学辐射的热损伤是由人体组织吸收辐射能量后温升引起的;光化学损伤是由光子与生物组织的细胞作用后引起细胞的化学变化。由于人体不同组织对光有选择性吸收、透射,因此,不同波长的光学辐射对人体的皮肤和研究的损伤机理不同,如表1.
眼睛是人体最重要的感觉器官之一,也是人类获取外界信息的主要通道。眼睛的构造非常精巧,而且自身的修复能力较差,最容易受到外界光学辐射的伤害。即使是可见光,也可能对人眼造成伤害,如强短波长的蓝光会引起视网膜感光细胞的光化学损伤和功能的退化;高能量的可见和近红外辐射使视网膜感光细胞的温度高,造成热损伤;长期近紫外光的辐照引起眼晴晶状体的白内障等等。对于儿童和部分光辐射敏感人群,由于眼晴结构中各部分的光学特性的差异以及对光损伤的敏感性的不同,安全阈值仍在进一步规范之中。
目前,GaN蓝光LED及其涂荧光粉的白光照明LED产品,在400nm至480nm之间有一较强的发射峰,主要需关注视网膜的蓝光光化学损伤。光束方向性显著的LED及其应用产品,视网膜上的辐射照度可能要比角膜大千万倍。
因此,国际标准化组织IEC TC76正在完善光生物辐射安全标准,IEC TC34在LED照明产品的安全标准中,规定了光生物辐射安全要求。
2、 LED的光学辐射特性
自从1968年红光LED出现至今40年间,LED产业经历了巨大发展;尤其是GaN蓝光LED出现,以及随后的白光LED发展,LED产品已经广泛应用于交通灯、汽车灯、背光源、医疗器械、儿童玩具以及日常照明。
随着LED技术的发展,市场上出现了越来越多的大功率、高亮度的LED产品。芯片功率的提升,光子晶体等新技术的应用,芯片出射光的辐射亮度大幅度地提高;通过增大驱动电流、多芯片集成,LED产品的功率越来越高;通过增加二次光学设计,如采用透镜会聚等,LED的光束越来越窄,视网膜的辐射亮度越来越高;此外,紫外和蓝光波段的短波LED芯片被广泛应用,商品化得UV LED的波长已经扩展到240nm以下, LED的潜在危害性更加明显。尤其是波长440 nm左右的蓝光辐射对人眼视网膜产生的光化学危害性明显提高,对于婴儿、儿童以及对光辐射敏感的人群,对短波长的UV和深蓝色光的光生物作用与如成年人不同,对视网膜黄斑区功能将产生重要影响。
3、LED光辐射安全国际标准的进展
目前涉及LED光辐射安全的国际标准化机构主要有:
(1)国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)
ICNIRP根据对生物物理数据的评估提供推荐曝光限值,并且出版了非相干光源和激光束的光辐射安全的指导方针。对于LED各个方面的问题,ICNIRP建议遵循非相干光源的指导方针。
(2)国际照明委员会(CIE)
国际照明委员会CIE第六分部Div6成立了相应的技术委员会,CIE TC 6-47 “灯和灯系统的光生物安全”,研究各种光辐射对人眼睛伤害的评价。2002年发布了针对LED等非激光类光源的光辐射安全标准CIE S009, 并将该标准推荐给IEC作为工业界的联合标准。CIE特别关注LED的光生物安全性,成立了CIE TC6-55 “LED光生物安全”技术小组。
LED光生物安全测量是当前的热点和难点问题。2010年,我们提出了成立 “照明产品的光生物安全测量”技术委员会的提案。今年,在南非第27届国际照明委员会大会期间获得确认,即CIE TC2-73技术委员会,并担任主席。成为我国专家承担的第一个CIE技术委员会。
(3)国际电工委员会(IEC)
从1993年开始,国际上LED产品的光辐射安全要求纳入IEC 60825标准中,按照激光产品进行评价。但是 LED 毕竟与激光不同,所以在2007年发布的IEC 60825-1第二版中,决定LED产品不再按照激光产品来考虑。在2008年10月召开的IEC/TC76会议上,正式决定将所有LED产品及应用系统的光辐射安全全部纳入非激光类产品标准IEC 62471系列范围。
近年来, IEC/TC76加快了光辐射安全的标准化工作,尤其是近两年,半导体照明LED的光辐射安全性的研究及标准化工作已成国际上的热点议题,相关的光辐射安全标准也陆续列入IEC计划。2009年安排了三次国际标准化工作组会议,主要讨论涉及LED产品的光辐射安全标准。对产品制造商要求的指导性新标准IEC 62471-2已于2009年发布。根据新确认的医学试验结果,IEC62471标准的修订版IEC62471-1,经过CIE和IEC联合工作小组的几轮修订,也即将定稿发布。在西雅图第47届IEC大会上,测量问题成为关注的重点,我国专家牟同升提出新的国际标准提案,并在会上一致通过。随后,经过各个国家为期三个月的官方正式投票,一致同意由中国负责制订,牟同升为标准项目组长,美国、德国、日本、中国、奥地利和意大利等六个国家分别派出专家,参与该国际标准的制订。
