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不同光源的光谱分布与光生物安全

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上传人:开玄光电

上传时间: 2016-12-09

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  我们在前面提到评价LED的光生物安全的安全等级时只深入探讨了蓝光危害,可是在光生物安全的相关标准中还有以下几个指标:光化学紫外危害,近紫外危害,视网膜热危害以及红外辐射危害。那为什么对于LED只考虑了蓝光危害呢?这里我们从各种光源的光成分对比,来探讨不同光源的光生物安全。

  这里我们选择了普通LED照明灯具(蓝光芯片+YAG荧光粉),传统白炽灯,卤素灯,荧光灯这四种不同光源进行光成分的对比。

  LED灯

  在LED光源中是由半导体芯片发出的蓝光(波长中心在450nm左右)经黄色荧光粉转化为黄光,转化的黄光再与未转化的蓝光复合形成白光,所以不可避免的是LED光成分中蓝光占比较多。从光谱图中我们可以看到,LED光成分中绝大部分为蓝光和黄光,紫外成分几乎没有(故不考虑光化学紫外危害和近紫外危害),红光或红外成分微乎其微(故不考虑视网膜热危害和红外辐射危害)。

  白炽灯

  白炽灯是通过钨丝加热,利用热辐射发光的光源。从白炽灯的光谱上可以看出,从大约780nm的近红外开始慢慢递减直到紫色波长380nm左右。所以对于白炽灯而言其主要成分为红光且色成分相对比较均匀故有很高的显色性,色温也比较低。但是需要特别注意的是其在一定距离内会产生视网膜热危害以及极少量的红外辐射危害,但是白炽灯的蓝光危害可以忽略不计。

  卤素灯

  卤素灯是对白炽灯的一种改进。由于白炽灯加热后会有很小一部分的钨蒸发,最后冷却附着在玻璃泡上,我们会经常看到白炽灯灯泡发黑就是这个原因。为了解决这个问题,科学家考虑在白炽灯灯泡的氩气或者氮气中加入很少量的卤素元素(如Na),为了克服高温,玻璃材料也改成了石英玻璃或硬质的高硅氧玻璃或铝酸盐玻璃。卤素灯一般灯泡小、功率大,光效也比普通白炽灯高,寿命长。在卤素灯内有循环的化学反应,称为钨卤循环。

  既然提到了钨卤循环,虽然和本文主题关系不大,但还是给大家解释一下吧。加入卤素后,蒸发出来的钨原子在管壁附件与卤素发生反应,形成卤化钨分子。这种卤化钨分子极易发生蒸发,只要玻璃管壁的温度升高到一定程度就不会附着在管壁上,将通过对流或扩散到达温度高的灯丝附件,分解为钨和卤素蒸气。被分解的钨原子在灯丝温度较低的地方沉积,卤蒸气再于其他钨原子发生重复反应。为了使这种反应能够稳定地发挥作用,玻璃管的温度需要达到250°以上,所以使用石英管做灯泡。通过钨卤循环就避免了管壁由于钨的蒸发而发黑。

  下图为卤素灯的光谱图,可以看出其与白炽灯的光谱很像。所以我们对其光生物安全不做特别讨论。

  荧光灯

  荧光灯是一种阴级低压汞蒸气放电灯。利用放电产生的紫外线,通过荧光粉转换成可见光的光源。灯丝是使用钨丝双螺旋或三螺旋,在灯丝表面涂有电子发射物质(发射极)。玻璃管内填充的是稀有气体如氩,或氪、氖气的混合气体,另外还加有汞气。玻璃管内壁涂有三基色荧光粉。发光原理为:电子镇流器提供脉冲电压使灯丝预热及灯丝(阴极)上的电子发射材料激活,产生电子。电子与灯管内部汞原子发生碰撞产生紫外光,紫外光通过涂在灯管管壁得荧光粉转化为可见光。

  由于荧光灯使用了三基色荧光粉,并且光源中有紫外光成分,存在紫外泄露的风险。荧光灯的光谱有很多个细小的尖峰波形,光谱分布很不均匀,在判断其光生物安全等级的时候就需要考虑紫外危害,近紫外危害,蓝光危害等。


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