常用照明光源的光譜分析及對視力的影響

常用照明光源的光譜分析及對視力的影響常用照明光源的光譜分析及對視力的影響摘要：本文主要簡單討論了常用照明光源發(fā)出的光譜中，可見光部分及紅外線和紫外線對視力的影響情況，并結(jié)合五官科學(xué)得出紅外線和紫外線會對人眼產(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，視錐細胞，視桿細胞，顯色性TheSpectrumAnalysisOfLightSourceAndIt';sEffectOfSightLizhenjie(PhysicsDepartmentofBaoJiCollegeofArtsandSciences)Abstract:Thispaperdiscussestheinfluencesofvisiblelightandinfraredraysandultravioletraysforsightinspectrum.Andtoarriveattheconclusionthatinfluencesofinfraredraysandultravioletraysforeyes.Finally,incordingtotheprincipleofsightfuction,thewritertellsuswhatisthehealthfullightsourcethatnoteffectweobservetheobjectsandadvantagethesight.Keywords:SpectrumRodscellConescellDevelopmentcharacter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，但無論他們的外型如何不同他們都具有照明光源的幾個共同參數(shù)：亮度，均勻度和對比度，眩光，顯色性，頻率等。當(dāng)人眼在某光源工作時這些參數(shù)或多或少地并且程度不同地會對人的視力產(chǎn)生影響。1.光源的頻率對視力的影響：光源的頻率是我們生活中常提到的一個概念，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。也就是說他在一秒鐘內(nèi)閃爍50次。但我們卻感覺不到它在閃爍，原因是人有一種被稱作”視覺暫留”的特性，它是指當(dāng)一物體若突然從人眼視線內(nèi)消失時人眼并不能同時感覺到物體的消失，而是有一個時間差。叫做視覺暫留時間，約50?200ms，即頻率超過20HZ，人眼是感覺不到閃爍的。從醫(yī)學(xué)上解釋也就是說若人眼隨著光源明暗的變化會相應(yīng)同步地進行調(diào)節(jié)那么必然會造成人眼的疲勞，從而影響視力。那么是否果真如此呢：光線強弱的變化回引起人眼瞳孔的變化(正常人眼瞳孔的直徑可動于1?5?8.0mm之間)瞳孔變化的周期至少大于50ms(最小視覺暫留時間)而一般家用照明光源的周期只有20ms(50HZ)，所以它不會引起瞳孔的反復(fù)放大與縮小，人眼對此是沒有感覺的。如電影畫面的頻率只有24HZ，我們都能很舒適地進行觀賞。這說明常用照明光源的頻率因素對視力是沒有什么影響的。2.光源的光譜對視力的影響：光源的顯色性只是視覺效果上的概念，光源發(fā)出的光譜既能說明它的顯色性有能推斷出它對人眼的視力有何影響。2.1光源光譜可見光部分對視力的影響：可見光部分即波長為400?750nm的電磁波。我們知道當(dāng)〃白光〃照射到一物體上時，該物體只能夠反射或透射與該物體相同的顏色（在太陽光下人眼看到該物體的顏色）從光譜的角度說就是一物體只能反射或透射特定波長和頻率的光。而且進入人眼的光線光強也可以不同，那么在可見光中的不同頻率和光強的光線對視力有何影響呢？下面簡單結(jié)合人眼生理學(xué)來做一討論：光強對視力的影響：人眼中有兩種形狀的視覺細胞，即視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞與暗視覺有關(guān)，而在所有的視桿細胞中都發(fā)現(xiàn)了視紫紅質(zhì)，它對藍光有最大吸收能力，而這與人眼在弱光條件下對光譜上藍綠光區(qū)域（相當(dāng)于500nm波長附近）感覺最明亮（不是感到了藍綠色）的事實相一致，說明人的暗視覺與視桿細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)，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組成。視紫紅質(zhì)在光照時迅速分解為蛋白和視黃醛，這是一個多階段反應(yīng)。在亮處分解的視紫紅質(zhì)，在暗處又可重新合成，亦即這是一個可逆反應(yīng)，其反應(yīng)的平衡點決定于光照的強度。