常用照明光源的光谱分析及对视力的影响

常用照明光源的光谱分析及对视力的影响
摘要：本文主要简单讨论了常用照明光源发出的光谱中,可见光部分及红外线和紫外线对
视力的影响情况,并结合五官科学得出红外线和紫外线会对人眼产生怎样的影响。

最后根
据人眼的视功能原理讨论出什么样的光源才是即不影响我们观察物体有利于摘要视力健康
的理想光源。

关键词：光谱,视锥细胞,视杆细胞,显色性
引言：我们日常生活中常用的照明光源是千姿百态,举不胜举的,但无论他们的外型
如何不同他们都具有照明光源的几个共同参数：亮度,均匀度和对比度,眩光,显色性,频率等。

当人眼在某光源工作时这些参数或多或少地并且程度不同地会对人的视力产生影响。

1.光源的频率对视力的影响
光源的频率是我们生活中常提到的一个概念,它是指光源在1秒钟内闪烁的次数。

如我们常用的白炽灯是直接接在220V,50HZ的生活用电电路中的。

也就是说他在一秒钟内
闪烁50次。

但我们却感觉不到它在闪烁,原因是人有一种被称作视觉暂留的特性,它是指当一物体若突然从人眼视线内消失时人眼并不能同时感觉到物体的消失,而是有一个时间差。

叫做视觉暂留时间,约50～200ms,即频率超过20HZ,人眼是感觉不到闪烁的。

从医学上
解释也就是说若人眼随着光源明暗的变化会相应同步地进行调节那么必然回造成人眼的疲劳,从而影响视力。

那么是否果真如此呢：光线强弱的变化回引起人眼瞳孔的变化(正常人
眼瞳孔的直径可动于1.5～8.0mm之间)瞳孔变化的周期至少大于50ms(最小视觉暂留
时间)而一般家用照明光源的周期只有20ms(50HZ),所以它不会引起瞳孔的反复放大与
缩小,人眼对此是没有感觉的。

如电影画面的频率只有24HZ,我们都能很舒适地进行观赏。

这说明常用照明光源的频率因素对视力是没有什么影响的。

2.光源的光谱对视力的影响
光源的显色性只是视觉效果上的概念,光源发出的光谱既能说明它的显色性有能推断出
它对人眼的视力有何影响。

2.1光源光谱可见光部分对视力的影响：
可见光部分即波长为400～750nm的电磁波。

我们知道当白光照射到一物体上时,该
物体只能够反射或透射与该物体相同的颜色(在太阳光下人眼看到该物体的颜色)从光谱的角度说就是一物体只能反射或透射特定波长和频率的光。

而且进入人眼的光线光强也可以
不同,那么在可见光中的不同频率和光强的光线对视力有何影响呢？下面简单结合人眼生
理学来做一讨论:
光强对视力的影响：人眼中有两种形状的视觉细胞,即视杆细胞和视锥细胞。

视杆细胞
与暗视觉有关,而在所有的视杆细胞中都发现了视紫红质,它对蓝光有最大吸收能力,而这与
人眼在弱光条件下对光谱上蓝绿光区域(相当于500nm波长附近)感觉最明亮(不是感到
了蓝绿色)的事实相一致,说明人的暗视觉与视杆细胞中所含的视紫红质的光化学反应有直接的关系。

视紫红质是一种结合蛋白质,由一分子称为视蛋白的蛋白质和一分子称为视黄醛的生色基团组成。

视紫红质在光照时迅速分解为蛋白和视黄醛,这是一个多阶段反应。

在亮处分解的视紫红质,在暗处又可重新合成,亦即这是一个可逆反应,其反应的平衡点决定于光照的强度。

所以由以上讨论可知,只要可见光的强度不是很强或很弱,眼内的视紫红质是能够保持一个化学平衡的,这样不会影响视力。

若光线太强会使大量视紫红质迅速分解而合成不足造成暂时失明同样也会使瞳孔扩约肌收缩过度以至痉挛状态,影响视力。

在可见光强度适中的情况下不同波长的光线对视力的影响：与视杆细胞类似,不同波长的光线会分别在三种视锥细胞中产生化学平衡。

而并无资料显示人眼长期接受单一波长的光线会导致缺乏相应的视锥细胞而造成色盲。

但这样可能会导致对该波长光线反应能力减弱或增强而造成某种色弱。

色盲绝大多数是由遗传因素引起的而色弱常由后天因素引起。

人们常说看绿色的物体对视力有好处,这是毫无科学根据的,是人们对绿色光的一个错误认识。

这只是由于人眼对波长为555nm的黄绿光的敏感度最强罢了。

如图给出了人眼对E光源光谱的响应曲线。

此曲线称为相对视敏曲线它是将人眼最敏感的,波长为555nm的黄绿光的敏感度作为100%,其余波长光的敏感度是相对于黄绿色光的敏感度求得的比值。

它说明即使光的辐射功率相同但波长不同,则人眼的亮度感觉将按此曲线规律变化。

2.2光源光谱中不可见光部分对视力的影响
要保护好视力,对光源的亮度要求自然是十分必要的,因此应根据相对视敏曲线的规律将光源中人眼难以辨别及对人眼有害的光谱滤掉。

