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23

Feb

2023

《藍(lán)光、顯白和R9的奧秘》

《藍(lán)光、顯白和R9的奧秘》 ? ? ? 一、LED與藍(lán)光危害的關(guān)系 ? ? ? ? 前段時(shí)間CCTV《第一時(shí)間》播出的“真相報(bào)告：LED會(huì)傷害眼睛嗎？”節(jié)目再次引起了普通百姓對(duì)于LED藍(lán)光危害的關(guān)注。在國家大力提倡LED照明的今天，幫助社會(huì)大眾全面而正確地認(rèn)識(shí)LED與藍(lán)光危害的關(guān)系就顯得至關(guān)重要。 ? ? ? ? 所謂藍(lán)光危害是指當(dāng)由燈具或者光源發(fā)出的光線中波長為400-500納米的藍(lán)光波段亮度過高，并且人眼長時(shí)間直視燈具或光源而引起視網(wǎng)膜的光化學(xué)損傷。 ? ? ? ? 由上述定義我們可以知道，藍(lán)光危害的實(shí)質(zhì)是輻亮度、光譜藍(lán)光含量和時(shí)間的共同作用。只有當(dāng)光源或燈具的輻亮度過高、光譜中藍(lán)光成分豐富、長時(shí)間直視的情況下才會(huì)產(chǎn)生藍(lán)光危害。 ? ? ? ? 專業(yè)人士一般使用藍(lán)光加權(quán)輻亮度來綜合量化光源輻亮度與光譜藍(lán)光含量。而一般高色溫光源光譜中所含藍(lán)光成分較高。 ? ? ? ? 太陽是我們身邊具有極高輻亮度的光源（其輻亮度高達(dá)2×107W/m2.Sr），并且其色溫較高，藍(lán)光加權(quán)輻亮度高達(dá)2.1×106W/m2.Sr，只需持續(xù)注視超過0.5秒就可能引起藍(lán)光危害。當(dāng)然，由于人眼在強(qiáng)光下的保護(hù)機(jī)制，視線會(huì)很快離開太陽。相比之下，我們生活中常見的傳統(tǒng)光源，例如：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈等，輻亮度較太陽相比都要低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。比如：2700K的白熾燈，其藍(lán)光加權(quán)輻亮度為1.3×103W/m2.Sr，持續(xù)注視超過770秒后會(huì)產(chǎn)生藍(lán)光危害。當(dāng)人們?cè)谡Ｊ褂眠@些光源的情況下，都不會(huì)存在藍(lán)光危害的問題。 ? ? ? ? 而LED之所以會(huì)引起大家對(duì)藍(lán)光危害的關(guān)注，主要是由于兩方面的原因：1）亮度高；2）光譜藍(lán)光含量豐富。 ? ? ? ? LED相比于其他傳統(tǒng)光源的一大優(yōu)勢(shì)便是體積小，而恰恰就是這一優(yōu)勢(shì)造成了LED的亮度過高。目前絕大部分的LED均使用藍(lán)光LED作為發(fā)光芯片，使用熒光粉轉(zhuǎn)化一部分藍(lán)光至長波段并且與剩下的藍(lán)光結(jié)合而發(fā)出白光，這一發(fā)光機(jī)制導(dǎo)致了LED光譜藍(lán)光含量豐富。 ? ? ? ? 但是普通百姓生活中所使用的一般都是LED燈具。用于戶外照明的LED燈具一般都經(jīng)過精確的光學(xué)設(shè)計(jì)來防止眩光的產(chǎn)生；用于室內(nèi)照明的LED燈具一般都使用擴(kuò)散板來增大出光面積而減小不舒適眩光。這樣的改變都把這些用于普通照明的LED燈具的輻亮度降低到了與熒光燈相類似的等級(jí)。并且普通照明的LED大部分為白光LED，熒光粉的存在也降低了藍(lán)光含量。因而，那些用于普通照明的合格LED產(chǎn)品，一般不會(huì)造成藍(lán)光危害。在我們前幾期所刊登的俞安琪老師的文章中我們也可以看到，絕大部分合格的LED產(chǎn)品的藍(lán)光危害都屬于無危險(xiǎn)或者低危險(xiǎn)，一般都不存在藍(lán)光危害。 ? ? ? ? 但是，這并不代表我們可以隨意使用這些LED燈具。正如CCTV《第一時(shí)間》和俞安琪老師的文章中的檢測結(jié)果所顯示的那樣，當(dāng)我們異常使用LED燈具，例如除去了那些燈具的必要部分（擴(kuò)散板、防眩光部件等），LED的輻亮度會(huì)大大提升，有些燈具或光源就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)光危害。 ? ? ? ? 對(duì)于LED，只需合理使用合格的LED產(chǎn)品，我們完全不需談“藍(lán)”色變。 ? ? 二、R9為什么這么重要？ ? ? ? ? 顯色性是如何評(píng)價(jià)的？ ? ? ? ? 顯色性（colour rendering）是評(píng)價(jià)照明質(zhì)量的一個(gè)重要方面，我們知道有幾個(gè)概念：顯色指數(shù)Color Rendering Index（CRI），一般顯色指數(shù)Ra，現(xiàn)在又經(jīng)常提起R9；同時(shí)，在評(píng)價(jià)顯色指數(shù)時(shí)，有8個(gè)、14個(gè)、15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的區(qū)別。 ? ? ? 就照明領(lǐng)域來說，我們最熟悉的是顯色指數(shù)CRI。顯色指數(shù)其實(shí)是評(píng)價(jià)被測光源相對(duì)于基準(zhǔn)光源而言忠實(shí)顯色能力的指標(biāo)。 ? ? ? ? 現(xiàn)行的顯色指數(shù)評(píng)價(jià)體系包括了14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色，其中的8個(gè)為彩度中等的標(biāo)準(zhǔn)色，另外6個(gè)則包括彩度較高的紅色、黃色、綠色、藍(lán)色，以及西方人皮膚和綠色樹葉。 ? 圖1：彩度中等的1-8號(hào)標(biāo)準(zhǔn)色 ? 圖2：彩度較高的紅色、黃色、綠色、藍(lán)色，以及西方人皮膚和綠色樹葉 ? ? ? ? ? 我們用顯色指數(shù)來衡量這14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色中的每一個(gè)在被測光源與基準(zhǔn)光源照射下差別有多大。當(dāng)某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色在兩者的照射下完全相同時(shí)，這一光源對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)色的顯色指數(shù)就是100；而當(dāng)差別很大時(shí)，顯色指數(shù)甚至可以為負(fù)值。 ? ? ? ? 我們平時(shí)所說的14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)其實(shí)就是針對(duì)被測光源相對(duì)于基準(zhǔn)光源而言對(duì)于這14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色中每一個(gè)的忠實(shí)顯色能力；而我們所謂的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)則是對(duì)被測光源對(duì)于前8個(gè)中等彩度的標(biāo)準(zhǔn)色中每一個(gè)的忠實(shí)顯色能力。所謂的顯色指數(shù)CRI，也就是我們所說的Ra，是這8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值。 ? ? ? ? 當(dāng)被測光源的色溫小于5000K時(shí)，基準(zhǔn)光源就是具有相同色溫的黑體輻射；當(dāng)被測光源的色溫大于5000K時(shí)，基準(zhǔn)光源就是具有相同色溫的CIE日光模型。 ? ? ? ? 而在計(jì)算的時(shí)候，基準(zhǔn)光源的顯色指數(shù)被定義為100。由于白熾燈與黑體輻射有非常相似的光譜分布，所以一般白熾燈的顯色指數(shù)為100。 ? ? ? ? 對(duì)于傳統(tǒng)光源而言，CRI可以較好的評(píng)價(jià)光源的忠實(shí)顯色能力，但是CRI對(duì)于LED的評(píng)價(jià)有很大的缺陷。 ? ? ? ? 大家必須要牢記的是，CRI只能用于客觀評(píng)價(jià)這8個(gè)彩度中等的標(biāo)準(zhǔn)色在被測光源照射下相對(duì)于在基準(zhǔn)光源下的相似程度，是一個(gè)評(píng)價(jià)光源忠實(shí)顯色能力的指數(shù)，并不能用于評(píng)價(jià)人們對(duì)于顏色的偏好，也就是效果顯色。 ? ? ? ? CIE只指定了14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色樣 ? ? ? ? 新版GB50034-2013里面提到特殊顯色指數(shù)Ri時(shí)稱：特殊顯色指數(shù)（special colour rendering index），是光源對(duì)國際照明委員會(huì)（CIE）選定的第9-15種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的顯色指數(shù)，符號(hào)是Ri。 ? ? ? ? 事實(shí)上，國際照明委員會(huì)（CIE）目前只有14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色樣，沒有第15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色。GB50034-2013是在CIE指定的14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色樣基礎(chǔ)上加上了亞洲人膚色。 ? ? ? ? R9是什么？為什么這么重要？ ? ? ? ? 在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常會(huì)標(biāo)示CRI或者Ra是多少，但是，與以前不同的是，LED時(shí)代，R9正在越來越多被提及和關(guān)注。