本文我们将会探讨有关光感方面的问题，并且通过适当的设计，建立以 LED 为主的系统是可行的，从显色性和光学方面都可以与传统光源进行相比较。我们还会讨论 LED 特征如何对视觉舒适性（聚焦于频闪）和生理节律产生影响。
LED（发光二极管）非常灵活、结构小巧并且效率高，因此适用领域非常宽广。它能耗低，并且可以从不同颜色的组件改变发射光的光谱；使用寿命长。尽管 LED 灯效果比传统白炽灯、卤素灯、荧光灯要好，但是其在灯市场占有率只有10%（见表格1麦肯锡数据）。部分由于技术成本略高于传统灯的科技成本，还有就是终端用户并不能仅从视觉方面判断出 LED 的出色性能。
为此，在某些领域，如零售照明和艺术陈列照明，光源的颜色变化会大大影响视觉效果，因此具有高显色性的卤素灯和荧光灯仍然很受欢迎。然而，付出的代价便是高能耗及产品可靠性方面存在隐患。
光与颜色的感知
眼睛是一种万能的感觉器官，能够感知非常微弱的光信号[如可以感知0. 0.00001 lux的星光]和非常强烈的光信号（正午太阳发出的光线达到一百万lux）。光的颜色属性能够被位于视网膜中心位置的视锥细胞和感受器感知到：眼睛有不同类型的视锥细胞，具有感受蓝色（B）、红色（R）和绿色（G）三种颜色的视色素 ；之后大脑在感受器接受到的信息基础上对目标颜色进行确定。光感是一种主观感觉：晶状体（眼睛的天然“镜片”）会随着年龄增长而大幅度退化，导致到达视网膜的信号减少，尤其是在紫色、蓝色和绿色（400-500 nm，见图2）区域的光谱。年轻人对颜色的感知有别于老年人。另外，一些疾病（如色盲症 – 在晶状体上某些地区对部分人造成影响）可能会影响到区分颜色的能力。
光源的颜色品质
光源颜色品质是可以通过一种或多种指标进行判断，比较照源来判断一种光源创造颜色的能力，最普遍的方法（尽管这种方法需要考证）是采用国际照明委员会（CIE）称为显色性（CRI）的方法。最适宜的光源的 CRI =100（白炽灯和卤素灯非常接近，CRI=98-99）；通常，室内照明的 CRI 级别为70-80的被认为是可接受的，在具体的技术应用中，要求用95以上（如零售照明和艺术照明）（图3）。LED 为单色光源：因此，要想产生白光，需使用光混合，如混合多种 LED 发出的光，是有必要的。最简单的方法是使用红绿蓝 RGB 系统 ，然后相应调节亮度。这种方法（虽然简单），但显色性差别微小（60-70，v. Narendran et al。国际光学工程化会议记录，量值4776，pp。61-67（2002）），因此不足以达到光源质量。凭借基于蓝光 LED 及 YAG 荧光粉（发黄绿光）的使用，可以得到最好的结果, 显色指数值> 80（见 Narendran ，表一 ）。这种类型的光源在室内照明和工业照明中广泛使用，因为（在这些领域）与传统荧光来源（与典型的 CRI=80 的进行比较）比较是有必要的。同时，艺术照明和零售照明需要更加复杂的解决方案：由红绿蓝三色和一个或多个白光 LED 组成的红绿蓝白光源，能够达到更高的显色指数（95-97）；通过使用多种荧光粉，用蓝光 LED 激发能够覆盖绿、黄、红色区域广谱的磷光物质混合物，可以得到相比较的结果。
从第二种解决方案证明：LED 能够置换传统光源，甚至在需要显示深色灯光背景的地方也同样可以做到。但是需要注意的是，从设计角度来说，每种方法都有不同的棘手问题： 4个LED 红绿蓝白四合一系统需要4种不同驱动，它可以使每个 LED 的电流受到单独控制。由于红色光谱区排出的荧光粉有较大的变频损耗，多种荧光粉方法通常效率不高。图形表明三种不同 LED 光谱：1）红绿蓝三色，2）冷白光 LED 和红光 LED 的结合使用，以及红绿蓝白4色方法；三个光源的色温均为3,000 K，但是显色性明显不同。
LED 照明和频闪效应
与光感有关的进一步的问题是频闪现象；例如，由于电压/输入电流的变化，而使光的强度产生快速并有周期性变化（频闪）。所有光源都会有频闪问题：传统灯具（包括白炽灯和荧光灯）为100Hz，这与输电线电压波动有关：灯丝（白炽灯）的热变电阻和荧光粉（荧光灯）的使用可以减少这种现象的发生的。就 LED 光源而言，频闪的程度主要取决于使用的电源类型。如果供电源为直流电，只要输出电流没有波动，那么它就不会闪烁。然而，当 LED 进行每秒数百次或数千次的启动和关闭时，具有脉冲调变的调光控制系统可能会产生很明显的闪烁。评估频闪比例的最常用的参数是频闪百分比（PF），公式为PF = (最大值-最小值)/(最大值+最小值) x100 (最大值 = 震动过程得到的最大光强，最小值=震动过程得到的最小光强)。一个由脉宽调变发出的 LED 光源的闪烁百分比为100%，因为此时期的一部分的发光强度等于0（最小值=0）。
在频率高于100Hz（Bullogh 2011年）时，对频闪的直接感知可以忽略。但是，还是可以间接地看到频闪，因为频闪效应会达到很高的频率（500 Hz, Heshberger 1998年）。美国照明研究中心根据频闪的频率和百分比对频闪的可接受性做了大量研究。结果（见图4）显示，尽管可以看到频率闪烁，但不总是认为它是不可接受的。对于约为1-3kHz的调频频率，普遍认为频闪是可接受的，无论其百分百是多少（见图4）。为了保证较高的视觉舒适性，调制低频率通常应予避免。当设计的灯具具有较高视觉舒适性时，选择能够保证最低电压电流振荡频率驱动系统是有必要的。
生理节律和 LED 照明
需要考虑的最后一点是光对于生理时钟的显著影响；生理节律是指在以24小时为周期的一天内，生物对生理时钟的自身调节。最近研究表明，环境照明可以对生理节律产生重要影响。这是由于视网膜（视网膜神经节细胞）感受器起作用的原因，当我们被蓝光（480nm）照射时，感受器触发具有抑制作用的褪黑素和负责调节觉醒节奏的荷尔蒙。长时间在晚上暴露于蓝光之中会使人很难入睡。假设许多 LED 光源放出大量蓝光，根据所使用的环境对这些来源研究并加以优化是非常重要的。当处于工作状态时，褪黑素的生成量会增加（对身体睡眠周期有负面影响），对于家庭环境来说，使用高能辐射（蓝光）较低的光源是更可取的。荧光转换型系统（荧光粉可以吸收大多数蓝光）和光谱转换系统（根据当时情况改变光谱）可以为居住环境及晚上使用该光源提供有效地解决方案。
总之，我们在本文中仔细探讨了有关光感的问题，这个在 LED 照明系统的设计中必须加以考虑。通过优化光谱参数，我们探讨了LED 与传统光源相比，通过优化色谱参数， 可以获得较高显色性。我们也总结了与频闪有关的主要问题，最后我们观察了光在生理节律中的重要影响。本文的信息为获得很好的显色性和视觉舒适性的照明设计方法提供了重要工具。
