基于光柵光譜儀的幾種常用光源的藍(lán)光比測(cè)試與分析

石佳辰,尹亞玲，李曉云

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，上海 200241)

光源是人類(lèi)生產(chǎn)生活中必不可少的資源. 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)的照明條件也在不斷進(jìn)步. 現(xiàn)階段發(fā)光二極管(LED)由于其價(jià)廉、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)牢固等特點(diǎn)，已被廣泛商業(yè)化. 但是商家出于成本和技術(shù)的考量，一般將藍(lán)光LED與不同色光熒光粉混合得到白光. 因此在高色溫情況下，光源光譜中心藍(lán)光存在很強(qiáng)的峰值[1-4]. 藍(lán)光光源在400～500 nm的短波波段. 藍(lán)光的危害不容小覷，如果眼睛長(zhǎng)時(shí)間直視該波段光源，可能引起視網(wǎng)膜的光化學(xué)損傷. 除此之外，人眼在藍(lán)光的照射下，人體體溫會(huì)有所上升，相應(yīng)的生物鐘相位會(huì)有所延遲[2]. 因此，光源的藍(lán)光比(波長(zhǎng)為400～500 nm的藍(lán)光的能量與總能量之比)是關(guān)系我們生活的重要參量，有很高的關(guān)注度[1-4]. 例如：2013年，劉婕等人利用成像亮度計(jì)測(cè)試光源藍(lán)光危害，并且結(jié)合光源的光譜數(shù)據(jù)和最大亮度，計(jì)算出各種光源的藍(lán)光危害效率、藍(lán)光安全的亮度上限和照度上限[2]. 2014年，申崇渝等人針對(duì)我國(guó)的LED照明現(xiàn)狀，通過(guò)測(cè)試LED照明器件的光譜成分，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析了LED光生物安全性[3]. 2016年，侯曉妮等人通過(guò)光生物安全測(cè)試裝置測(cè)量了多只從市場(chǎng)抽查的燈的實(shí)際色溫、藍(lán)光比、光生物安全評(píng)價(jià)參量. 發(fā)現(xiàn)高色溫室內(nèi)用燈往往具有較高的亮度和藍(lán)光比，存在光生物安全危害的可能性更大[4].

光柵光譜儀是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的常用光譜測(cè)量設(shè)備，也是本科生能熟練使用的儀器. 本文利用WGD-8型光柵光譜儀測(cè)試各種常用光源的光譜，并由此計(jì)算各光源的藍(lán)光比.

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用WGD-8型光柵光譜儀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光源、以反射型光柵為主的光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)組成. 實(shí)驗(yàn)光源發(fā)出的光經(jīng)狹縫S1射至平面反射鏡M1，反射光線(xiàn)經(jīng)準(zhǔn)直物鏡M2平行照射到光柵G上并發(fā)生反射衍射，由于相同級(jí)次不同波長(zhǎng)的光衍射角不同，故衍射后同一級(jí)次不同波長(zhǎng)的光不再平行，所以同一衍射級(jí)次不同波長(zhǎng)的光束經(jīng)成像物鏡M3會(huì)聚后按波長(zhǎng)順序依次成像于焦平面上. 接著由電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵G轉(zhuǎn)動(dòng)，不同波長(zhǎng)的衍射光將依次成像于狹縫上，被光電倍增管或 CCD 接收，最后傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理. 在實(shí)驗(yàn)中隨著光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)會(huì)從出射狹縫處依次采集到不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的能量. 選擇多個(gè)不同的常用光源作為待測(cè)光源放入圖1所示光源處，進(jìn)行相關(guān)的光譜測(cè)量，并進(jìn)行分析，可望得到不同光源的光譜以及藍(lán)光比，從而得到不同光源的藍(lán)光危害程度.

圖1 WGD-8光柵光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了評(píng)估生活中的光源的藍(lán)色危害，實(shí)驗(yàn)采用了多個(gè)常用光源，具體有：良亮牌熒光燈、可變色LED臺(tái)燈、雷士節(jié)能、品氏“護(hù)眼”LED可變亮度臺(tái)燈、網(wǎng)購(gòu)LED冷暖燈泡、白熾燈、iPhone5s與iPad Air2.

