常用照明光源的光譜分析及對(duì)視力的影響

1、常用照明光源的光譜分析及對(duì)視力的影響摘要 ：本文主要簡(jiǎn)單討論了常用照明光源發(fā)出的光譜中, 可見(jiàn)光部分及紅外線和紫外線對(duì)視力的影響情況, 并結(jié)合五官科學(xué)得出紅外線和紫外線會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生怎樣的影響。最后根據(jù)人眼的視功能原理討論出什么樣的光源才是即不影響我們觀察物體有利于摘要視力健康的理想光源。關(guān)鍵詞 ：光譜 , 視錐細(xì)胞, 視桿細(xì)胞, 顯色性引言 ： 我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫恼彰鞴庠词乔ё税賾B(tài), 舉不勝舉的, 但無(wú)論他們的外型如何不同他們都具有照明光源的幾個(gè)共同參數(shù)：亮度, 均勻度和對(duì)比度, 眩光 , 顯色性 , 頻率等。當(dāng)人眼在某光源工作時(shí)這些參數(shù)或多或少地并且程度不同地會(huì)對(duì)人的視力產(chǎn)生影響。1. 光

2、源的頻率對(duì)視力的影響光 源的頻率是我們生活中常提到的一個(gè)概念, 它是指光源在1 秒鐘內(nèi)閃爍的次數(shù)。如我們常用的白熾燈是直接接在220V ,50HZ 的生活用電電路中的。也就是說(shuō)他在一秒鐘內(nèi)閃爍 50 次。但我們卻感覺(jué)不到它在閃爍, 原因是人有一種被稱作視覺(jué)暫留的特性, 它是指當(dāng)一物體若突然從人眼視線內(nèi)消失時(shí)人眼并不能同時(shí)感覺(jué)到物體的消失,而是有一個(gè)時(shí)間差。叫做視覺(jué)暫留時(shí)間,約50200ms,即頻率超過(guò)20HZ,人眼是感覺(jué)不到閃爍的。從醫(yī)學(xué)上解釋也就是說(shuō)若人眼隨著光源明暗的變化會(huì)相應(yīng)同步地進(jìn)行調(diào)節(jié)那么必然回造成人眼的疲勞 , 從而影響視力。那么是否果真如此呢：光線強(qiáng)弱的變化回引起人眼瞳孔的變化（

3、 正常人眼瞳孔的直徑 可動(dòng)于1.58.0mm 之間）瞳孔變化的周期至少大于 50ms（最小視覺(jué)暫留時(shí)間 ）而一般家用照明光源的周期只有20ms（50HZ）, 所以它不會(huì)引起瞳孔的反復(fù)放大與縮小,人眼對(duì)此是沒(méi)有感覺(jué)的。如電影畫(huà)面的頻率只有24HZ, 我們都能很舒適地進(jìn)行觀賞。這說(shuō)明常用照明光源的頻率因素對(duì)視力是沒(méi)有什么影響的。2. 光源的光譜對(duì)視力的影響光源的顯色性只是視覺(jué)效果上的概念, 光源發(fā)出的光譜既能說(shuō)明它的顯色性有能推斷出它對(duì)人眼的視力有何影響。2.1 光源光譜可見(jiàn)光部分對(duì)視力的影響：可 見(jiàn)光部分即波長(zhǎng)為 400750nm 的電磁波。我們知道當(dāng)白光照射到一物體上時(shí)，該物體只能夠反射或透射

