蓝光危害加权因子与节律作用函数, 见图1所示。 由图可见蓝光危害加权函数与节律作用函数主要位于400~500 nm波段, 峰值波长分别为437与464 nm。 视黄酮A2E在蓝光作用下, 发生光化学反应, 会使视网膜色素上皮萎缩、 感光细胞死亡, 视黄酮A2E的蓝光吸收峰为437 nm。 446~477 nm波段蓝光对松果体分泌褪黑色素的调节作用明显^{[13, 14]}。 蓝光危害因子与节律因子计算公式见式(1)和式(2)。

KB=∫380780P(λ)B(λ)dλKm∫380780P(λ)V(λ)dλ(1)KC=K'm∫380780P(λ)C(λ)dλKm∫380780P(λ)V(λ)dλ(2)

图1

Fig.1

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	图1 人眼对可见光的响应函数及钴蓝玻璃透射率Fig.1 Response functions of human eyes to visible light and cobalt glass transmission

式中K_m和K'_m分别为明视觉与节律效应最大光谱光效能, 大小分别为683和3 616 lm· W^-1。 B(λ ), C(λ )和V(λ )分别代表蓝光危害加权函数、 节律作用函数及明视觉光谱光效函数。 根据CIE等权威数据, 多篇文献对三个人眼响应函数表达式进行了高质量拟合^{[15, 16]}, 见式(3), 式(4)和式(5)。

B(λ )=6.737× 10^-4+0.236 1exp -(λ-416.136)220.276+

0.444 3exp -(λ-423.378)2215.925+

0.860 6exp -(λ-447.663)2804.406+

0.150 5exp -(λ-480.662)2118.811+

0.090 8exp -(λ-471.588)22697.525(3)

C(λ )=-0.014+ 1.7411+exp(14.397-λ/30.582)×

1-11+exp(24.824-λ/17.736)(4)

V(λ )=3.659× 10^-4+ 1.1821+exp(32.651-λ/15.731)×

1-11+exp(24.558-λ/20.915)(5)

欲由式(1)和式(2)计算光源蓝光危害因子和节律因子, 需利用较为昂贵的光谱仪采集被测光源光谱分布P(λ )。 例如: 美国海洋光学公司的Ocean Optics USB2000+微型光谱仪国内售价高达1万元左右。 另外, 相关数学运算较为复杂, 需要利用Matlab等专业数学软件, 对于普通大众, 甚至基层质检人员具有一定难度。

钴蓝玻璃主要用于观测水泥窑炉内的火焰情况。 测量南通瑞森光学元件科技有限公司QB5型钴蓝玻璃片透射率, 结果见图1。 该玻璃片透射峰值波长为425 nm, 透过率为62%, 半峰高对应波长分别为365和490 nm。 380 nm处对应透射率为53%, 515 nm时透射率< 10%, 与蓝光危害加权函数及节律作用函数重合度较高。 故利用QB5型钴蓝玻璃片可较好的选择透过被测光源光谱分布中的蓝光危害与节律效应波段。 因此, 本文提出: 可尝试透过QB5型钴蓝玻璃片直接观察比较被测光源颜色、 亮度, 评估蓝光危害与节律效应。 为了便于下文计算分析, 利用OriginPro软件对图1中QB5型钴蓝玻璃片透射率进行拟合, 拟合公式为Gauss函数, 见式(6), 结果见表1。

y=y0+Awπ/2e-2(x-xc)2w2(6)

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 钴蓝玻璃透射率拟合结果 Table 1 Fitting results of transmission of cobalt blue glass Functions Fitting results of each parameter R2 Residual sum of squares Residual mean square Gauss y0=-0.144 4 A=130.338 w=128.467 xc=421.157 0.996 14 0.006 35 2.117 55× 10-4

