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23

Feb

2023

《藍光、顯白和R9的奧秘》

《藍光、顯白和R9的奧秘》 ? ? ? 一、LED與藍光危害的關系 ? ? ? ? 前段時間CCTV《第一時間》播出的“真相報告：LED會傷害眼睛嗎？”節目再次引起了普通百姓對于LED藍光危害的關注。在國家大力提倡LED照明的今天，幫助社會大眾全面而正確地認識LED與藍光危害的關系就顯得至關重要。 ? ? ? ? 所謂藍光危害是指當由燈具或者光源發出的光線中波長為400-500納米的藍光波段亮度過高，并且人眼長時間直視燈具或光源而引起視網膜的光化學損傷。 ? ? ? ? 由上述定義我們可以知道，藍光危害的實質是輻亮度、光譜藍光含量和時間的共同作用。只有當光源或燈具的輻亮度過高、光譜中藍光成分豐富、長時間直視的情況下才會產生藍光危害。 ? ? ? ? 專業人士一般使用藍光加權輻亮度來綜合量化光源輻亮度與光譜藍光含量。而一般高色溫光源光譜中所含藍光成分較高。 ? ? ? ? 太陽是我們身邊具有極高輻亮度的光源（其輻亮度高達2×107W/m2.Sr），并且其色溫較高，藍光加權輻亮度高達2.1×106W/m2.Sr，只需持續注視超過0.5秒就可能引起藍光危害。當然，由于人眼在強光下的保護機制，視線會很快離開太陽。相比之下，我們生活中常見的傳統光源，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個數量級。比如：2700K的白熾燈，其藍光加權輻亮度為1.3×103W/m2.Sr，持續注視超過770秒后會產生藍光危害。當人們在正常使用這些光源的情況下，都不會存在藍光危害的問題。 ? ? ? ? 而LED之所以會引起大家對藍光危害的關注，主要是由于兩方面的原因：1）亮度高；2）光譜藍光含量豐富。 ? ? ? ? LED相比于其他傳統光源的一大優勢便是體積小，而恰恰就是這一優勢造成了LED的亮度過高。目前絕大部分的LED均使用藍光LED作為發光芯片，使用熒光粉轉化一部分藍光至長波段并且與剩下的藍光結合而發出白光，這一發光機制導致了LED光譜藍光含量豐富。 ? ? ? ? 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燈具一般都經過精確的光學設計來防止眩光的產生；用于室內照明的LED燈具一般都使用擴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。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光含量。因而，那些用于普通照明的合格LED產品，一般不會造成藍光危害。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產品的藍光危害都屬于無危險或者低危險，一般都不存在藍光危害。 ? ? ? ? 但是，這并不代表我們可以隨意使用這些LED燈具。正如CCTV《第一時間》和俞安琪老師的文章中的檢測結果所顯示的那樣，當我們異常使用LED燈具，例如除去了那些燈具的必要部分（擴散板、防眩光部件等），LED的輻亮度會大大提升，有些燈具或光源就會產生藍光危害。 ? ? ? ? 對于LED，只需合理使用合格的LED產品，我們完全不需談“藍”色變。 ? ? 二、R9為什么這么重要？ ? ? ? ? 顯色性是如何評價的？ ? ? ? ? 顯色性（colour rendering）是評價照明質量的一個重要方面，我們知道有幾個概念：顯色指數Color Rendering Index（CRI），一般顯色指數Ra，現在又經常提起R9；同時，在評價顯色指數時，有8個、14個、15個評價指標的區別。 ? ? ? 就照明領域來說，我們最熟悉的是顯色指數CRI。顯色指數其實是評價被測光源相對于基準光源而言忠實顯色能力的指標。 ? ? ? ? 現行的顯色指數評價體系包括了14個標準色，其中的8個為彩度中等的標準色，另外6個則包括彩度較高的紅色、黃色、綠色、藍色，以及西方人皮膚和綠色樹葉。 ? 圖1：彩度中等的1-8號標準色 ? 圖2：彩度較高的紅色、黃色、綠色、藍色，以及西方人皮膚和綠色樹葉 ? ? ? ? ? 我們用顯色指數來衡量這14個標準色中的每一個在被測光源與基準光源照射下差別有多大。當某一個標準色在兩者的照射下完全相同時，這一光源對于該標準色的顯色指數就是100；而當差別很大時，顯色指數甚至可以為負值。 ? ? ? ? 我們平時所說的14個評價指標其實就是針對被測光源相對于基準光源而言對于這14個標準色中每一個的忠實顯色能力；而我們所謂的8個評價指標則是對被測光源對于前8個中等彩度的標準色中每一個的忠實顯色能力。所謂的顯色指數CRI，也就是我們所說的Ra，是這8個評價指標的平均值。 ? ? ? ? 當被測光源的色溫小于5000K時，基準光源就是具有相同色溫的黑體輻射；當被測光源的色溫大于5000K時，基準光源就是具有相同色溫的CIE日光模型。 ? ? ? ? 