欧洲同步执行IEC国际标准。2006年欧盟委员会在新的决议中,对工作场所的照明提出了强制性的光辐射安全要求。欧盟的CE安全认证,对LED产品的光生物辐射安全作出了强制要求。因此,目前销往欧盟国家的LED产品必须进行光辐射安全的等级评估。
2008年,德国专门制订了LED灯的光辐射安全标准,对产品的基本分类是基于EN62471-2008(IEC62471-2006)标准。
2010年,法国政府基于专家小组的联合研究结果,提出了对LED产品光生物安全性更细致的规定。
近几年,根据光辐射对人体损伤机理研究的不断深入, 不断有新的医学和光生物学的研究结果表明,现有国际标准中基于健康人群的光生物学试验数据,还不能完全保护人类的健康;个体人群的健康状况、年龄、免疫功能、宗族、饮食习惯等等,都会明显改变个人当前的光辐射安全阈值水平。因此, LED光生物辐射安全国际标准,在未来几年中还将有进一步的发展。
4、 光辐射生物安全测量与评价
根据IEC62471国际标准,涉及眼晴和皮肤的光学辐射波长为200nm至3000nm,根据不同危害程度,将LED等非激光产品的光生物辐射安全分成了四种等级。
免除类(无危害):在本标准规定的极限条件下,也不造成任何光生物辐射危害。
Ⅰ类(低危害):在正常使用条件下,根据人的正常光照行为不会造成光生物辐射危害。
Ⅱ类(中度危害):根据人眼对高亮度光源的眩目回避,或热辐射的不舒适反应,不造成光生物辐射危害。
Ⅲ类(高危害):即使瞬间的光照,也会造成辐射危害。
目前,照明中LED产品的光生物辐射安全主要关注的是视网膜蓝光光化学损伤。非普通照明用的LED产品还会涉及紫外和红外辐射。
根据IEC62471标准规定,对于普通照明用产品的评价应在照度为500lx的位置进行测量,这个距离不能小于200mm; 而对于其他类型的LED产品,则在200mm距离下进行测量。
根据人眼的光生物辐射损伤的状态,浙大三色公司发明的 “视网膜辐射亮度计”模拟了人眼的结构,可以根据不同光生物辐射安全分类等级测量蓝光危害有效辐射亮度和热危害辐射亮度。接受孔径符合国际标准规定的人眼7mm瞳孔直径。
如图6所示,模拟人眼7mm瞳孔位于成像透镜的前点上,带致冷的科学级高精度CCD数字成像仪具有人眼视网膜搜索功能,捕捉被测光源的发光区域以及最大曝辐区域,从而来确定表观光源的尺寸以及最大光辐射损伤位置。同时,结合光谱辐射分析仪在波长300nm至1400nm的光谱辐射亮度的测量,实现LED光辐射人眼损伤的评估。
整个光生物辐射安全测试系统如图7所示,还包括:紫外可见红外快速扫描光谱仪,空间最大辐射测量旋转台,可调测量距离的光学导轨及其它辅助测量装置等等。波长范围覆盖200nm至3000nm。
从光生物辐射安全角度考虑,当前值得关注的是高色温、高亮度LED应用产品,包括窄光束LED投光灯、高亮度LED地埋灯、LED手电筒等;儿童黄疸治疗用LED灯,光子美容和理疗用LED强光灯;高亮度蓝光LED显示和指示灯;LED光固化灯以及其他紫外LED产品等等。下面列举若干LED产品为例。
(1)功率型LED模块
图8是一种典型的普通照明应用功率型白光LED模块,经过测试其有效蓝光辐射亮度为235 W/m2sr,超出了免除类的安全标准,归属一类安全等级。
(2)牙科LED定向照射灯
根据IEC 62471一类风险评估原则,该LED定向照射灯有效蓝光辐射亮度为28600 W/m2sr,达到中度危险等级。
(3)聚光型LED手电筒
根据IEC 62471一类风险评估原则,该产品的有效蓝光辐射亮度为17200W/m2sr,达到中度危险等级。
(4)近紫外LED(荧光)指示灯
紫外LED经常应用于伪钞检验、荧光标识指示、刑警现场生物证据提取等场合,图11中所示的紫外LED灯,用于电动工具切割导向标线的荧光指示。根据IEC 62471国际标准,该LED产品主要考虑人眼的近紫外辐射损伤和视网膜蓝光危害。经测试,近紫外有效辐照度为1.05 W/m2sr,没有超出免除类的安全标准值,而蓝光危害有效辐亮度超出免除类的安全标准值,达到132 W/m2sr,属于一类安全等级的产品。
上述主要考虑LED光辐射对人眼睛的直接、短期内的光生物辐射危害。目前已有大量的研究结果表明不同波长的LED光辐射对人体生物系统的慢性作用不容忽视,包括有益和危害两方面。因此,未来国际标准将从更广的范围考虑人类的健康问题。
参考文献:
1) IEC 62471-2006(CIE S009/E: 2002), “ Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems”.
2) GB/T 10245-2006“灯和灯系统的光生物安全性”
3) Tongsheng MOU, Jiandong Yu, “Photobiological Radiance Measurement in LED s’ Radiation Safety Assessment”