表1 钴蓝玻璃透射率拟合结果 Table 1 Fitting results of transmission of cobalt blue glass

该评估方法流程见图2。 主要步骤为: 点亮被测光源(人工照明设备或显示屏), 适当调节观察者与被测光源的距离; 右手持QB5型钴蓝玻璃片, 紧贴眼睛置于右眼正前方, 左手遮盖左眼, 或者闭上左眼, 透过玻璃片观察被测光源颜色和亮度; 用相同方法观察普通白蜡烛烛光, 以烛光亮度为参照, 强于烛光者近似为有蓝光危害与节律效应, 弱于烛光者近似为无蓝光危害与节律效应; 最后, 根据观察比较情况给出被测光源有无蓝光危害与节律效应的评判结果。

图2

Fig.2

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	图2 蓝光危害与节律效应评估方法流程图Fig.2 Flow chart of assessment method of blue light hazard and circadian effect

以普通白蜡烛烛光为参照原因主要为: 烛光光谱分布中400~500 nm蓝光含量较少, 见图3(f), ∫400500P(λ )d(λ )/ ∫380780P(λ )d(λ )=0.033 14, 根据式(1)和式(2)计算烛光蓝光危害因子与节律因子, 分别为2.366 89× 10^-4 W· ml^-1和1.359 0, 可见烛光的蓝光危害和节律效应均较小; 普通白蜡烛与钴蓝玻璃片对于基层质检人员均较易获得, 且价格低廉。 例如: 南通瑞森光学元件科技有限公司2× 2 cm QB5型钴蓝玻璃片售价不足10元。

图3

Fig.3

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	图3 不同光源的归一化光谱分布Fig.3 Normalized spectral of different light sources

为了充分验证该评估方法的正确性, 利用美国光学研究^® (Photo Research^® )有限公司(INC)生产的PR-650光谱扫描式彩色频谱仪, 分别采集高压钠灯、 低压钠灯、 金属卤化物灯、 白炽灯、 白光LED及普通白蜡烛6种常见人工照明的光谱分布, 以及白场下LED背光LCD(液晶显示屏)、 CCFL(冷阴极荧光灯管)背光LCD、 CRT(阴极射线管)3种显示器的光谱分布, 见图3所示。

由图3可见九种光源光谱分布中400~500 nm的蓝光含量相差较大, 其中显示器的蓝光占比普遍高于人工照明。 六种人工照明中白光LED和金属卤化物灯中蓝光含量较多, 高压钠灯、 白炽灯以及烛光中蓝光含量较少, 低压钠灯单色性较好, 不含蓝光。

由图3光谱分布数据及上文QB5型钴蓝玻璃片透射率的拟合结果[式(6)、 表1], 可算得九种光源透过钴蓝玻璃片的光谱分布, 结果见图4。 由图4可见: 不同人工照明及显示器透过钴蓝玻璃片的光谱分布峰值波长、 光谱强度均相差较大。 光源波长对应于观察到的颜色, 人眼对颜色具有较强分辨力, 例如: 490 nm附近的蓝光, 波长变化1 nm即可分辨。 由图4可见, 九种光源透过钴蓝玻璃片的光谱分布主要位于390~520 nm波段, 对应的明视觉光谱光效均较小, 且变化较平缓, 故不同人工照明透过钴蓝玻璃片光谱强度的强弱, 在一定程度上对应于人眼观察到的亮度。 人眼具有较高的亮度分辨力, 例如: 夜间环境为30 cd· m^-2时, 人眼可分辨的亮度范围为1200 cd· m^-2。 透过钴蓝玻璃片光谱分布的峰值波长越接近蓝光危害加权函数与节律作用函数峰值波长, 蓝光危害与节律效应越强; 透过钴蓝玻璃片的亮度越大, 蓝光剂量就越多, 蓝光危害与节律效应也就越强。 故可尝试根据观察光源透过钴蓝玻璃片的颜色与亮度评估蓝光危害与节律效应。

图4

Fig.4

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	图4 不同光源透过钴蓝玻璃片的光谱分布Fig.4 Spectral of different light sources through the cobalt blue glass

