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 物理實驗教學(xué)中心，上海 200241)

光源是人類生產(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)由于其價廉、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、結(jié)構(gòu)牢固等特點，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，如果眼睛長時間直視該波段光源，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，人體體溫會有所上升，相應(yīng)的生物鐘相位會有所延遲[2]. 因此，光源的藍(lán)光比(波長為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測試光源藍(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，申崇渝等人針對我國的LED照明現(xiàn)狀，通過測試LED照明器件的光譜成分，根據(jù)現(xiàn)行國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析了LED光生物安全性[3]. 2016年，侯曉妮等人通過光生物安全測試裝置測量了多只從市場抽查的燈的實際色溫、藍(lán)光比、光生物安全評價參量. 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)物理實驗中的常用光譜測量設(shè)備，也是本科生能熟練使用的儀器. 本文利用WGD-8型光柵光譜儀測試各種常用光源的光譜，并由此計算各光源的藍(lán)光比.

1 實驗原理

實驗采用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)、探測系統(tǒng)以及計算機(jī)組成. 實驗光源發(fā)出的光經(jīng)狹縫S1射至平面反射鏡M1，反射光線經(jīng)準(zhǔn)直物鏡M2平行照射到光柵G上并發(fā)生反射衍射，由于相同級次不同波長的光衍射角不同，故衍射后同一級次不同波長的光不再平行，所以同一衍射級次不同波長的光束經(jīng)成像物鏡M3會聚后按波長順序依次成像于焦平面上. 接著由電機(jī)驅(qū)動光柵G轉(zhuǎn)動，不同波長的衍射光將依次成像于狹縫上，被光電倍增管或 CCD 接收，最后傳給計算機(jī)進(jìn)行處理. 在實驗中隨著光柵的轉(zhuǎn)動，計算機(jī)會從出射狹縫處依次采集到不同波長對應(yīng)的能量. 選擇多個不同的常用光源作為待測光源放入圖1所示光源處，進(jìn)行相關(guān)的光譜測量，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 實驗內(nèi)容

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

實驗中選用光電倍增管(PMT)作為探測器. 實驗時設(shè)定400～660 nm為光柵光譜儀工作波長測量范圍，并用氖燈進(jìn)行定標(biāo). 數(shù)據(jù)處理時將光強(qiáng)歸一化并作波長-歸一化強(qiáng)度圖. 藍(lán)光比P定義為

(1)

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

3 實驗結(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臺燈

(d)LED燈泡

(e)LED變色臺燈圖2 臺燈歸一化光譜圖

圖2為各種臺燈的歸一化光譜圖. 圖2 (a)為白熾燈的歸一化譜，可見其各個頻率對應(yīng)的能量分布近似均勻，其輻射覆蓋了整個可見光區(qū)，藍(lán)光占比不大. 圖2(b)為2個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更為尖銳. 圖2(c)是網(wǎng)上購買的品氏“護(hù)眼”LED臺燈歸一化譜. 光譜連續(xù)，藍(lán)光波段的光譜峰值高，后續(xù)波段能量沒有特別大的起伏. 1～2擋亮度譜線形狀相似，而3擋亮度對應(yīng)的藍(lán)光波段相對能量明顯增大，后續(xù)波段相對能量幾乎貼近橫軸趨于零. 圖2(d)為LED燈泡歸一化譜，冷光與暖光的譜線十分相近，沒有太大差別. 圖2(e)是良亮可變色臺燈在同等亮度下白色光與黃色光對應(yīng)的歸一化譜. 黃色光的藍(lán)光波段相對能量明顯弱于白色光光譜，并且波長較長波段的相對能量也同時有明顯的增長，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處可見的光源，電子屏幕不同界面測量光譜的強(qiáng)度和光強(qiáng)比是不同的，為了避免這一因素對實驗結(jié)果造成的影響，手機(jī)和平板電腦的顯示屏測試中均選擇了微信聊天界面進(jìn)行實驗. 實驗分別測量了手機(jī)在相同界面下最高亮度、半亮度和半亮度對應(yīng)夜間模式，平板電腦最亮與半亮模式下所對應(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，都是在中等亮度時藍(lán)光占比最強(qiáng). 而手機(jī)在打開夜間模式之后，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臺燈，第三是良亮的熒光燈. 而藍(lán)光比最高的則是自稱“護(hù)眼”的品氏LED臺燈，其3擋亮度對應(yīng)的藍(lán)光比高達(dá)90.8%. 另一網(wǎng)購的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)打開半亮度夜間模式時藍(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

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