實(shí)驗(yàn)中選用光電倍增管(PMT)作為探測(cè)器. 實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定400～660 nm為光柵光譜儀工作波長(zhǎng)測(cè)量范圍，并用氖燈進(jìn)行定標(biāo). 數(shù)據(jù)處理時(shí)將光強(qiáng)歸一化并作波長(zhǎng)-歸一化強(qiáng)度圖. 藍(lán)光比P定義為

(1)

其中E1為波長(zhǎng)為400～500 nm之間藍(lán)光的能量之和，E總為測(cè)量范圍內(nèi)光的總能量之和.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燈具的光譜

(a)白熾燈良亮

(b)熒光燈管

(c)LED臺(tái)燈

(d)LED燈泡

(e)LED變色臺(tái)燈圖2 臺(tái)燈歸一化光譜圖

圖2為各種臺(tái)燈的歸一化光譜圖. 圖2 (a)為白熾燈的歸一化譜，可見(jiàn)其各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的能量分布近似均勻，其輻射覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，藍(lán)光占比不大. 圖2(b)為2個(gè)不同品牌的熒光燈管歸一化譜，兩者形狀較為相似:光譜分立，藍(lán)光成分能量最強(qiáng)，其余部分能量相較較弱，并且良亮燈管的譜線(xiàn)更為尖銳. 圖2(c)是網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)的品氏“護(hù)眼”LED臺(tái)燈歸一化譜. 光譜連續(xù)，藍(lán)光波段的光譜峰值高，后續(xù)波段能量沒(méi)有特別大的起伏. 1～2擋亮度譜線(xiàn)形狀相似，而3擋亮度對(duì)應(yīng)的藍(lán)光波段相對(duì)能量明顯增大，后續(xù)波段相對(duì)能量幾乎貼近橫軸趨于零. 圖2(d)為L(zhǎng)ED燈泡歸一化譜，冷光與暖光的譜線(xiàn)十分相近，沒(méi)有太大差別. 圖2(e)是良亮可變色臺(tái)燈在同等亮度下白色光與黃色光對(duì)應(yīng)的歸一化譜. 黃色光的藍(lán)光波段相對(duì)能量明顯弱于白色光光譜，并且波長(zhǎng)較長(zhǎng)波段的相對(duì)能量也同時(shí)有明顯的增長(zhǎng)，總體達(dá)到較為合適的比例.

3.2 電子屏幕的光譜

電子屏幕是我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)的光源，電子屏幕不同界面測(cè)量光譜的強(qiáng)度和光強(qiáng)比是不同的，為了避免這一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，手機(jī)和平板電腦的顯示屏測(cè)試中均選擇了微信聊天界面進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了手機(jī)在相同界面下最高亮度、半亮度和半亮度對(duì)應(yīng)夜間模式，平板電腦最亮與半亮模式下所對(duì)應(yīng)光譜，具體如圖3所示.

(a) 手機(jī)

(b) 平板電腦圖3 電子屏幕歸一化光譜圖

由圖3可看出，手機(jī)與平板電腦光譜形狀較為相似，都是在中等亮度時(shí)藍(lán)光占比最強(qiáng). 而手機(jī)在打開(kāi)夜間模式之后，各波段的能量配比發(fā)生一定變化，后續(xù)波段能量占比增大，藍(lán)光占比減小.

3.3 各光源的藍(lán)光比

從表1對(duì)比可知，白熾燈的藍(lán)光比最低，僅有33.2%，其次是黃色光模式下的良亮LED臺(tái)燈，第三是良亮的熒光燈. 而藍(lán)光比最高的則是自稱(chēng)“護(hù)眼”的品氏LED臺(tái)燈，其3擋亮度對(duì)應(yīng)的藍(lán)光比高達(dá)90.8%. 另一網(wǎng)購(gòu)的LED燈泡的暖光燈泡的藍(lán)光比反而高于其冷光燈泡.

表1 臺(tái)燈藍(lán)光比

表2給出了手機(jī)與平板電腦的藍(lán)光比，平板電腦半亮度情況下的藍(lán)光比最高，手機(jī)打開(kāi)半亮度夜間模式時(shí)藍(lán)光比最低. 總體而言平板電腦屏幕在相似條件下的藍(lán)光比高于手機(jī)的藍(lán)光比，且屏幕的藍(lán)光比并非與亮度成正相關(guān)關(guān)系.

表2 電子屏幕藍(lán)光比

4 結(jié)束語(yǔ)

利用WGD-8型光柵光譜儀測(cè)量了多種光源的光譜，并且基于數(shù)據(jù)分析了各個(gè)光源的安全程度. 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，白熾燈最為柔和，而LED光源雖然十分節(jié)能，但同時(shí)也伴隨著相當(dāng)多問(wèn)題. 本實(shí)驗(yàn)積極利用了實(shí)驗(yàn)室的資源，給學(xué)生開(kāi)拓了思路和提高了動(dòng)手能力，同時(shí)幫助學(xué)生了解生活中各種燈源的潛在危險(xiǎn).