R9為什么突然變得這么重要？是因?yàn)長ED光源的關(guān)系嗎？ ? ? ? ? R9其實(shí)是我前面已經(jīng)提到的14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色中除去8個(gè)具有中等彩度后剩下6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色中的一個(gè)，是用來評(píng)價(jià)光源對(duì)于高彩度紅色的忠實(shí)顯色能力。 ? 圖3：不同顯色指數(shù)的熒光燈顯色性對(duì)比，其中黃顏色基本沒差別，但是紅色（R9）的差距很大。 圖片來源：Patrick Mansell/Penn State ? ? ? ? 我們之所以如此強(qiáng)調(diào)或者說關(guān)注R9指數(shù)，其實(shí)是因?yàn)榧t色對(duì)于我們而言特別重要，光源對(duì)于紅色的顯色能力直接影響光源對(duì)于我們?nèi)梭w膚色的顯色能力，并且我們特別在意紅色物體以及我們膚色在燈光下的顏色。 ? 圖4：同樣的食物在不同R9顯示指數(shù)燈具下的效果。 圖片來源：CREE ? ? ? ? 而R9對(duì)于LED來說就更為重要。隨著LED的快速發(fā)展，我們能夠越來越方便的調(diào)節(jié)白光LED的光譜。為了提高光效，大家紛紛減少了在波長較長區(qū)域的能量，也就是紅色波長區(qū)域的能量，而把更多的能量放在了555nm左右。這樣一來LED對(duì)于紅色，尤其是彩度較高的紅色的顯色能力就會(huì)下降，而這種下降不能被CRI表現(xiàn)，這也就是為什么R9對(duì)于LED說尤為重要的原因。 ? 圖5：從技術(shù)上來說，為了提高光效，LED更容易削減紅色部分光譜成分。圖為同樣質(zhì)地顏色的凳子在不同的光源下呈現(xiàn)的不同效果，左為鹵素斗膽光源、中間為2700K色溫LED光源，右側(cè)為4000K色溫LED光源。 圖片提供： 黃煒銘 ? 三、白光LED為什么不能顯示白色？ ? ? ? ? 國際上，關(guān)于光源對(duì)于白色的顯色研究已經(jīng)有了很長的歷史。最近，這個(gè)問題之所以引起大家的廣泛關(guān)注，主要原因就是普通的白光LED在對(duì)白色的顯色性上存在很大的缺陷。 ? ? ? ? 我們身邊大部分的白色物體，例如：白紙、襯衫、就連我們的牙齒都含有熒光增白劑。生產(chǎn)廠家通過調(diào)節(jié)熒光增白劑的含量來調(diào)節(jié)這些物體的白度。 ? 圖6：紫外線照射下含有熒光增白劑的餐巾紙。 圖片來源：網(wǎng)絡(luò) ? ? ? ? 熒光增白劑的工作原理其實(shí)與我們大家熟悉的熒光粉一樣，它可以吸收紫外以及紫色的光，然后將這部分的能量轉(zhuǎn)化為藍(lán)色光。而我們?nèi)搜劭磥碓谝欢ㄏ薅葍?nèi)，白色帶一點(diǎn)藍(lán)色要比純白色來的更白。 圖7：熒光增白劑的工作原理。 圖片來源：網(wǎng)絡(luò) ? ? ? ? 由于大部分白色物體都含有這樣的熒光增白劑，所以我們大家都已經(jīng)非常熟悉這些經(jīng)過熒光增白劑調(diào)節(jié)后物體的白度了。 ? ? ? 對(duì)于傳統(tǒng)光源來說，不管是白熾燈、熒光燈、HID都含有一定的紫外輻射或者波長較短的紫光，他們都可以激發(fā)熒光增白劑來達(dá)到提高白度的效果，而帶有這些紫外輻射則是由于這些光源的發(fā)光原理所帶來的，并非大家刻意地加入紫外或者紫光。 圖8：如上圖左側(cè)灰色區(qū)域所示，白熾燈、日光和熒光燈等均含有380-430nm短波紫光和紫外成分，由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉發(fā)白光的LED缺乏此波段的光譜成分。 圖片來源：照明微能量 ? ? ? ? 我們現(xiàn)在身邊常用的白光LED都是藍(lán)光LED加上熒光粉，它們基本不含任何的紫外光以及波長較短的紫光。正是由于這一原因，LED無法激發(fā)白色物體中所含的熒光增白劑，所以那些白色物體在LED的照射下不再這么白了。 圖9：兩個(gè)LED燈具，CRI都在80以上，下面可以正確表現(xiàn)不同白度，上面的不可以。原因是：經(jīng)過光譜設(shè)計(jì)后，下面的LED有準(zhǔn)確的紫光含量可以激發(fā)熒光增白劑 圖片來源：Patrick Mansell / Penn State ? ? ? ? 需要指出的是，并不是說我們可以簡單的在白光LED里加上紫外光就可以解決這一問題。我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)表明，人們對(duì)白度也有一個(gè)偏好的存在，那些白色物體并不是越白越好。白光LED需要通過仔細(xì)的光譜調(diào)節(jié)來準(zhǔn)確地顯示那些白色物體的白度。 ? ?

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