本文件以20個(gè)經(jīng)過(guò)CALiPER測(cè)試的色溫(CCT)在2700K和6500K之間，顯色指數(shù)在62和98之間，基本覆蓋通常可用的全部范圍(見(jiàn)圖1)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)為例，探討了一些常見(jiàn)擔(dān)憂(yōu)。

　　特別的擔(dān)憂(yōu)包括視網(wǎng)膜損傷(光學(xué)安全)、光對(duì)藝術(shù)作品或其他媒體的影響(材料退化)、以及光刺激對(duì)人類(lèi)生理功能的影響(光生物安全)。

　　盡管主要的分析都是基于標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)光激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換的LED，本分析也考慮了紫光激發(fā)熒光粉的LED。雖然沒(méi)有分析商用的混光LED系統(tǒng)，但是給出了四色混合理論模型的分析。

　　雖然給出了幾個(gè)關(guān)系式，也得承認(rèn)仔細(xì)調(diào)整LED或者任何其他光源的光譜都可能在一定程度上改變這些關(guān)系。所有照明產(chǎn)品應(yīng)該根據(jù)其自身特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。

　　LED產(chǎn)品和其他類(lèi)型光源發(fā)出的光相同嗎?

　　盡管答案很明顯，但重要的是明確說(shuō)明LED發(fā)出和其他光源相同類(lèi)型的的輻射能量一一在電磁波譜的可見(jiàn)光范圍內(nèi)一一和所有的其他光源一樣。

　　雖然它們確實(shí)在其光譜功率分布(SPD，spectral power distribution)中有獨(dú)特的特征可見(jiàn)光一個(gè)短波450nm左右藍(lán)光區(qū)域的發(fā)光峰，和一個(gè)介于550nm到650nm之間的寬發(fā)光峰。

　　為了合理的比較，所有的光功率密度分布均標(biāo)定為具有相同的光通量。

　　通常，高色溫(CCT)的LED產(chǎn)品需要更多的藍(lán)光輻射，因此具有更突出的藍(lán)光峰，這對(duì)所有高色溫光源都是共同的事實(shí)。另外，多數(shù)具有高顯色指數(shù)(CRI)的LED產(chǎn)品有更寬范圍的熒光發(fā)射譜，用來(lái)提供更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅色輻射。

　　已經(jīng)有了不少具有上述事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的替代品，如混色系統(tǒng)不需要與此相同的性質(zhì)。

[NT:PAGE]

　　理解光功率密度分布圖

　　SPD描述一定波長(zhǎng)(色彩)范圍中的輻射能量，但是有關(guān)LED光譜相關(guān)效應(yīng)的令人不解的一個(gè)因素是數(shù)據(jù)展示的形式。通常數(shù)據(jù)被制成相對(duì)SPD圖，其中分布的最大值被設(shè)置為1，其他值按比例相應(yīng)變化。這種數(shù)據(jù)的對(duì)比可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，因?yàn)椴煌腟PD代表不同的光數(shù)量——例如，人們可能會(huì)比較一個(gè)50流明的光源和500流明的光源。

　　這可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論，因?yàn)楣獾臄?shù)量是任何光輻射風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。

　　當(dāng)檢驗(yàn)與光數(shù)量?jī)?nèi)在相關(guān)的效應(yīng)時(shí)，更好的檢驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)方式是對(duì)比兩個(gè)或更多光源的絕對(duì)SPD，其中每個(gè)值都是通過(guò)輻射計(jì)測(cè)量來(lái)標(biāo)定，并可以進(jìn)行歸一化(例如基于流明通量)以允許合理對(duì)比。

　　實(shí)踐中，重要的是考慮兩個(gè)對(duì)比光源的不同光輸出;本文關(guān)注總體的比較，絕對(duì)SPD經(jīng)過(guò)歸一化，因此代表相同的流明通量。流明是照明規(guī)格的一個(gè)基本單位并且生物物理相關(guān)，而其他潛在的歸一化單位，如總輻射通量，也可以用于比較反兩個(gè)光源用以提供不同的光數(shù)量。

　　圖1對(duì)比了典型LED、CIE F系列光源(熒光燈模型)、以及CIE D系列光源(日光模型)或黑體輻射的絕對(duì)和相對(duì)SPD圖。底部的相對(duì)SPD圖似乎，表明LED比白熾燈發(fā)出更多的藍(lán)光。