4、與該物體相同的顏色（在太陽(yáng)光下人眼看到該物體的顏色）從光譜的角度說(shuō)就是一物體只能反射或透射特定波長(zhǎng)和頻率的光。而且進(jìn)入人眼的光線光強(qiáng)也可以不同 ,那么在可見(jiàn)光中的不同頻率和光強(qiáng)的光線對(duì)視力有何影響呢？下面簡(jiǎn)單結(jié)合人眼生理學(xué)來(lái)做一討論:光強(qiáng)對(duì)視力的影響：人眼中有兩種形狀的視覺(jué)細(xì)胞, 即視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視桿細(xì)胞與暗視覺(jué)有關(guān), 而在所有的視桿細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了視紫紅質(zhì),它對(duì)藍(lán)光有最大吸收能力,而這與人眼在弱光條件下對(duì)光譜上藍(lán)綠光區(qū)域（相當(dāng)于500nm 波長(zhǎng) 附近 ）感覺(jué)最明亮（不是感到了藍(lán)綠色）的事實(shí)相一致,說(shuō)明人的暗視覺(jué)與視桿細(xì)胞中所含的視紫紅質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)有直接的關(guān)系。視紫紅質(zhì)是一種結(jié)合蛋白質(zhì),

5、由一分子稱為視蛋白的蛋白質(zhì)和一分子稱為視黃醛的生色基團(tuán)組成。視紫紅質(zhì)在光照時(shí)迅速分解為蛋白和視黃醛, 這是一個(gè)多階段反應(yīng)。在亮處分解的視紫紅質(zhì),在暗處又可重新合成,亦即這是一個(gè)可逆反應(yīng),其反應(yīng)的平衡點(diǎn)決定于光照的強(qiáng)度。所以由以上討論可知, 只要可見(jiàn)光的強(qiáng)度不是很強(qiáng)或很弱,眼內(nèi)的視紫紅質(zhì)是能夠保持一個(gè)化學(xué)平衡的, 這樣不會(huì)影響視力。若光線太強(qiáng)會(huì)使大量視紫紅質(zhì)迅速分解而合成不足造成暫時(shí)失明同樣也會(huì)使瞳孔擴(kuò)約肌收縮過(guò)度以至痙攣狀態(tài), 影響視力。在 可見(jiàn)光強(qiáng)度適中的情況下不同波長(zhǎng)的光線對(duì)視力的影響：與視桿細(xì)胞類似, 不同波長(zhǎng)的光線會(huì)分別在三種視錐細(xì)胞中產(chǎn)生化學(xué)平衡。而并無(wú)資料顯示人眼長(zhǎng)期接受單一波長(zhǎng)的

6、光線會(huì)導(dǎo)致缺乏相應(yīng)的視錐細(xì)胞而造成色盲。但這樣可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)該波長(zhǎng)光線反應(yīng)能力減弱或增強(qiáng)而造成某種色弱。色盲絕大多數(shù)是由遺傳因素引起的而色弱常由后天因素引起。人們常說(shuō)看綠色的物體對(duì)視力有好處, 這是毫無(wú)科學(xué)根據(jù)的,是人們對(duì)綠色光的一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。這只是由于人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm 的黃綠光的敏感度最強(qiáng)罷了。如圖給出了人眼對(duì)E 光源光譜的響應(yīng)曲線。此曲線稱為相對(duì)視敏曲線它是將人眼最敏感的,波長(zhǎng)為555nm 的黃綠光的敏感度作為100%, 其余波長(zhǎng)光的敏感度是相對(duì)于黃綠色光的敏感度求得的比值。它說(shuō)明即使光的輻射功率相同但波長(zhǎng)不同, 則人眼的亮度感覺(jué)將按此曲線規(guī)律變化。2.2 光源光譜中不可見(jiàn)光部分對(duì)視力

7、的影響要保護(hù)好視力, 對(duì)光源的亮度要求自然是十分必要的, 因此應(yīng)根據(jù)相對(duì)視敏曲線的規(guī)律將光源中人眼難以辨別及對(duì)人眼有害的光譜濾掉。如電腦的顯示屏發(fā)出的可見(jiàn)光中還包含著X 射線。2.2.1 X 射線對(duì)視力的影響：X 射線對(duì)眼瞼, 結(jié)膜, 角膜, 晶狀體 , 視網(wǎng)膜 , 視神經(jīng)等都可以引起損傷, 最主要的損傷對(duì)象是晶狀體。X 射線輻射所致的晶狀體渾濁叫做放射性白內(nèi)障。放射性白內(nèi)障。放射性白內(nèi)障起始于晶狀體后基部后囊下的皮質(zhì)。如果用裂隙燈顯微鏡觀察, 可以看到這個(gè)部位有點(diǎn)渾濁及空泡, 也可能出現(xiàn)球狀渾濁。如果進(jìn)一步發(fā)展, 后囊 下皮質(zhì)會(huì)呈蜂窩狀渾濁, 這時(shí)前囊下皮質(zhì)也出現(xiàn)渾濁, 最終全部晶狀體都會(huì)變

