基于光栅光谱仪的几种常用光源的蓝光比测试与分析

2018-08-09石佳辰尹亚玲李晓云

物理实验 2018年7期

石佳辰,尹亚玲，李晓云

(华东师范大学物理与材料科学学院物理实验教学中心，上海 200241)

光源是人类生产生活中必不可少的资源. 随着科学技术的不断发展，人类的照明条件也在不断进步. 现阶段发光二极管(LED)由于其价廉、节能、环保、寿命长、结构牢固等特点，已被广泛商业化. 但是商家出于成本和技术的考量，一般将蓝光LED与不同色光荧光粉混合得到白光. 因此在高色温情况下，光源光谱中心蓝光存在很强的峰值[1-4]. 蓝光光源在400～500 nm的短波波段. 蓝光的危害不容小觑，如果眼睛长时间直视该波段光源，可能引起视网膜的光化学损伤. 除此之外，人眼在蓝光的照射下，人体体温会有所上升，相应的生物钟相位会有所延迟[2]. 因此，光源的蓝光比(波长为400～500 nm的蓝光的能量与总能量之比)是关系我们生活的重要参量，有很高的关注度[1-4]. 例如：2013年，刘婕等人利用成像亮度计测试光源蓝光危害，并且结合光源的光谱数据和最大亮度，计算出各种光源的蓝光危害效率、蓝光安全的亮度上限和照度上限[2]. 2014年，申崇渝等人针对我国的LED照明现状，通过测试LED照明器件的光谱成分，根据现行国内外标准分析了LED光生物安全性[3]. 2016年，侯晓妮等人通过光生物安全测试装置测量了多只从市场抽查的灯的实际色温、蓝光比、光生物安全评价参量. 发现高色温室内用灯往往具有较高的亮度和蓝光比，存在光生物安全危害的可能性更大[4].

光栅光谱仪是大学物理实验中的常用光谱测量设备，也是本科生能熟练使用的仪器. 本文利用WGD-8型光栅光谱仪测试各种常用光源的光谱，并由此计算各光源的蓝光比.

1 实验原理

实验采用WGD-8型光栅光谱仪，其结构如图1所示，由光源、以反射型光栅为主的光学系统、探测系统以及计算机组成. 实验光源发出的光经狭缝S1射至平面反射镜M1，反射光线经准直物镜M2平行照射到光栅G上并发生反射衍射，由于相同级次不同波长的光衍射角不同，故衍射后同一级次不同波长的光不再平行，所以同一衍射级次不同波长的光束经成像物镜M3会聚后按波长顺序依次成像于焦平面上. 接着由电机驱动光栅G转动，不同波长的衍射光将依次成像于狭缝上，被光电倍增管或 CCD 接收，最后传给计算机进行处理. 在实验中随着光栅的转动，计算机会从出射狭缝处依次采集到不同波长对应的能量. 选择多个不同的常用光源作为待测光源放入图1所示光源处，进行相关的光谱测量，并进行分析，可望得到不同光源的光谱以及蓝光比，从而得到不同光源的蓝光危害程度.

图1 WGD-8光栅光谱仪结构示意图

2 实验内容

为了评估生活中的光源的蓝色危害，实验采用了多个常用光源，具体有：良亮牌荧光灯、可变色LED台灯、雷士节能、品氏“护眼”LED可变亮度台灯、网购LED冷暖灯泡、白炽灯、iPhone5s与iPad Air2.

实验中选用光电倍增管(PMT)作为探测器. 实验时设定400～660 nm为光栅光谱仪工作波长测量范围，并用氖灯进行定标. 数据处理时将光强归一化并作波长-归一化强度图. 蓝光比P定义为

(1)

其中E1为波长为400～500 nm之间蓝光的能量之和，E总为测量范围内光的总能量之和.

3 实验结果与分析

3.1 灯具的光谱

(a)白炽灯良亮

(b)荧光灯管

(c)LED台灯

(d)LED灯泡

(e)LED变色台灯图2 台灯归一化光谱图

图2为各种台灯的归一化光谱图. 图2 (a)为白炽灯的归一化谱，可见其各个频率对应的能量分布近似均匀，其辐射覆盖了整个可见光区，蓝光占比不大. 图2(b)为2个不同品牌的荧光灯管归一化谱，两者形状较为相似:光谱分立，蓝光成分能量最强，其余部分能量相较较弱，并且良亮灯管的谱线更为尖锐. 图2(c)是网上购买的品氏“护眼”LED台灯归一化谱. 光谱连续，蓝光波段的光谱峰值高，后续波段能量没有特别大的起伏. 1～2挡亮度谱线形状相似，而3挡亮度对应的蓝光波段相对能量明显增大，后续波段相对能量几乎贴近横轴趋于零. 图2(d)为LED灯泡归一化谱，冷光与暖光的谱线十分相近，没有太大差别. 图2(e)是良亮可变色台灯在同等亮度下白色光与黄色光对应的归一化谱. 黄色光的蓝光波段相对能量明显弱于白色光光谱，并且波长较长波段的相对能量也同时有明显的增长，总体达到较为合适的比例.

3.2 电子屏幕的光谱

电子屏幕是我们日常生活中随处可见的光源，电子屏幕不同界面测量光谱的强度和光强比是不同的，为了避免这一因素对实验结果造成的影响，手机和平板电脑的显示屏测试中均选择了微信聊天界面进行实验. 实验分别测量了手机在相同界面下最高亮度、半亮度和半亮度对应夜间模式，平板电脑最亮与半亮模式下所对应光谱，具体如图3所示.