所以由以上討論可知，只要可見光的強度不是很強或很弱，眼內(nèi)的視紫紅質(zhì)是能夠保持一個化學(xué)平衡的，這樣不會影響視力。若光線太強會使大量視紫紅質(zhì)迅速分解而合成不足造成〃暫時失明〃同樣也會使瞳孔擴約肌收縮過度以至痙攣狀態(tài)，影響視力。在可見光強度適中的情況下不同波長的光線對視力的影響：與視桿細胞類似，不同波長的光線會分別在三種視錐細胞中產(chǎn)生化學(xué)平衡。而并無資料顯示人眼長期接受單一波長的光線會導(dǎo)致缺乏相應(yīng)的視錐細胞而造成色盲。但這樣可能會導(dǎo)致對該波長光線反應(yīng)能力減弱或增強而造成某種色弱。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。人們常說看綠色的物體對視力有好處，這是毫無科學(xué)根據(jù)的，是人們對綠色光的一個錯誤認識。這只是由于人眼對波長為555nni的黃綠光的敏感度最強罷了。如圖給出了人眼對E光源光譜的響應(yīng)曲線。此曲線稱為相對視敏曲線它是將人眼最敏感的,波長為555nm的黃綠光的敏感度作為100%,其余波長光的敏感度是相對于黃綠色光的敏感度求得的比值。它說明即使光的輻射功率相同但波長不同，則人眼的亮度感覺將按此曲線規(guī)律變化。2.2光源光譜中不可見光部分對視力的影響要保護好視力，對光源的亮度要求自然是十分必要的，因此應(yīng)根據(jù)相對視敏曲線的規(guī)律將光源中人眼難以辨別及對人眼有害的光譜濾掉。如電腦的顯示屏發(fā)出的可見光中還包含著X射線。2.2.1X射線對視力的影響：X射線對眼瞼，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，可以看到這個部位有點渾濁及空泡，也可能出現(xiàn)球狀渾濁。如果進一步發(fā)展，后囊下皮質(zhì)會呈蜂窩狀渾濁，這時前囊下皮質(zhì)也出現(xiàn)渾濁，最終全部晶狀體都會變渾濁，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。而只有在晶狀體后基部出現(xiàn)渾濁點，才需要懷疑是否有病。進一步講，即使是后基部出現(xiàn)渾濁點，也不能確定是X射線所致，因為其他類型的白內(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)查及動物試驗，接觸小劑量X射線不會引起白內(nèi)障，比較大的劑量才有可能引起白內(nèi)障。可見在光源發(fā)出的光中還夾雜著一些人眼無法看到并且對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？如果將它濾除會影響我們觀察物體嗎？并且將怎樣影響？這些問題接下來就來討論：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，包括放射線和光線，可見光的波長在400?800nm，其兩端外有紅外線、紫外線等多種輻射線。不同波長的電磁波，對眼所起的作用和損害也不同。2.2.2紅外線損傷：發(fā)熱物體會產(chǎn)生紅外線，如溶化的玻璃、高熱的金屬、爐火、太陽光等。長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800?1200nm）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。那么對應(yīng)我們常用的照明光源中哪些光源會發(fā)出紅外線呢？如：通過燃燒某種化學(xué)物質(zhì)時產(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。它的能量分布主要集中于波長較長的區(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，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)空泡和點狀混濁。有時在晶狀體前囊表層可見表層剝離，一端附在囊膜上，另一端卷曲游離在前房內(nèi)。當(dāng)晶狀體完全混濁后，可手術(shù)摘除。波長較短的紅外線，透過屈光間質(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，嚴重者可形成黃斑裂洞，使視力減退或出現(xiàn)中心暗點。不過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。通過調(diào)查及動物試驗，根據(jù)致熱效應(yīng)，只有大強度的輻射，即功率密度在10毫瓦/平方厘米以上，才有可能引起白內(nèi)障。我們平常生活中輻射的功率是遠低于此值的，所以大可不必為此而憂心忡忡。