LED藍光危害的防治

倪澤成 倪孟麟 郭姝蓉

(1天津市照明學會計量測試專業委員會，天津 300193;2天津光電星球顯示設備有限公司;天津 300385)

1 引言

LED光源和LED背光源及彩色顯示器同屬于光源色，藍光是波長為400～500nm的高能量可見光。世衛組織WHO愛眼協會公布:因藍光及輻射每年導致全球超過30000人失明，據中華醫學會眼科學分會數據顯示:在中國4.2億網民中，63.5%的網民因藍光、輻射有視力下降、白內障、失明等不同程度的眼疾。

藍光對人體危害較其它波長的光線更為嚴重，短波藍光具有極高能量，能夠穿透晶狀體直達視網膜，對視網膜造成光損傷，直接或間接導致黃斑區細胞的損害，藍光會使眼睛內的黃斑區毒素量增高嚴重威脅我們的眼底健康。嬰幼兒的眼睛最容易受到藍光傷害。因為嬰兒的晶狀體相對比較清澈，難以過濾藍光。0－2歲，大約70－80%的藍光可以穿透晶狀體到達視網膜;2－10歲，大約60－70%的藍光會照射到視網膜。

黃斑變性的病理機制主要為黃斑區結構的衰老性改變，表現為視網膜色素上皮細胞對視細胞外界盤膜吞噬消化功能下降，導致黃斑變性發生。黃斑變性與黃斑區長期受到光損傷，造成脈絡膜血管硬化，視網膜色素上皮細胞老化。黃斑變性是50歲以上人群失明的主要原因，在美國黃斑變性導致的失明比青光眼、白內障和糖尿性視網膜病變三種常見病致盲人數總和還要多。

LED光源發射的白光主要是靠450～455NM波長的藍光激發熒光粉，其中波長越低擊發能力越強，屬于輻射傷害最強的區段。如果波長變大，激發熒光粉的能力就隨之下降，發光效率就會降低。有些生產廠家為了追求高亮度，會加強LED光源的藍光強度，人眼如果長期看這樣的光源，眼睛會受到藍光傷害。藍光射入眼底經過聚焦后，焦點沒有落在視網膜上，而是落在視網膜與晶狀體之間。這就增大了光線在眼內聚焦的色差距離。而眼內焦點之間的距離是形成視物模糊的主要原因，所以藍光的射入會加劇色差和視覺模糊度，到時眼部肌肉過度緊張，眼部供血過度緊張，眼部血液供應加強，從而加重疲勞。

LED光源工作時間越長，光源中的熒光粉衰減越快，結果就會導致藍光波段的光照越來越強烈，對人眼造成越來越大的傷害力，這使我們不能不重視LED藍光的危害，并要積極尋找防治LED藍光危害的途徑。

顏色分為光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合稱為物體色。LED光源LED顯示屏與LED背光源、CRT陰極射線管等顯示屏同屬于光源色，因而有相同的特性。我們以彩色顯示器光源色為例，用大量的實驗數據說明高色溫的光源和背光源不僅存在著視覺疲勞而且圖像效果也劣于低色溫，因此應積極推廣低色溫的光源和背光源。向低色溫的LED光源和背光源進軍，這是防治LED藍光危害的重要途徑之一。

2 白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像效果優于高色溫附近群體的彩色顯示器

向低色溫的LED光源和背光源進軍，不僅是防治LED藍光危害的重要途徑之一，還可以獲得良好的圖像效果。

我們可以從相關的科研成果中受到啟迪。

2.1 沿普朗克軌跡不同色度坐標的調整

用1980A彩色亮度計測試這些彩色顯示器白場色度坐標，數據詳見表1。

表1 彩色顯示器色度坐標Table 1 Chromaticity Coordinates of Color Monitor

2.2 沿等溫線方向不同色度坐標的調整

在確定色溫及相關色溫概念的描述中，存在著這樣一個需要解決的問題，賈德 (D.B.Judd)，凱來 (K.L.Kelly)曾做過一組正交于普朗克軌道的垂線，通稱為等溫線，在等溫線上的各點都可用這條線與普朗克軌道交點的黑體溫度，來表示色溫或相關色溫;但是對于這條等溫線上的顏色不一致性，卻沒有給予明確的說明。目前，在光源色及其它領域中，有時只偏重注意到色溫的數值，而沒有同時著重注意到色品位置偏離普朗克軌跡的距離。