8、渾濁, 眼睛就失明了。如果用醫(yī)學(xué)器械觀察正常人眼的晶狀體,幾乎人人都可以發(fā)現(xiàn)有渾濁點(diǎn)。而只有在晶狀體后基部出現(xiàn)渾濁點(diǎn),才需要懷疑是否有玻進(jìn)一步講,即使是后基部出現(xiàn)渾濁點(diǎn),也不能確定是 X 射線 所致 , 因?yàn)槠渌愋偷陌變?nèi)障也可能起始于晶狀體的后基部。根據(jù)衛(wèi)生學(xué)調(diào)查及動(dòng)物試驗(yàn), 接觸小劑量X 射線不會(huì)引起白內(nèi)障,比較大的劑量才有可能引起白內(nèi)障?？梢?jiàn)在光源發(fā)出的光中還夾雜著一些人眼無(wú)法看到并且對(duì)人眼有損害作用的光波,那么這些光波在我們的常用照明光源中普遍存在嗎？如果將它濾除會(huì)影響我們觀察物體嗎？并且將怎樣影響？這些問(wèn)題接下來(lái)就來(lái)討論：我們知道常用的照明光源發(fā)出的光屬于電磁波,而電磁波譜范圍很廣,

9、包括放射線和光線可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在400800nm,其兩端外有紅外線、紫外線等多種輻射線。不同波長(zhǎng)的電磁波 ,對(duì)眼所起的作用和損害也不同。2.2.2 紅外線損傷：發(fā) 熱物體會(huì)產(chǎn)生紅外線, 如溶化的玻璃、高熱的金屬、爐火、太陽(yáng)光等。長(zhǎng)波紅外線被眼球表面水分吸收，多不損傷組織。短波紅外線（波長(zhǎng)8001200nm）可造成熱性白內(nèi)障、視網(wǎng)膜灼傷、慢性瞼緣炎、結(jié)膜炎和虹膜色素改等, 影響了視力。那么對(duì)應(yīng)我們常用的照明光源中哪些光源會(huì)發(fā)出紅外線呢？如：通過(guò)燃燒某種化學(xué)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光, 例如煤油燈、蠟燭等。它們的光譜與爐火的較為類似,含有少量的紅外線。還有就是白熾燈, 它發(fā)出的光是屬于高熱金屬所發(fā)出的光。它的能

10、量分布主要集中于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的區(qū)域, 因而白熾燈的光總帶著橙紅色。短波紅外線穿透眼組織能力較強(qiáng), 被晶狀體吸收后, 使晶 狀體蛋白變性混濁。起初在晶狀體后皮質(zhì)層出現(xiàn)空泡和點(diǎn)狀混濁。有時(shí)在晶狀體前囊表層可見(jiàn)表層剝離, 一端附在囊膜上,另一端卷曲游離在前房?jī)?nèi)。當(dāng)晶狀體完全混濁后 ,可手術(shù)摘除。波長(zhǎng)較短的紅外線,透過(guò)屈光間質(zhì),可聚焦于視網(wǎng)膜黃斑部,造成黃斑部灼傷,出現(xiàn)水腫、出血,嚴(yán)重者可形成黃斑裂洞,使視力減退或出現(xiàn)中心暗點(diǎn)。不過(guò)我們常用的照明光源中如：爐火、蠟燭、白熾燈它們發(fā)出的紅外線是很微弱的。通過(guò)調(diào)查及動(dòng)物試驗(yàn), 根據(jù)致熱效應(yīng), 只有大強(qiáng)度的輻射,即功率密度在 10 毫瓦/平方厘米以上, 才有可能