　　但是實(shí)際上，通過(guò)對(duì)比根據(jù)相同流明輸出進(jìn)行歸一化后的絕對(duì)SPD圖，總藍(lán)光的微小差距是顯而易見(jiàn)的——正如后面所要描述的，峰值發(fā)射與總藍(lán)光量并不相關(guān)，藍(lán)光總量需要在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)考慮。

　　當(dāng)然，盡管在規(guī)格的文獻(xiàn)中很少提供，但是數(shù)字值能夠技術(shù)上最精確的對(duì)比。本報(bào)告分析的數(shù)字值都經(jīng)過(guò)計(jì)算，并試圖代表通常可用LED產(chǎn)品的真實(shí)范圍。當(dāng)然也可能還有產(chǎn)品未被考慮進(jìn)來(lái)或者未能表示的;如果藍(lán)光危害的擔(dān)憂(yōu)很重要，那么特定產(chǎn)品的分析是有保證的。

　　對(duì)LED光功率分布的具體擔(dān)憂(yōu)

　　通常對(duì)LED光功率分布的擔(dān)憂(yōu)關(guān)注于“藍(lán)光”，具體擔(dān)憂(yōu)在下面的插圖中強(qiáng)調(diào)。這可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)LED產(chǎn)品的SPD中出現(xiàn)的短波長(zhǎng)光輻射;但是確切的說(shuō)哪種光輻射是有害的呢?在電磁頻譜內(nèi)并沒(méi)有定義藍(lán)光的確切邊界;純粹單色的輻射在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(如410到500nm)可能名義上都被認(rèn)為是藍(lán)色。

　　因此，通過(guò)評(píng)估峰值發(fā)射來(lái)量化光源中藍(lán)色數(shù)量與插圖中列出的所有擔(dān)憂(yōu)都是不相關(guān)的，這些擔(dān)憂(yōu)都有包含一定波長(zhǎng)范圍的限定作用譜，如圖2所示。同樣，試圖僅使用某一限定波長(zhǎng)范圍(如430到460nm)來(lái)量化藍(lán)光是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)闆](méi)有已知的人類(lèi)視覺(jué)或者非視覺(jué)功能具有此種行為。

　　再次重申：僅僅因?yàn)長(zhǎng)ED和其他類(lèi)型的光源如白熾燈或鹵素?zé)粝啾绕涔夤β史植贾杏酗@著的藍(lán)色峰，并不會(huì)使LED必然對(duì)視網(wǎng)膜、材料或者生物造成損害。

　　實(shí)際上，正如下面三節(jié)所述，通常可用LED商品和其他具有相同色溫的光源代表著近似相同的風(fēng)險(xiǎn)。簡(jiǎn)言之，色溫和光學(xué)安全、材料安全或光生物安全之間存在著關(guān)聯(lián)，因?yàn)樯珳氐挠?jì)算同時(shí)還包括覆蓋藍(lán)光區(qū)域的權(quán)重函數(shù)(見(jiàn)圖1)。

　　所以，如果藍(lán)光比例(從而任何相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn))變化，那么色溫也會(huì)變化，當(dāng)然這種關(guān)聯(lián)中會(huì)才一些誤差，因?yàn)樯珳貎H表征色度的一個(gè)維度(即，不考慮Duv且因?yàn)轭伾ヅ浜瘮?shù)zλ并不完美匹配美中風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型的作用光譜)。

[NT:PAGE]

　　光學(xué)安全

　　LED的光學(xué)安全已在DOE SSL Fact Sheet中的Optical Safety of LEDs做了詳細(xì)的討論。該文檔已經(jīng)闡述了各種光源的色溫和KB，v(藍(lán)光危害效率或每流明風(fēng)險(xiǎn))之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，因?yàn)轭伾ヅ浜瘮?shù)zλ和藍(lán)光危害函數(shù)Bλ非常相似(如圖1所示)。

　　圖1

　　頂部圖：考慮三個(gè)藍(lán)光安全的光譜加權(quán)函數(shù)。兩幅圖很相似并且用來(lái)與下圖進(jìn)行直觀的對(duì)比。函數(shù)中的波峰是藍(lán)光危害的主要原因。另外圖中還有三中顏色的相關(guān)函數(shù)，可用來(lái)導(dǎo)出色域相關(guān)值，如CCT CIE材料衰減峰值在300nm(未示出)。