我們在確定理想色度值的同時，對白場色度坐標偏離普朗克軌道的距離進行了分析。主觀評價結果表明，等色溫線上各點并不等色，等色溫線不能任意延伸。

2.3 主觀評價方法實驗條件

2.3.1 實驗人員:年齡20～70歲，視力及色覺均正常。

文化程度初中～大學

被試人雖因自己的生活經歷與情趣各不相同，實際上有著不同的記憶色與愿望色，有時又掌握著不同的評分標準。因此我們選擇的被試人員有多方面的代表性。

2.3.2 實驗條件:實驗前將彩色顯示器預熱一小時，將各亮度、對比度、飽和度等調為一致。

2.3.3 實驗方法:根據人們的記憶色與愿望色對熒光屏上的再現色做出判斷。用優、良、中、差、劣五級分制作出主觀評價的分類記載，優為5分。

2.3.4 實驗圖像:包括各主要類型膚色、樹木、風光、秋實碩果、大海之濱、樓臺館舍、藍天白云、紅旗、人物服飾等十四種圖像。

2.4 主觀評價實驗結果處理

2.4.1 按五級分制，實驗人員分別評出12種白場色度值熒光屏上14種實驗圖像的主觀評價分數。

2.4.2 對所有實驗人員評出的分數按圖像分類，分別計算出14種圖像各自的平均分。按白場色度值分類，分別計算出12種白場色度值彩色顯示器對14種圖像的總平均分。以上數據均見表2。

表2 彩色復現主觀評價Table 2 Subjective Valuatione of Color Reproduction

2.5 主觀評價實驗結果分析;

2.5.1 白場色品坐標落在普朗克軌跡附近的彩色顯示器，對絕大部分圖像的彩色復現優于色品坐標偏離普朗克軌跡的彩色顯示器，即偏離普朗克軌跡MPCD數據大的彩色顯示器.

2.5.2 白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像效果優于高色溫附近群體的彩色顯示器。雖然，高色溫的彩色顯示器，初看時較為明亮，但很快就出現明顯的視疲勞。而白場色度值在低色溫附近群體的彩色顯示器圖像看起來柔和舒適，視疲勞小，彩色復現主觀評價的評分較高。使用了稀土類化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作為紅熒光體，光效率有了提高，使得彩色顯示器低色溫基準白得以實現。

雖然，彩色顯示器的低色溫與的高色溫代表值與LED光源低色溫與的高色溫代表值并不相同，但有同樣的趨向。

3 應選擇適用于光源及燈具發光特性的彩色亮度計測量色度值

選用適宜的彩色亮度計，準確測量LED等照明光源 (含燈具)的三基色度值X、Y、Z及色度坐標x、y，并能通過標準傳遞與中國計量科學研究院基準保持一致，這是取得正確結果的關鍵。

3.1 彩色亮度計的光譜響應

彩色亮度計是光源及燈具和光環境色度測量中最重要的測色儀器，彩色亮度計濾色片與光電倍增管組合后的探測器應盡量精確地符合光譜三刺激值曲線X(λ)、Y(λ)、和Z(λ)。X(λ)在短波段和長波段有兩個波峰X1(λ)、X2(λ)。

國家電視質量檢驗中心安永成等編著的“彩色電視機性能測量原理與方法”一書中指出:“三個濾光片的儀器，與上圖的光譜三刺激值相比，它沒有辦法模擬X1(λ)的作用，給測量帶來了一定的誤差;而美國生產的1980A、1980B等彩色亮度計由四組濾光片分別模擬上圖中的X1(λ)、X2(λ)，Y(λ)、和Z(λ)的響應曲線。”

目前相關行業使用的儀器如CS－100和BM－7等，在光譜響應上只有三部分，無法良好模擬X1(λ)的作用，也不具備校準功能，給測量帶來無法克服的誤差。色度測量儀器的任務是準確測量和計算出X1、X2、Y、Z四個分量即可。我們均可通過數學變換來計算出x、y，u、v，u’、v’等。反之，如果一臺儀器不能準確測量和計算出X1、X2、Y、Z四個分量，會帶來可觀的誤差。有的儀器甚至以色溫誤差作為衡量，造成只在色度坐標x誤差上給予限制;色度坐標y出現了相當大的誤差。