11、引起白內(nèi)障。我們平常生活中輻射的功率是遠(yuǎn)低于此值的 ,所以大可不必為此而憂心忡忡。2.2.3 紫外線損傷：紫外線來(lái)自高熱固體或氣體。如電弧光、氣焊、紫外線消毒燈、太陽(yáng)光等。紫外線被組織吸收后, 起光化學(xué)作用, 使細(xì)胞的核糖核酸合成障礙, 造成細(xì)胞腫脹, 染色質(zhì)溶解, 細(xì)胞核破裂 , 細(xì)胞死亡引起電光性眼炎。大量紫外線照射后68小時(shí)發(fā)玻兩眼會(huì)突然發(fā)生強(qiáng)烈異物感、刺痛、畏光、流淚、眼 瞼痙攣。一般12天自行痊愈。但若多次重復(fù)發(fā)病，可引起慢性瞼緣炎、結(jié)膜炎，甚至角膜變性 ,影響視力。那么哪種常用照明光源可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)人眼有害的紫外線呢？答案是- 熒光燈。這要從熒光燈的發(fā)光機(jī)理來(lái)討論：熒光燈發(fā)出可見(jiàn)光是

12、依靠低壓汞蒸汽放電輻射出的紫外線 ,去激發(fā)熒光粉發(fā)光,因此 ,熒光燈的發(fā)光是通過(guò)兩步完成的：第一步是低壓汞蒸汽放電產(chǎn)生短波紫外線。第二步是熒光粉吸收了短波紫外線后, 發(fā)射出可見(jiàn)光來(lái)?？梢?jiàn)當(dāng)熒光物質(zhì)隨著點(diǎn)燃時(shí)間的增加, 會(huì)發(fā)生熒光物質(zhì)的老化現(xiàn)象, 這時(shí)低壓汞蒸汽放電產(chǎn)生的短波紫外線就會(huì)透射出去, 影響了視力。討 論至此, 我們已了解到無(wú)論是蠟燭、白熾燈還是熒光燈, 它們?cè)诎l(fā)光的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生十分微弱但終究是人們不愿接受的紅外線或紫外線。而還沒(méi)有討論到從人眼自身出發(fā)到底什么樣的光源才是最理想的光源, 也就是結(jié)合視功能原理,理想的光源是什么。下面我們就此問(wèn)題做一較為簡(jiǎn)單的討論：簡(jiǎn) 單視功能原理：人眼視

13、網(wǎng)膜里存在著大量光敏細(xì)胞, 按其形狀可分為桿狀和錐狀兩種。桿狀光敏細(xì)胞的靈敏度極高,主要靠它在低照度時(shí)辨別明暗, 但它對(duì)彩色是不敏感的；而錐狀細(xì)胞既可辨別明暗, 也可辨別彩色。白天的視覺(jué)過(guò)程主要靠錐狀細(xì)胞來(lái)完成, 夜晚視覺(jué)則由桿狀細(xì)胞起作用。所以在較暗處無(wú)法辨別彩色。視 錐細(xì)胞含有特殊的視色素。大多數(shù)脊椎動(dòng)物都具有三種不同的視錐色素, 分別存在于三種不同的視錐細(xì)胞中。三種視錐色素都含有同樣的11- 順視黃醛, 只是視蛋白的分子結(jié)構(gòu)稍有不同。正是由于視蛋白分子的這種微小差異, 決定了與它結(jié)合在一起的視黃醛分子對(duì)某種波長(zhǎng)的光線最為敏感, 因而才有視桿細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)和三種不同的視錐色素的區(qū)別。當(dāng)光