　　底部圖：對(duì)于色溫在3000K產(chǎn)品(左)和6500K產(chǎn)品(右)，用三種方法做出了光功率分布圖。第一行光功率分布圖是以相同的輸出光通量為基礎(chǔ)。第二和第三行的光功率分布圖具有相同的輻射通量和相對(duì)功率，這種對(duì)比與生物無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與視覺(jué)危害無(wú)關(guān)。

[NT:PAGE]

　　另外，根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，白光建筑用光源產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)樗{(lán)光危害而帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，盡管非白光光源(如藍(lán)光LED)和其他針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)人群的特殊應(yīng)用需要更細(xì)致的考慮。

　　圖2示出了前述藍(lán)光激發(fā)LED光源、兩個(gè)紫光激發(fā)LED光源、幾種色溫的黑體輻射、5000K和6500K的CIE D系列光源(日光模型)和CIE F系列的源(熒光光源模型)之間的色溫和KB，v關(guān)聯(lián)。圖表展示出強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)所有光源(R2=0.95)，而僅對(duì)藍(lán)光激發(fā)LED (R2=0.97)。

　　用CCT，Duv和CRI作為預(yù)報(bào)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)LED產(chǎn)品的展開(kāi)回歸模型表明Duv可以提供一些二外的解釋價(jià)值(即統(tǒng)計(jì)上顯著)，而CRI則不能。

　　總之，藍(lán)光激發(fā)LED的光學(xué)安全性?xún)?yōu)于白熾燈和鹵素?zé)魧?shí)質(zhì)的發(fā)射類(lèi)型黑體輻射，盡管此效果并不明顯。原則上，這能發(fā)生是因?yàn)楹隗w輻射(和日光)都比LED發(fā)出更多的長(zhǎng)波長(zhǎng)(深紅和紅外)輻射，這些輻射必需更多的短波長(zhǎng)(藍(lán)色)輻射能量來(lái)平衡，從而實(shí)現(xiàn)相同的色溫。很長(zhǎng)和很短波長(zhǎng)輻射都對(duì)流明輸出貢獻(xiàn)不大。

　　Duv為正值的產(chǎn)品通常比Duv更小或?yàn)樨?fù)值的產(chǎn)品的危害可能性更小。這是直覺(jué)，雖然可能在實(shí)踐中不可行，因?yàn)檎鼶uv意味著綠色調(diào)，而負(fù)Duv意味著紫色調(diào)或粉色調(diào)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性回歸模型中Duv的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義表明色溫的局限性。

　　但是，如果只考慮ANSI定義白光光源可以一定程度上減輕這種不確定性，并在色溫和藍(lán)光風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)聯(lián)中提供更多信心。

　　材料安全

　　LED和所有光源對(duì)于材料如重要藝術(shù)作品退化的可能性在2012年和2013年獲得了廣泛關(guān)注，而LED特別有破壞性的錯(cuò)誤觀念已經(jīng)博物館和光學(xué)專(zhuān)家所揭穿，一些不確定性依然存在。

　　表征光源損害材料潛能的一種方法是CIE光譜損害函數(shù)(Sdf)，它包括裁剪作用光譜對(duì)應(yīng)到各種材料的系數(shù)。雖然這是個(gè)通用的表征損害潛能的方法，將其用于本分析僅僅是用來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明LED和具有相同色溫的其他光源具有相同或更小的風(fēng)險(xiǎn)。

　　如圖2所示，對(duì)于每種光源類(lèi)型損害系數(shù)和色溫之間存在著很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)聯(lián)(如對(duì)藍(lán)光激發(fā)LED，R2=0.94)，但對(duì)于復(fù)合的所有光源類(lèi)型卻不是這樣。然而，對(duì)于每種光源類(lèi)型，損害潛能預(yù)期會(huì)隨著色溫的增加而增加。一個(gè)有幫組重的因子是CIE損害函數(shù)，其隨著波長(zhǎng)變短對(duì)于輻射能量有更高的權(quán)重，與顏色匹配函數(shù)zλ不是很相似。

[NT:PAGE]