選用適宜的彩色亮度計，準確測量LED等照明光源 (含燈具)的三基色度值X、Y、Z及色度坐標x、y，并能通過標準傳遞與中國計量科學研究院基準保持一致，這是取得正確結果的關鍵。

按下列公式可求得1980A適宜色修正系數

其中:x0、y0是中國計量科學研究院測量該光源的色度坐標，p0、Xr、Xb、z0是1980A測量光源的四組輸出數據。可給出白、紅、綠、蘭場相應的色修正系數。

經上述校正后，其儀器示值色度坐標誤差可達到國家對標準彩色亮度計的技術要求 (彩色亮度計分標準、一級、二級、三級)

其測量準確度、精確度可與國家級同步，當中國計量科學研究院提供相應標準色源的色度坐標，即可以實現國家對紅、綠、蘭場的修正系數C1、C2的量值傳遞。而不必每次使用前均需進行校準。

3.2 應使用光電倍增管型做探測器的彩色亮度計

根據中國計量科學研究院光學處殷玉喆、馬煜、周慶國、桂康年和北京理工大學光電工程系鄭陽、侯素芳、蘆漢生等人撰寫的“光源色度國家基標準裝置體系的建設”一文中證實:“平板顯示光源的光譜分布都屬于譜線型的，各個譜線之間的強度差別往往達到三個數量級以上，常用的CCD光譜型測光測色儀器，例如Photo Research的PR650/705等，不能提供足夠的動態范圍來滿足色度測量的定標需要。因此，必須要用高動態范圍的測色儀器，至少要采用光電二極管陣列 (PDA)，甚至是光電倍增管(PMT)作探測器的測光測色儀器才能滿足需求。”

如使用CCD器件的PR650、SR－3A會出現中國計量科學研究院發表的文章中所指出的問題。

3.3 測量光譜分布的技術條件十分嚴格

中國計量科學研究院光學處劉慧、肖文賓撰寫的“關于顏色溫度測量的幾個問題”一文中證實:“相對光譜功率測量過程中所采用的波長間隔△λ將直接影響計算結果的精度，△λ越小，測量精度越高，但測量時間增加，應根據種類的不同選用不同的采樣間隔△λ。對于一個實際色溫為6520K的18W熒光燈測量過程中選用5nm的采樣間隔，則測得色溫為7539K，如果選用△λ=2nm的采樣間隔，則測得色溫為6520K。而對于連續光譜的白熾燈，選用△λ=5nm的采樣間隔，便可保證測量結果的正確性。如前所述的色溫6520K的熒光燈，若單色儀的起始波長向長波方向偏0.2nm則測得色溫為7539K;向長波方向偏1.2nm則測得色溫為8683K，向短波方向偏1.2nm則測得色溫為5666K。”

PR－650光譜帶寬8nm，取樣間隔4nm，光譜準確度為±2nm;PR－670光譜精度為±1nm，光譜帶寬8nm(或5nm)，因而只能給出測量 A光源(連續光譜)的顏色精度。如用上述光譜型儀器測量含線性光譜的光源如高壓鈉燈、汞燈、熒光燈等節能燈、LED燈及燈具和光色環境，則會出現上述幾篇文章中指出的測量誤差過大的問題。例如:光譜精度出現0.2nm的誤差，色溫測量結果就會出現1000K的誤差;光譜帶寬和取樣間隔5nm也會出現1000K的誤差。而PR－670給出的技術指標比上述誤差還要大。因此不適合測量上述多種光源。

綜上所述，在測量含線譜的光源如高壓鈉燈、汞燈和熒光燈等對光譜儀器的技術性能及測量條件有嚴格的要求，光譜測色法很容易引入極為可觀的誤差，可能帶來不必要的干擾。所以除國家級計量部門外，應慎建或不建光譜分布測色法;在相當多數的情況下，解決工作中一系列的實際技術關鍵，既不是測量色溫和測量光譜分布;而是準確測量光源的色度坐標，用四組濾光片彩色亮度計做好標準傳遞即可準確測量光源的色度坐標。