人眼透过钴蓝玻璃片观察到光源的颜色实际对应于光谱主波长, 高压钠灯与金属卤化物灯的光谱分布较为复杂, 出现多个波峰, 两灯光谱峰值波长与主波长差距较大, 不便由图4直接判断光谱主波长。 此处仅以烛光光谱强度为有无蓝光危害与节律效应的分界线, 近似评估光源。 而不去量化比较不同光源蓝光危害与节律效应大小。 由图4可得金属卤化物灯、 白光LED以及白炽灯有蓝光危害与节律效应; 高压钠灯和低压钠灯无蓝光危害与节律效应。 由图可知三种显示屏均有蓝光危害与节律效应。 三种显示屏光谱分布较为简单, 且峰值波长较为接近, 故主波长相差不大, 可根据光谱强度判断蓝光危害与节律效应相对大小依次为: LED背光LCD, CCFL背光LCD, CRT。

为了直观反映透过QB5型钴蓝玻璃片光源颜色的变化情况, 根据图3和图4中光谱分布数据, 分别计算九种光源及其透过QB5型钴蓝玻璃片, 1931 CIE-XYZ计色系统的色度坐标。 在色度图中标出对应坐标点, 见图5。 由图5(a)可见: 高压钠灯、 低压钠灯、 白炽灯、 金属卤化物灯及烛光X值均较大, 即红基色比例较高; LED, CRT以及CCFL背光LCD靠近色度图中心, 色坐标接近中午阳光色坐标(0.310 1, 0.316 2); LED背光LCD色坐标为(0.28, 0.29), 蓝基色比例较高。

图5

Fig.5

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	图5 不同光源1931 CIE-XYZ色度坐标 (a): 光源色坐标; (b): 光源透过QB5的色坐标Fig.5 1931 CIE-XYZ chromaticity coordinates of different light source (a): Chromaticity coordinates of light source; (b): Chromaticity coordinates of light source through the QB5

色坐标Z值表示蓝基色比例, 计算9种光源1931 CIE-XYZ色坐标Z值, 结果见表2。 由表2可见9种光源蓝基色比例大小相差较大, 故蓝光危害与节律效应也存在较大差别。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同光源1931 CIE-XYZ色度坐标Z值 Table 2 1931 CIE-XYZ chromaticity Z coordinate value of different light source Low Pressure Sodium High Pressure Sodium Candle Incandescent Ceramic metal halide LED CRT CCFL LCD LED LCD 0 0.06 0.1 0.12 0.13 0.214 0.37 0.37 0.43

表2 不同光源1931 CIE-XYZ色度坐标Z值 Table 2 1931 CIE-XYZ chromaticity Z coordinate value of different light source

由图5(b)可直观反映九种光源透过QB5型钴蓝玻璃片的颜色。 除低压钠灯外, 其他八种光源在色度图的坐标位置差别不大。 由图3及表2知, 低压钠灯不含蓝光, 图5(b)中低压钠灯的色坐标为光谱仪探测器背景信号产生, 无讨论意义。 人眼能否辨别8种光源透过QB5型钴蓝玻璃片的颜色差别, 需要根据主波长及人眼色调分辨力判断。