2.2.3紫外線損傷：紫外線來自高熱固體或氣體。如電弧光、氣焊、紫外線消毒燈、太陽光等。紫外線被組織吸收后，起光化學(xué)作用，使細胞的核糖核酸合成障礙，造成細胞腫脹，染色質(zhì)溶解，細胞核破裂，細胞死亡引起電光性眼炎。大量紫外線照射后6?8小時發(fā)病。兩眼會突然發(fā)生強烈異物感、刺痛、畏光、流淚、眼瞼痙攣。一般1?2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產(chǎn)生對人眼有害的紫外線呢？答案是一熒光燈。這要從熒光燈的發(fā)光機理來討論：熒光燈發(fā)出可見光是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)射出可見光來?？梢姰?dāng)熒光物質(zhì)隨著點燃時間的增加，會發(fā)生熒光物質(zhì)的老化現(xiàn)象，這時低壓汞蒸汽放電產(chǎn)生的短波紫外線就會透射出去，影響了視力。討論至此，我們已了解到無論是蠟燭、白熾燈還是熒光燈，它們在發(fā)光的同時還會產(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。下面我們就此問題做一較為簡單的討論：簡單視功能原理：人眼視網(wǎng)膜里存在著大量光敏細胞，按其形狀可分為桿狀和錐狀兩種。桿狀光敏細胞的靈敏度極高，主要靠它在低照度時辨別明暗，但它對彩色是不敏感的；而錐狀細胞既可辨別明暗，也可辨別彩色。白天的視覺過程主要靠錐狀細胞來完成，夜晚視覺則由桿狀細胞起作用。所以在較暗處無法辨別彩色。視錐細胞含有特殊的視色素。大多數(shù)脊椎動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某種波長的光線最為敏感，因而才有視桿細胞中的視紫紅質(zhì)和三種不同的視錐色素的區(qū)別。當(dāng)光線作用于視錐細胞外段時，在他們的外段膜兩側(cè)會發(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)細胞上產(chǎn)生動作電位。視錐細胞功能的重要特點是它具有辨別顏色的能力。顏色視覺是一種復(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400?750nm之間的約150種不同的顏色，每種顏色都與一定波長的光線相對應(yīng)。因此，在可見光譜的范圍內(nèi)，波長只要有3?5nm的增減，就可被視覺系統(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不同波長的光線起反應(yīng)的視錐細胞或色素。關(guān)于顏色視覺的形成，最早人們提出用視覺的三原色學(xué)說解釋。該學(xué)說認為在視網(wǎng)膜上分布有三種不同的視錐細胞，分別含有對紅、綠、藍三種光敏感的視色素；當(dāng)某一定波長的光線作用于視網(wǎng)膜時，以一定的比例使三種視錐細胞分別產(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。例如：紅、綠、藍三種視錐細胞興奮程度的比例為4：1：0時，產(chǎn)生紅色的感覺;三者的比例為2：8：1時，產(chǎn)生綠色的感覺，等等。也就是說如果某束光線只能引起某一種光敏細胞興奮，而另外兩種光敏細胞僅受到很微弱刺激，我們感覺到的便是某一種色光。若紅敏細胞受刺激，則產(chǎn)生的彩色感覺與由黃單色光引起的視覺效果相同。顯然，隨著三種光敏細胞所受光刺激程度上的差異，還會產(chǎn)生各式各樣的彩色感覺。近年來，三原色學(xué)說已被許多實驗所證實。例如，有人用不超過單視錐細胞直徑的細小單色光束，逐個檢查并繪制在體視錐細胞的光譜吸收曲線，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、藍三色光的波長。用微電極記錄單個視錐細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化感受器電位（LRP），其幅度在不同的視錐細胞是不同的（如下圖），峰值出現(xiàn)的情況也符合三原色學(xué)說。所以，當(dāng)我們用某光源照明時，若光源只發(fā)出三條人眼最敏感的譜線，即：藍、綠、紅。這樣似乎是達到了人眼對照明的需求和防止了人眼無法察覺和有害射線對人眼視力的影響。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結(jié)論：如果只從保護視力的角度看，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，都是由熒光粉決定的。不同的熒