基于光柵光譜儀的幾種常用光源的藍光比測試與分析

石佳辰,尹亞玲，李曉云

(華東師范大學 物理與材料科學學院 物理實驗教學中心，上海 200241)

光源是人類生產生活中必不可少的資源. 隨著科學技術的不斷發展，人類的照明條件也在不斷進步. 現階段發光二極管(LED)由于其價廉、節能、環保、壽命長、結構牢固等特點，已被廣泛商業化. 但是商家出于成本和技術的考量，一般將藍光LED與不同色光熒光粉混合得到白光. 因此在高色溫情況下，光源光譜中心藍光存在很強的峰值[1-4]. 藍光光源在400～500 nm的短波波段. 藍光的危害不容小覷，如果眼睛長時間直視該波段光源，可能引起視網膜的光化學損傷. 除此之外，人眼在藍光的照射下，人體體溫會有所上升，相應的生物鐘相位會有所延遲[2]. 因此，光源的藍光比(波長為400～500 nm的藍光的能量與總能量之比)是關系我們生活的重要參量，有很高的關注度[1-4]. 例如：2013年，劉婕等人利用成像亮度計測試光源藍光危害，并且結合光源的光譜數據和最大亮度，計算出各種光源的藍光危害效率、藍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照明現狀，通過測試LED照明器件的光譜成分，根據現行國內外標準分析了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、藍光比、光生物安全評價參量. 發現高色溫室內用燈往往具有較高的亮度和藍光比，存在光生物安全危害的可能性更大[4].

光柵光譜儀是大學物理實驗中的常用光譜測量設備，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光比.

1 實驗原理

實驗采用WGD-8型光柵光譜儀，其結構如圖1所示，由光源、以反射型光柵為主的光學系統、探測系統以及計算機組成. 實驗光源發出的光經狹縫S1射至平面反射鏡M1，反射光線經準直物鏡M2平行照射到光柵G上并發生反射衍射，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. 接著由電機驅動光柵G轉動，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，最后傳給計算機進行處理. 在實驗中隨著光柵的轉動，計算機會從出射狹縫處依次采集到不同波長對應的能量. 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，進行相關的光譜測量，并進行分析，可望得到不同光源的光譜以及藍光比，從而得到不同光源的藍光危害程度.

圖1 WGD-8光柵光譜儀結構示意圖

2 實驗內容

為了評估生活中的光源的藍色危害，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、雷士節能、品氏“護眼”LED可變亮度臺燈、網購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. 實驗時設定400～660 nm為光柵光譜儀工作波長測量范圍，并用氖燈進行定標. 數據處理時將光強歸一化并作波長-歸一化強度圖. 藍光比P定義為

(1)

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

3 實驗結果與分析

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的能量分布近似均勻，其輻射覆蓋了整個可見光區，藍光占比不大. 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，藍光成分能量最強，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)是網上購買的品氏“護眼”LED臺燈歸一化譜. 光譜連續，藍光波段的光譜峰值高，后續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擋亮度對應的藍光波段相對能量明顯增大，后續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的歸一化譜. 黃色光的藍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，總體達到較為合適的比例.

3.2 電子屏幕的光譜

電子屏幕是我們日常生活中隨處可見的光源，電子屏幕不同界面測量光譜的強度和光強比是不同的，為了避免這一因素對實驗結果造成的影響，手機和平板電腦的顯示屏測試中均選擇了微信聊天界面進行實驗. 實驗分別測量了手機在相同界面下最高亮度、半亮度和半亮度對應夜間模式，平板電腦最亮與半亮模式下所對應光譜，具體如圖3所示.

(a) 手機

(b) 平板電腦圖3 電子屏幕歸一化光譜圖

由圖3可看出，手機與平板電腦光譜形狀較為相似，都是在中等亮度時藍光占比最強. 而手機在打開夜間模式之后，各波段的能量配比發生一定變化，后續波段能量占比增大，藍光占比減小.

3.3 各光源的藍光比

從表1對比可知，白熾燈的藍光比最低，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. 而藍光比最高的則是自稱“護眼”的品氏LED臺燈，其3擋亮度對應的藍光比高達90.8%. 另一網購的LED燈泡的暖光燈泡的藍光比反而高于其冷光燈泡.

表1 臺燈藍光比

表2給出了手機與平板電腦的藍光比，平板電腦半亮度情況下的藍光比最高，手機打開半亮度夜間模式時藍光比最低. 總體而言平板電腦屏幕在相似條件下的藍光比高于手機的藍光比，且屏幕的藍光比并非與亮度成正相關關系.

表2 電子屏幕藍光比

4 結束語

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