如电脑的显示屏发出的可见光中还包含着X射线。

2.2.1X射线对视力的影响：
X射线对眼睑,结膜,角膜,晶状体,视网膜,视神经等都可以引起损伤,最主要的损伤对象是晶状体。

X射线辐射所致的晶状体浑浊叫做放射性白内障。

放射性白内障。

放射性白内障起始于晶状体后基部后囊下的皮质。

如果用裂隙灯显微镜观察,可以看到这个部位有点浑
浊及空泡,也可能出现球状浑浊。

如果进一步发展,后囊下皮质会呈蜂窝状浑浊,这时前囊
下皮质也出现浑浊,最终全部晶状体都会变浑浊,眼睛就失明了。

如果用医学器械观察正常人眼的晶状体,几乎人人都可以发现有浑浊点。

而只有在晶状
体后基部出现浑浊点,才需要怀疑是否有玻进一步讲,即使是后基部出现浑浊点,也不能确定
是X射线所致,因为其他类型的白内障也可能起始于晶状体的后基部。

根据卫生学调查及
动物试验,接触小剂量X射线不会引起白内障,比较大的剂量才有可能引起白内障。

可见在光源发出的光中还夹杂着一些人眼无法看到并且对人眼有损害作用的光波,那么
这些光波在我们的常用照明光源中普遍存在吗？如果将它滤除会影响我们观察物体吗？并
且将怎样影响？这些问题接下来就来讨论：
我们知道常用的照明光源发出的光属于电磁波,而电磁波谱范围很广,包括放射线和光线,
可见光的波长在400～800nm,其两端外有红外线、紫外线等多种辐射线。

不同波长的电
磁波,对眼所起的作用和损害也不同。

2.2.2红外线损伤：
发热物体会产生红外线,如溶化的玻璃、高热的金属、炉火、太阳光等。

长波红外线被
眼球表面水分吸收,多不损伤组织。

短波红外线(波长800～1200nm)可造成热性白内障、视网膜灼伤、慢性睑缘炎、结膜炎和虹膜色素改等,影响了视力。

那么对应我们常用的照明
光源中哪些光源会发出红外线呢？如：通过燃烧某种化学物质时产生的光,例如煤油灯、
蜡烛等。

它们的光谱与炉火的较为类似,含有少量的红外线。

还有就是白炽灯,它发出的光
是属于高热金属所发出的光。

它的能量分布主要集中于波长较长的区域,因而白炽灯的光
总带着橙红色。

短波红外线穿透眼组织能力较强,被晶状体吸收后,使晶状体蛋白变性混浊。

起初在晶
状体后皮质层出现空泡和点状混浊。

有时在晶状体前囊表层可见表层剥离,一端附在囊膜上,另一端卷曲游离在前房内。

当晶状体完全混浊后,可手术摘除。

波长较短的红外线,透过屈光
间质,可聚焦于视网膜黄斑部,造成黄斑部灼伤,出现水肿、出血,严重者可形成黄斑裂洞,使
视力减退或出现中心暗点。

不过我们常用的照明光源中如：炉火、蜡烛、白炽灯它们发出
的红外线是很微弱的。

通过调查及动物试验,根据致热效应,只有大强度的辐射,即功率密
度在10毫瓦/平方厘米以上,才有可能引起白内障。

我们平常生活中辐射的功率是远低于
此值的,所以大可不必为此而忧心忡忡。

2.2.3紫外线损伤：
紫外线来自高热固体或气体。

如电弧光、气焊、紫外线消毒灯、太阳光等。

紫外线被组
织吸收后,起光化学作用,使细胞的核糖核酸合成障碍,造成细胞肿胀,染色质溶解,细胞核破裂,细胞死亡引起电光性眼炎。

大量紫外线照射后6～8小时发玻两眼会突然发生强烈异物感、刺痛、畏光、流泪、眼
睑痉挛。

一般1～2天自行痊愈。

但若多次重复发病,可引起慢性睑缘炎、结膜炎,甚至角膜
变性,影响视力。

那么哪种常用照明光源可能会产生对人眼有害的紫外线呢？答案是--荧光灯。

这要从荧光灯的发光机理来讨论：荧光灯发出可见光是依靠低压汞蒸汽放电辐射出的紫外线,去激发荧光粉发光,因此,荧光灯的发光是通过两步完成的：
第一步是低压汞蒸汽放电产生短波紫外线。