而在計算的時候，基準光源的顯色指數被定義為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為100。 ? ? ? ? 對于傳統光源而言，CRI可以較好的評價光源的忠實顯色能力，但是CRI對于LED的評價有很大的缺陷。 ? ? ? ? 大家必須要牢記的是，CRI只能用于客觀評價這8個彩度中等的標準色在被測光源照射下相對于在基準光源下的相似程度，是一個評價光源忠實顯色能力的指數，并不能用于評價人們對于顏色的偏好，也就是效果顯色。 ? ? ? ? CIE只指定了14個標準色樣 ? ? ? ? 新版GB50034-2013里面提到特殊顯色指數Ri時稱：特殊顯色指數（special colour rendering index），是光源對國際照明委員會（CIE）選定的第9-15種標準顏色樣品的顯色指數，符號是Ri。 ? ? ? ? 事實上，國際照明委員會（CIE）目前只有14個標準色樣，沒有第15個標準色。GB50034-2013是在CIE指定的14個標準色樣基礎上加上了亞洲人膚色。 ? ? ? ? R9是什么？為什么這么重要？ ? ? ? ? 在實際應用中，我們通常會標示CRI或者Ra是多少，但是，與以前不同的是，LED時代，R9正在越來越多被提及和關注。R9為什么突然變得這么重要？是因為LED光源的關系嗎？ ? ? ? ? R9其實是我前面已經提到的14個標準色中除去8個具有中等彩度后剩下6個標準色中的一個，是用來評價光源對于高彩度紅色的忠實顯色能力。 ? 圖3：不同顯色指數的熒光燈顯色性對比，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 ? ? ? ? 我們之所以如此強調或者說關注R9指數，其實是因為紅色對于我們而言特別重要，光源對于紅色的顯色能力直接影響光源對于我們人體膚色的顯色能力，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顯示指數燈具下的效果。 圖片來源：CREE ? ? ? ? 而R9對于LED來說就更為重要。隨著LED的快速發展，我們能夠越來越方便的調節白光LED的光譜。為了提高光效，大家紛紛減少了在波長較長區域的能量，也就是紅色波長區域的能量，而把更多的能量放在了555nm左右。這樣一來LED對于紅色，尤其是彩度較高的紅色的顯色能力就會下降，而這種下降不能被CRI表現，這也就是為什么R9對于LED說尤為重要的原因。 ? 圖5：從技術上來說，為了提高光效，LED更容易削減紅色部分光譜成分。圖為同樣質地顏色的凳子在不同的光源下呈現的不同效果，左為鹵素斗膽光源、中間為2700K色溫LED光源，右側為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，關于光源對于白色的顯色研究已經有了很長的歷史。最近，這個問題之所以引起大家的廣泛關注，主要原因就是普通的白光LED在對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。生產廠家通過調節熒光增白劑的含量來調節這些物體的白度。 ? 圖6：紫外線照射下含有熒光增白劑的餐巾紙。 圖片來源：網絡 ? ? ? ? 熒光增白劑的工作原理其實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化為藍色光。而我們人眼看來在一定限度內，白色帶一點藍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：網絡 ? ? ? ? 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非常熟悉這些經過熒光增白劑調節后物體的白度了。 ? ? ? 對于傳統光源來說，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，他們都可以激發熒光增白劑來達到提高白度的效果，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：如上圖左側灰色區域所示，白熾燈、日光和熒光燈等均含有380-430nm短波紫光和紫外成分，由藍光激發黃色熒光粉發白光的LED缺乏此波段的光譜成分。 圖片來源：照明微能量 ? ? ? ? 我們現在身邊常用的白光LED都是藍光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LED燈具，CRI都在80以上，下面可以正確表現不同白度，上面的不可以。原因是：經過光譜設計后，下面的LED有準確的紫光含量可以激發熒光增白劑 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。我們已經通過實驗表明，人們對白度也有一個偏好的存在，那些白色物體并不是越白越好。白光LED需要通過仔細的光譜調節來準確地顯示那些白色物體的白度。 ? ?

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