为了验证该评估方法的正确性, 需对9种光源进行定量计算分析。 利用PR-650光谱扫描式彩色频谱仪测量光源相关色温, 利用辐射照度计测量光源380~780 nm波段辐照度, 根据图5色坐标可得光源及其透过QB5型钴蓝玻璃片的主波长, 由式(1)和式(2)计算九种光源的蓝光危害因子与节律因子, 结果见表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同光源的主要色度参数及相关计算结果 Table 3 Calculational results colorimetric parameters of different light source Light source CCT /K Irradiance /(W· m-2) Dominant wavelength/nm Dominant wavelength through QB5/nm KB/(× 10-4 W· ml-1) KC Low Pressure Sodium 1 810 0.194 589 485 0.033 89 0.010 3 High Pressure Sodium 2 008 0.263 588 477 1.250 61 0.452 2 Candle 2 013 0.042 4 592 474 2.366 89 1.359 0 Incandescent 2 595 0.705 585 472 2.405 48 1.570 5 Ceramic metal halide 2 597 0.340 584 473 2.599 49 1.498 5 LED 3 612 0.366 581 469 5.305 94 2.679 4 CRT 6 867 0.199 484 467 8.950 01 4.174 7 CCFL LCD 6 417 0.247 484 465 11.8 4.657 4 LED LCD 10 109 0.340 480 466 12.4 6.001 3

表3 不同光源的主要色度参数及相关计算结果 Table 3 Calculational results colorimetric parameters of different light source

由表3可见: 9种光源透过QB5型钴蓝玻璃片的主波长均大于节律作用函数峰值波长464 nm。 由图1响应函数曲线单调性推测, 9种光源透过QB5玻璃片主波长越小, 蓝光危害与节律效应越小。 表3相应数据整体变化规律与推测结果吻合较好。 但白炽灯(472 nm)与金属卤化物灯(473 nm)、 CCFL背光LCD(465 nm)与LED背光LCD(466 nm)不符合该规律, 然而, 这两组主波长之间差别仅为1 nm, 可能是误差造成。 因此, 理论上可以根据光源透过QB5型钴蓝玻璃片的主波长, 即人眼观察到的颜色, 评估光源蓝光危害与节律效应。

将表2中九种光源色坐标Z值与表3中两个因子进行比较, 可见三者之间正相关。 色坐标Z值及主波长均能表征颜色, 那么人眼根据透过QB5型钴蓝玻璃观察到光源的颜色, 能否评估比较蓝光危害与节律效应大小? 图6给出了人眼对可见光的波长分辨力^[17], 不考虑低压钠灯, 由表3知八种光源透过QB5型钴蓝玻璃片的主波长位于465~477 nm波段, 对应人眼分辨力为1.5~2.45 nm。 而多个光源透过钴蓝玻璃片的主波长差别为2 nm, 甚至1 nm。 因此, 人眼根据光源颜色评估、 比较蓝光危害与节律效应大小, 在实际操作中具有一定难度。

图6

Fig.6

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	图6 人眼对可见光的波长分辨力Fig.6 The wavelength resolution of the human eye to visible light

人眼能感受的亮度范围约为10^-3~10⁶ cd· m^-2, 可分辨的最大和最小亮度比为1 000∶ 1, 当亮度为1 000 cd· m^-2时, 最小可识别黑度差为Δ D_min≈ 0.08^[16]。 亮度为单位立体角、 单位投影面积上的光通量。 利用式(7), 计算九种光源透过QB5型钴蓝玻璃片, 在明视觉下的光通量, 结果见表4。 由表4可见, 九种光源的光通量之间差别较大, 人眼可以辨别。 将表4与表3中两个因子比较, 知光通量随蓝光危害因子与节律因子的增加而增大。 明视觉下的光通量对应于人眼观察到光源的亮度。 因此, 可根据人眼透过QB5型钴蓝玻璃片观察到光源亮度, 评估蓝光危害与节律效应。 通过定量计算分析, 验证了该可视化评估方法的正确性。

ΦV=Km∫380780P(λ)V(λ)dλ(7)

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 不同光源透过钴蓝玻璃片在明视觉下的光通量 Table 4 Luminous flux of different light source through the cobalt blue glass Low Pressure Sodium High Pressure Sodium Candle Incandescent Ceramic metal halide LED CRT CCFL LCD LED LCD 0.42 92.18 192.09 315.35 484.61 554.83 570.37 778.57 1 175.93

表4 不同光源透过钴蓝玻璃片在明视觉下的光通量 Table 4 Luminous flux of different light source through the cobalt blue glass