　　圖2

　　頂部圖：藍(lán)光危害系數(shù)(KB，v)和色溫的關(guān)系。

　　對(duì)于各種類(lèi)型的光源，單位流明對(duì)人眼的危害與色溫是有明顯的聯(lián)系。圖中的異常值Duv大于0.01，超出了ANSI規(guī)定的白光界限。將Duv加入到藍(lán)峰的LED歸一化模型中使R2增加至0.99。

　　中間圖：CIE光譜損傷函數(shù)(Sdf)和色溫的關(guān)系。

　　對(duì)于給定的產(chǎn)品類(lèi)型，損傷函數(shù)和色溫之間的線(xiàn)性關(guān)系較高，并且有明顯的分層。重要的是，標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)峰LED -定的色溫下的損傷系數(shù)最低，而白熾燈和鹵素?zé)?用色溫在2700K和3000K的黑體輻射來(lái)近似)的損傷系數(shù)最高。

　　Sdf是用來(lái)描述光源對(duì)耗材作用的矩陣，如褪色的尤其。它可以通過(guò)調(diào)整系數(shù)來(lái)改變，此處為了便于分析設(shè)置為0.12。Sdf的相關(guān)性已經(jīng)討論過(guò)了，它有助于計(jì)算LED光源的藍(lán)光危害。所有的光學(xué)產(chǎn)品都被統(tǒng)一成具有相同的輸出光通量。

　　底部圖：黑視素通量和色溫的關(guān)系

　　分析顯示在所有類(lèi)型的光源中，通量和色溫之間具有明顯的線(xiàn)性關(guān)系。將CRI或者Duv加入歸一化模型中能夠使R2加并大于等于0.97。CRl和Duv彼此相關(guān)。黑視素的因子ipRGCs是光生物傳導(dǎo)的重要因子，當(dāng)然還有其他的光傳導(dǎo)方面的因素。因?yàn)檫€沒(méi)有其他可達(dá)成共識(shí)的更先進(jìn)模型，黑視素通量，用Mλ來(lái)表示，用來(lái)表征晝夜感知度。

[NT:PAGE]

　　同時(shí)，不同光源類(lèi)型都有不同的輻射可以忽略不計(jì)的點(diǎn)。例如，標(biāo)準(zhǔn)LED不輻射很多低于400nm以下能量，但是黑體輻射和D系列光源卻輻射。

　　特別需要指出的是藍(lán)光激發(fā)LED通常是在任何給定色溫下最不可能引起存留損害的產(chǎn)品，至少在考慮的產(chǎn)品中。甚至紫光激發(fā)LED都不比典型白熾燈或鹵素?zé)艟哂懈蟮娘L(fēng)險(xiǎn)。

　　光生物安全

　　對(duì)于材料和光學(xué)安全，有時(shí)會(huì)討論LED光源會(huì)有很大可能影響生理規(guī)律，如果對(duì)于個(gè)體發(fā)生在錯(cuò)誤的時(shí)間這可能會(huì)造成不希望的后果。對(duì)于其他風(fēng)險(xiǎn)，通常擔(dān)憂(yōu)的是藍(lán)光激發(fā)LED封裝的短波長(zhǎng)峰，這讓人感覺(jué)LED發(fā)出了更多藍(lán)光。如果給出的是相對(duì)SPD，這種情形尤其讓人驚恐。

　　但是，需要考慮兩件重要的事情。第一，人類(lèi)生理系統(tǒng)的整體靈敏度仍處于激烈爭(zhēng)論中。已知的是非視覺(jué)系統(tǒng)的光強(qiáng)輸入不僅來(lái)自于包含黑視素的ipRGCs(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells)，還有桿細(xì)胞和錐細(xì)胞，這些光感受器通常具有視覺(jué)功能。其次，非視覺(jué)光靈敏度會(huì)通過(guò)人的適應(yīng)狀態(tài)，所處時(shí)間和光照質(zhì)量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　所以，僅僅通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單光譜權(quán)重函數(shù)來(lái)建模生理仿真是不充分的。但是為了解釋所謂的風(fēng)險(xiǎn)增大，本分析使用M入函數(shù)來(lái)研究LED和傳統(tǒng)光源的非視覺(jué)光傳導(dǎo)潛能，幾個(gè)建議的效率函數(shù)之一用于研究黑視素。