14、線作用于視錐細(xì)胞外段時(shí), 在他們的外段膜兩側(cè)會(huì)發(fā)生超極化型感受器電位, 作為光電轉(zhuǎn)換的第一步, 最終在相應(yīng)的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上產(chǎn)生動(dòng)作電位。視錐細(xì)胞功能的重要特點(diǎn)是它具有辨別顏色的能力。顏色視覺(jué)是一種復(fù)雜的物理心理現(xiàn)象 , 顏色的不同, 主要是不同波長(zhǎng)的光線作用于視網(wǎng)膜后在人腦引起不同的主觀印象。正常視網(wǎng)膜可分辨波長(zhǎng) 400750nm 之間白約150種不同的顏色，每種顏色都與一定波長(zhǎng)的 光 線相對(duì)應(yīng)。因此，在可見(jiàn)光譜的范圍內(nèi)，波長(zhǎng)只要有35nm的增減，就可被視覺(jué)系統(tǒng)分 辨為不同的顏色。顯然,視網(wǎng)膜中不可能存在上百種對(duì)不同波長(zhǎng)的光線起反應(yīng)的視錐細(xì)胞或色素。關(guān)于顏色視覺(jué)的形成, 最早人們提出用視覺(jué)的三原

15、色學(xué)說(shuō)解釋。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為在視網(wǎng)膜上分布有三種不同的視錐細(xì)胞, 分別含有對(duì)紅、綠、藍(lán)三種光敏感的視色素；當(dāng)某一定波長(zhǎng)的光線作用于視網(wǎng)膜時(shí),以一定的比例使三種視錐細(xì)胞分別產(chǎn)生不同程度的興奮,這樣的信息傳至中樞, 就產(chǎn)生某一種顏色的感覺(jué)。例如：紅、綠、藍(lán)三種視錐細(xì)胞興奮程度的比例為 4： 1 ： 0 時(shí) ,產(chǎn)生紅色的感覺(jué)；三者的比例為2： 8： 1 時(shí) , 產(chǎn)生綠色的感覺(jué),等等。也就是說(shuō)如果某束光線只能引起某一種光敏細(xì)胞興奮, 而另外兩種光敏細(xì)胞僅受到很微弱刺激,我們感覺(jué)到的便是某一種色光。若紅敏細(xì)胞受刺激,則產(chǎn)生的彩色感覺(jué)與由黃單色光引起 的視覺(jué)效果相同。顯然,隨著三種光敏細(xì)胞所受光刺激程度上的差異

16、,還會(huì)產(chǎn)生各式各樣的彩色感覺(jué)。近年來(lái), 三原色學(xué)說(shuō)已被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。例如,有人用不超過(guò)單視錐細(xì)胞直徑的細(xì)小單色光束,逐個(gè)檢查并繪制在體視錐細(xì)胞的光譜吸收曲線,發(fā)現(xiàn)有三種類型,其吸收峰分別在560nm 、 530nm 和 430nm 處 ,正好相當(dāng)于紅、綠、藍(lán)三色光的波長(zhǎng)。用微電極記錄單個(gè)視錐細(xì)胞感受器電位的方法也觀察到,不同單色光照射引起的超級(jí)化感受器電位（LRP）,其幅度在不同的視錐細(xì)胞是不同的（ 如下圖 ）, 峰值出現(xiàn)的情況也符合三原色學(xué)說(shuō)。所 以 , 當(dāng)我們用某光源照明時(shí), 若光源只發(fā)出三條人眼最敏感的譜線, 即：藍(lán)、綠、紅。這樣似乎是達(dá)到了人眼對(duì)照明的需求和防止了人眼無(wú)法察覺(jué)和有害射線對(duì)人眼視力的影響。但我們由前面提到的, 物體只能反射和透射與該物體顏色相同的光線,因此上面我們假設(shè)的光源的顯色性一定是很差的。但至此我們可以得到一個(gè)結(jié)論：如果只從保護(hù)視力的角度看, 熒光燈發(fā)出的光（ 線狀譜 ） 都要優(yōu)于白熾燈（ 連續(xù)譜 ） 。那么要完善熒光燈的發(fā)光質(zhì)量,要從熒光粉開(kāi)始著手。熒光粉是熒光燈發(fā)光的關(guān)鍵材料之一。熒光燈的發(fā)光效率、光色、顯色性等重要指標(biāo), 都是由熒光粉決定的。不 同的熒光粉可發(fā)出不同的顏色, 如硅酸鋅發(fā)綠色光, 鎢酸鈣發(fā)藍(lán)色