蓝光、显白和R9的奥秘

一、LED与蓝光危害的关系

      前段时间CCTV《第一时间》播出的“真相报告：LED会伤害眼睛吗？”节目再次引起了普通百姓对于LED蓝光危害的关注。在国家大力提倡LED照明的今天，帮助社会大众全面而正确地认识LED与蓝光危害的关系就显得至关重要。

      所谓蓝光危害是指当由灯具或者光源发出的光线中波长为400-500纳米的蓝光波段亮度过高，并且人眼长时间直视灯具或光源而引起视网膜的光化学损伤。

      由上述定义我们可以知道，蓝光危害的实质是辐亮度、光谱蓝光含量和时间的共同作用。只有当光源或灯具的辐亮度过高、光谱中蓝光成分丰富、长时间直视的情况下才会产生蓝光危害。

      专业人士一般使用蓝光加权辐亮度来综合量化光源辐亮度与光谱蓝光含量。而一般高色温光源光谱中所含蓝光成分较高。

      太阳是我们身边具有极高辐亮度的光源（其辐亮度高达2×107W/m^2.Sr），并且其色温较高，蓝光加权辐亮度高达2.1×106W/m^2.Sr，只需持续注视超过0.5秒就可能引起蓝光危害。当然，由于人眼在强光下的保护机制，视线会很快离开太阳。相比之下，我们生活中常见的传统光源，例如：白炽灯、卤钨灯、荧光灯等，辐亮度较太阳相比都要低2-3个数量级。比如：2700K的白炽灯，其蓝光加权辐亮度为1.3×103W/m^2.Sr，持续注视超过770秒后会产生蓝光危害。当人们在正常使用这些光源的情况下，都不会存在蓝光危害的问题。

      而LED之所以会引起大家对蓝光危害的关注，主要是由于两方面的原因：1）亮度高；2）光谱蓝光含量丰富。

      LED相比于其他传统光源的一大优势便是体积小，而恰恰就是这一优势造成了LED的亮度过高。目前绝大部分的LED均使用蓝光LED作为发光芯片，使用荧光粉转化一部分蓝光至长波段并且与剩下的蓝光结合而发出白光，这一发光机制导致了LED光谱蓝光含量丰富。

      但是普通百姓生活中所使用的一般都是LED灯具。用于户外照明的LED灯具一般都经过精确的光学设计来防止眩光的产生；用于室内照明的LED灯具一般都使用扩散板来增大出光面积而减小不舒适眩光。这样的改变都把这些用于普通照明的LED灯具的辐亮度降低到了与荧光灯相类似的等级。并且普通照明的LED大部分为白光LED，荧光粉的存在也降低了蓝光含量。因而，那些用于普通照明的合格LED产品，一般不会造成蓝光危害。在我们前几期所刊登的俞安琪老师的文章中我们也可以看到，绝大部分合格的LED产品的蓝光危害都属于无危险或者低危险，一般都不存在蓝光危害。

      但是，这并不代表我们可以随意使用这些LED灯具。正如CCTV《第一时间》和俞安琪老师的文章中的检测结果所显示的那样，当我们异常使用LED灯具，例如除去了那些灯具的必要部分（扩散板、防眩光部件等），LED的辐亮度会大大提升，有些灯具或光源就会产生蓝光危害。

      对于LED，只需合理使用合格的LED产品，我们完全不需谈“蓝”色变。

二、R9为什么这么重要？

      显色性是如何评价的？

      显色性（colour rendering）是评价照明质量的一个重要方面，我们知道有几个概念：显色指数Color Rendering Index（CRI），一般显色指数Ra，现在又经常提起R9；同时，在评价显色指数时，有8个、14个、15个评价指标的区别。

      就照明领域来说，我们最熟悉的是显色指数CRI。显色指数其实是评价被测光源相对于基准光源而言忠实显色能力的指标。

      现行的显色指数评价体系包括了14个标准色，其中的8个为彩度中等的标准色，另外6个则包括彩度较高的红色、黄色、绿色、蓝色，以及西方人皮肤和绿色树叶。

图1：彩度中等的1-8号标准色

图2：彩度较高的红色、黄色、绿色、蓝色，以及西方人皮肤和绿色树叶

      我们用显色指数来衡量这14个标准色中的每一个在被测光源与基准光源照射下差别有多大。当某一个标准色在两者的照射下完全相同时，这一光源对于该标准色的显色指数就是100；而当差别很大时，显色指数甚至可以为负值。

      我们平时所说的14个评价指标其实就是针对被测光源相对于基准光源而言对于这14个标准色中每一个的忠实显色能力；而我们所谓的8个评价指标则是对被测光源对于前8个中等彩度的标准色中每一个的忠实显色能力。所谓的显色指数CRI，也就是我们所说的Ra，是这8个评价指标的平均值。