　　分析再次表明對(duì)于光源歸一化為相同流明通量時(shí)，藍(lán)光激發(fā)LED黑視素通量和色溫之間強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)(R2=0.89)。將CRI和Duv加入回歸模型確實(shí)提供了更多的信息，增大了確定系數(shù)(R2= 0.98)。

　　圖3

　　頂部圖：藍(lán)光危害系數(shù)(KB，v)和顯色指數(shù)的關(guān)系。

　　中間圖：CIE光譜損耗系數(shù)(Sdf)和顯色指數(shù)的關(guān)系。

　　底部圖：黑視素通量和顯色指數(shù)的關(guān)系。

[NT:PAGE]

　　通過(guò)對(duì)所有三種因素的考慮，顯色指數(shù)表現(xiàn)了出了較小的相關(guān)性。甚至對(duì)于黑視素而言，顯色指數(shù)有些額外的預(yù)測(cè)能力，但和色溫的相關(guān)性很小。另外，明顯的關(guān)聯(lián)性在于，低顯色指數(shù)的產(chǎn)品對(duì)光生物具有更小的刺激。顯然，顯色指數(shù)可能和其他因子如Duv混淆了。

　　圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)光功率分布圖。圖中的光功率分布圖包括多種類(lèi)型的產(chǎn)品，但不包括所有具有相同色溫和顯色指數(shù)的光功率分布圖。

　　CRI會(huì)改變藍(lán)光的量嗎?

　　色溫與藍(lán)光相關(guān)結(jié)果有密切關(guān)聯(lián)，但顯色指數(shù)通常沒(méi)有。事實(shí)上，對(duì)于具有相同色溫和相同流明輸出的熒光粉基LED產(chǎn)品而言，低顯色指數(shù)產(chǎn)品可能損害更小，如圖3所示。

　　這可能很意外，因?yàn)橐延邢喾吹慕Y(jié)論。事實(shí)上對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)LED產(chǎn)品，為了達(dá)到更高顯色指數(shù)需要將更多的藍(lán)光轉(zhuǎn)換至長(zhǎng)波長(zhǎng)，從而減少藍(lán)光輻射。但是，將更多的能量轉(zhuǎn)換至長(zhǎng)波長(zhǎng)也可能會(huì)降低流明輸出，風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)藍(lán)光與流明輸出之比可能增加。

　　數(shù)據(jù)集顯示出顯色指數(shù)和Duv之間的線(xiàn)性關(guān)系(R2=0.38);高顯色指數(shù)的光源通常Duv較低(即接近于零或者為負(fù)數(shù))。較低Duv的光源與具有相同色溫和流明輸出的對(duì)照體相比通常包含略多的短波長(zhǎng)輻射能量。

　　最終結(jié)論

　　LED的一個(gè)重要特點(diǎn)是更容易調(diào)節(jié)得到任意想要的色溫，相反，白熾燈和鹵素?zé)舻纳珳赝ǔＴ诩s2700K和3000K之間。熒光燈和金鹵燈也能實(shí)現(xiàn)更大范圍的色溫，盡管最常見(jiàn)的是在3500K和5000K之間。雖然本分析主要關(guān)注于藍(lán)光激發(fā)、熒光粉轉(zhuǎn)換LED，結(jié)論也期望同樣適用于其他類(lèi)型。

　　如果具有相同的色溫和輸出，LED燈和燈具并不比其對(duì)照體發(fā)射更多的藍(lán)光，增加CCT也不是必需要提高藍(lán)光的比例。通常色溫可以用來(lái)有效推測(cè)各種光源類(lèi)型中短波的成分，也特別地可用來(lái)推測(cè)光學(xué)安全、材料退化和(以一種簡(jiǎn)單方式的)生理刺激。

　　如果任何上述的藍(lán)光擔(dān)憂(yōu)做為主要的設(shè)計(jì)規(guī)范，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。色溫是一個(gè)很好的參數(shù)，但是也可能將特定的風(fēng)險(xiǎn)最大化或者最小化，因?yàn)榘墓庾V權(quán)重函數(shù)并不和顏色匹配函數(shù)zλ完美一致，并且因?yàn)樯珳剡M(jìn)一步將色坐標(biāo)提取為單個(gè)數(shù)字。