第二步是荧光粉吸收了短波紫外线后,发射出可见光来。

可见当荧光物质随着点燃时间的增加,会发生荧光物质的老化现象,这时低压汞蒸汽放电产生的短波紫外线就会透射出去,影响了视力。

讨论至此,我们已了解到无论是蜡烛、白炽灯还是荧光灯,它们在发光的同时还会产生
十分微弱但终究是人们不愿接受的红外线或紫外线。

而还没有讨论到从人眼自身出发到底什么样的光源才是最理想的光源,也就是结合视功能原理,理想的光源是什么。

下面我们就
此问题做一较为简单的讨论：
简单视功能原理：人眼视网膜里存在着大量光敏细胞,按其形状可分为杆状和锥状两种。

杆状光敏细胞的灵敏度极高,主要靠它在低照度时辨别明暗,但它对彩色是不敏感的；而锥状细胞既可辨别明暗,也可辨别彩色。

白天的视觉过程主要靠锥状细胞来完成,夜晚视觉则
由杆状细胞起作用。

所以在较暗处无法辨别彩色。

视锥细胞含有特殊的视色素。

大多数脊椎动物都具有三种不同的视锥色素,分别存在于三种不同的视锥细胞中。

三种视锥色素都含有同样的11-顺视黄醛,只是视蛋白的分子结
构稍有不同。

正是由于视蛋白分子的这种微小差异,决定了与它结合在一起的视黄醛分子对某种波长的光线最为敏感,因而才有视杆细胞中的视紫红质和三种不同的视锥色素的区别。

当光线作用于视锥细胞外段时,在他们的外段膜两侧会发生超极化型感受器电位,作为光电
转换的第一步,最终在相应的神经节细胞上产生动作电位。

视锥细胞功能的重要特点是它具有辨别颜色的能力。

颜色视觉是一种复杂的物理心理现象,颜色的不同,主要是不同波长的光线作用于视网膜后在人脑引起不同的主观印象。

正常视网膜可分辨波长400～750nm之间的约150种不同的颜色,每种颜色都与一定波长的
光线相对应。

因此,在可见光谱的范围内,波长只要有3～5nm的增减,就可被视觉系统分
辨为不同的颜色。

显然,视网膜中不可能存在上百种对不同波长的光线起反应的视锥细胞
或色素。

关于颜色视觉的形成,最早人们提出用视觉的三原色学说解释。

该学说认为在视网膜上分布有三种不同的视锥细胞,分别含有对红、绿、蓝三种光敏感的视色素；当某一定
波长的光线作用于视网膜时,以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋,这样
的信息传至中枢,就产生某一种颜色的感觉。

例如：红、绿、蓝三种视锥细胞兴奋程度的
比例为4：1：0时,产生红色的感觉；三者的比例为2：8：1时,产生绿色的感觉,等等。

也就是说如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋,而另外两种光敏细胞仅受到很微弱
刺激,我们感觉到的便是某一种色光。

若红敏细胞受刺激,则产生的彩色感觉与由黄单色光
引起的视觉效果相同。

显然,随着三种光敏细胞所受光刺激程度上的差异,还会产生各式各样的彩色感觉。

近年来,三原色学说已被许多实验所证实。

例如,有人用不超过单视锥细胞直径的细小
单色光束,逐个检查并绘制在体视锥细胞的光谱吸收曲线,发现有三种类型,其吸收峰分别在560nm、530nm和430nm处,正好相当于红、绿、蓝三色光的波长。

用微电极记录单
个视锥细胞感受器电位的方法也观察到,不同单色光照射引起的超级化感受器电位(LRP),
其幅度在不同的视锥细胞是不同的(如下图),峰值出现的情况也符合三原色学说。

所以,当我们用某光源照明时,若光源只发出三条人眼最敏感的谱线,即：蓝、绿、红。

这样似乎是达到了人眼对照明的需求和防止了人眼无法察觉和有害射线对人眼视力的影响。

但我们由前面提到的,物体只能反射和透射与该物体颜色相同的光线,因此上面我们假设的
光源的显色性一定是很差的。

但至此我们可以得到一个结论：如果只从保护视力的角度看,荧光灯发出的光(线状谱)都要优于白炽灯(连续谱)。

那么要完善荧光灯的发光质量,要从荧光粉开始着手。

荧光粉是荧光灯发光的关键材料
之一。

荧光灯的发光效率、光色、显色性等重要指标,都是由荧光粉决定的。

不同的荧光粉可发出不同的颜色,如硅酸锌发绿色光,钨酸钙发蓝色光,砷酸镁发红色光等。

随着科学的进步,70年代研制出了一种全新的荧光粉--三基色荧光粉,这种粉是把发
红光、绿光、蓝光的荧光材料,按一定比例配制在一起,这种荧光粉的发光效率和显色指数
均高,可见,这种荧光粉实现了刚才我们假设的那种只发出三基色光谱的光源并且弥补了显
色性偏低的不足。

尤其以稀土三基色荧光粉更为优秀,它的发光效率可达85lm/w,显色指
数可达85以上(日光的显色指数为100,白炽灯的显色指数是95～97),这是目前最好的荧
光粉。

可见对稀土三基色荧光粉的应用是目前满足照明需要与保护视力的理想常用照明光源。