      当被测光源的色温小于5000K时，基准光源就是具有相同色温的黑体辐射；当被测光源的色温大于5000K时，基准光源就是具有相同色温的CIE日光模型。

      而在计算的时候，基准光源的显色指数被定义为100。由于白炽灯与黑体辐射有非常相似的光谱分布，所以一般白炽灯的显色指数为100。

      对于传统光源而言，CRI可以较好的评价光源的忠实显色能力，但是CRI对于LED的评价有很大的缺陷。

      大家必须要牢记的是，CRI只能用于客观评价这8个彩度中等的标准色在被测光源照射下相对于在基准光源下的相似程度，是一个评价光源忠实显色能力的指数，并不能用于评价人们对于颜色的偏好，也就是效果显色。

      CIE只指定了14个标准色样

      新版GB50034-2013里面提到特殊显色指数Ri时称：特殊显色指数（special colour rendering index），是光源对国际照明委员会（CIE）选定的第9-15种标准颜色样品的显色指数，符号是Ri。

      事实上，国际照明委员会（CIE）目前只有14个标准色样，没有第15个标准色。GB50034-2013是在CIE指定的14个标准色样基础上加上了亚洲人肤色。

      R9是什么？为什么这么重要？

      在实际应用中，我们通常会标示CRI或者Ra是多少，但是，与以前不同的是，LED时代，R9正在越来越多被提及和关注。R9为什么突然变得这么重要？是因为LED光源的关系吗？

      R9其实是我前面已经提到的14个标准色中除去8个具有中等彩度后剩下6个标准色中的一个，是用来评价光源对于高彩度红色的忠实显色能力。

图3：不同显色指数的荧光灯显色性对比，其中黄颜色基本没差别，但是红色（R9）的差距很大。

图片来源：Patrick Mansell/Penn State

      我们之所以如此强调或者说关注R9指数，其实是因为红色对于我们而言特别重要，光源对于红色的显色能力直接影响光源对于我们人体肤色的显色能力，并且我们特别在意红色物体以及我们肤色在灯光下的颜色。

图4：同样的食物在不同R9显示指数灯具下的效果。

图片来源：CREE

      而R9对于LED来说就更为重要。随着LED的快速发展，我们能够越来越方便的调节白光LED的光谱。为了提高光效，大家纷纷减少了在波长较长区域的能量，也就是红色波长区域的能量，而把更多的能量放在了555nm左右。这样一来LED对于红色，尤其是彩度较高的红色的显色能力就会下降，而这种下降不能被CRI表现，这也就是为什么R9对于LED说尤为重要的原因。

图5：从技术上来说，为了提高光效，LED更容易削减红色部分光谱成分。图为同样质地颜色的凳子在不同的光源下呈现的不同效果，左为卤素斗胆光源、中间为2700K色温LED光源，右侧为4000K色温LED光源。

图片提供： 黄炜铭

三、白光LED为什么不能显示白色？

      国际上，关于光源对于白色的显色研究已经有了很长的历史。最近，这个问题之所以引起大家的广泛关注，主要原因就是普通的白光LED在对白色的显色性上存在很大的缺陷。

      我们身边大部分的白色物体，例如：白纸、衬衫、就连我们的牙齿都含有荧光增白剂。生产厂家通过调节荧光增白剂的含量来调节这些物体的白度。

图6：紫外线照射下含有荧光增白剂的餐巾纸。

图片来源：网络

      荧光增白剂的工作原理其实与我们大家熟悉的荧光粉一样，它可以吸收紫外以及紫色的光，然后将这部分的能量转化为蓝色光。而我们人眼看来在一定限度内，白色带一点蓝色要比纯白色来的更白。

图7：荧光增白剂的工作原理。

图片来源：网络

      由于大部分白色物体都含有这样的荧光增白剂，所以我们大家都已经非常熟悉这些经过荧光增白剂调节后物体的白度了。

      对于传统光源来说，不管是白炽灯、荧光灯、HID都含有一定的紫外辐射或者波长较短的紫光，他们都可以激发荧光增白剂来达到提高白度的效果，而带有这些紫外辐射则是由于这些光源的发光原理所带来的，并非大家刻意地加入紫外或者紫光。

图8：如上图左侧灰色区域所示，白炽灯、日光和荧光灯等均含有380-430nm短波紫光和紫外成分，由蓝光激发黄色荧光粉发白光的LED缺乏此波段的光谱成分。

图片来源：照明微能量

      我们现在身边常用的白光LED都是蓝光LED加上荧光粉，它们基本不含任何的紫外光以及波长较短的紫光。正是由于这一原因，LED无法激发白色物体中所含的荧光增白剂，所以那些白色物体在LED的照射下不再这么白了。

图9：两个LED灯具，CRI都在80以上，下面可以正确表现不同白度，上面的不可以。原因是：经过光谱设计后，下面的LED有准确的紫光含量可以激发荧光增白剂

图片来源：Patrick Mansell / Penn State

      需要指出的是，并不是说我们可以简单的在白光LED里加上紫外光就可以解决这一问题。我们已经通过实验表明，人们对白度也有一个偏好的存在，那些白色物体并不是越白越好。白光LED需要通过仔细的光谱调节来准确地显示那些白色物体的白度。