4 正確選擇儀器用于光源色的色度測量

中國科學院院士著名數學家王梓坤在科學發現縱橫談一書中指出:“科學研究需要多種才能，制造儀器之才，觀察實驗之才，抽象思維之才等”王梓坤是一位數學家，數學是推理性的科學，但他也把制造儀器之才列為首位，可見科學儀器在人類全部科學實踐中的重要作用。使用科學儀器是人類走向現代文明的先鋒與基石。從事夜景照明和LED應用與研究的科學工作者雖不一定要有制造儀器的才能，但一定要有在自己的領域里根據不同場合正確選擇和積極使用儀器的能力。

根據上述技術要求SPECTRA PR1TCHARD PHOTOMETER 1980適用于測量光源色及燈具和光環境的色度。

4.1 1980的接收器件是光電倍增管，(PR650、PR704、BM－7、SR－3A接收器件均為CCD)。

4.2 1980含五個視場角，可適應各種場合的需要，亮度測試范圍寬廣，由 10－4到 108(Candelas/Meter2)，SR－3A20視場最高測量亮度為3，000尼特。

4.3 1980為四組濾光片彩色亮度計，符合國家電視質量檢驗中心發表文章所指出的技術要求。

4.4 通過推算出C1、C2可以使1980與中國計量院的測色結果保持完全一致，圓滿地進行國家級的計量傳遞，取得正確的測量結果。

5 低照度下舒適的光色是偏黃的暖白色

低照度下偏黃色或偏黃的暖白色將激發起人類的喜慶感、華麗感、舒適的溫暖感。

在高照度下，舒適的光色是偏蘭的白色，使人聯想到日光，但在低照度，舒適的光色是接近偏黃色的火焰光，這是符合人類的生理特點。研究結果表明，照度水平與光色的舒適感有關，在很低照度下，舒適的光色接近火焰 (篝火、蠟燭、油燈)的光色，使人感到平和輕松。而高色溫的光在低照度下使人陰沉、昏暗;在偏低或中等照度下舒適的光色是接近黎明和黃昏的光色;只有在高照度下舒適的光色才是接近中午陽光的光色。因此，低照度下應使用低色溫的光源，在高照度下應使用高色溫的光源。夜景照明屬于低照度，因此我多次建議夜景照明主色調應采用偏黃的暖色調，以提高景觀照明的舒適感和美譽力。

為制造低色溫的LED光源，在光譜中不足的紅光成分，可采用追加熒光體的方法來補充。除了黃光熒光體外，還要增加紅光熒光體。在藍光LED周圍，使綠光熒光體及黃光熒光體相組合，進一步再與紅光熒光體相組合，使用這種組合熒光體就有可能制作出紅光成分多，顯色性優良的白光LED照明及白燈泡色LED照明。由改變多種熒光體的配比在制造LED光源過程中，對合成的光譜形狀進行調整達到所需的色溫和色度坐標及顯色性。使用了稀土類化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作為紅熒光體，光效率有了提高，使得彩色顯示器低色溫基準白得以實現。同樣，為制造低色溫的LED光源，不斷研制優良的紅光熒光體是解決LED藍光危害的關鍵。

綜上所述，向低色溫的LED光源和背光源進軍，不僅可以防治LED藍光危害，還可以獲得良好的圖像效果激發起人類的喜慶感、華麗感、舒適的溫暖感。

研究綠光熒光體黃光熒光體及紅光熒光體的最佳組合，是實現低色溫的LED光源，防治LED藍光危害的一個重要途徑;適用于光源及燈具發光特性的1980彩色亮度計測量色度值，為實現上述途經創造了條件，使該項工作不僅具有科學上的優越性和先進性，也具有技術上的合理性和可行性。

［1］Ni Menglin，He Weiping.Colour Reproduction Measurement and Reference White Chromaticity Value Definition for Color TV Receiver.26屆國際照明委員會論文，2007:50－53.

［2］倪孟麟.彩色電視彩色復現的測量與理想色度值的獲得.世界廣播電視，10(7):20－26.

［3］倪孟麟.彩色電視的彩色復現.2001年“全國電視燈光技術及布光技巧”授課講稿.電視技術論壇，中國中央電視臺，2001，2:79－87.

［4］殷玉喆，馬煜，周慶國，桂康年，鄭陽，侯素芳，蘆漢生.光源色度國家基標準裝置體系的建設.走進CIE－26中國照明學會學術論文集，2005.

［5］倪孟麟，倪澤成.彩色電視色度測試中的量值的統一——制定相關國家標準的技術基礎.世界廣播電視，2000，12.