紫光LED與藍(lán)光LED

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。光對我們的睡眠周期和健康存在影響，這是公認(rèn)的。在現(xiàn)代社會(huì)中，人造光無處不在，可以像日光一樣影響晝夜循環(huán)。

對于固態(tài)照明(SSL)行業(yè)來說既是一個(gè)激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)，也是一個(gè)潛在的擔(dān)憂。在本文中，將討論一下關(guān)于光的非視覺方面的知識(shí)，以及LED光源如何來發(fā)展以造福人類健康和福祉。在二十一世紀(jì)初期，基于對光和睡眠的開創(chuàng)性研究，研究人員在我們的視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了尚未知曉的細(xì)胞：ipRGCs。這些細(xì)胞對光敏感，這類細(xì)胞可以接收光信號(hào)，并直接連接到我們大腦調(diào)節(jié)睡眠模式的部分，影響晝夜節(jié)律。

這些細(xì)胞最重要的是它們對藍(lán)光很敏感，它們的峰值敏感度大約在450-480nm的波長處。當(dāng)被光刺激時(shí)，它們發(fā)出一個(gè)喚醒的信號(hào)。該信號(hào)在各種生理反應(yīng)中可以被觀察到;例如，它可以阻止我們的身體釋放褪黑素，而褪黑素與我們的晝夜節(jié)律循環(huán)密切相關(guān)。對藍(lán)光的最大靈敏度與自然光線有關(guān)：藍(lán)光輻射在早晨更普遍，白天減弱，晚上沒有;因此，我們的身體將它作為生物鐘同步的提示。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)

一方面，可以提供額外的光線，幫助那些在自然條件下得不到足夠光的人。例如，早上少量的藍(lán)光可以幫助那些生活在陽光不充足地區(qū)的人，或者那些晝夜節(jié)律周期不那么規(guī)則的人群，如青少年和老年人。我們對早晨的藍(lán)光特別敏感，在起來后的頭一到兩個(gè)小時(shí)。

另一方面，晚上暴露在光線下會(huì)產(chǎn)生不必要的影響。研究表明，常見的室內(nèi)照明條件(100 lx及以上)足以顯著影響晝夜周期。這種效果在光線關(guān)閉后持續(xù)數(shù)小時(shí)，因此會(huì)延遲睡眠。來自手機(jī)和平板電腦的光線是另一個(gè)值得關(guān)注的問題。 隨著LED照明的普及，這種擔(dān)心變得更加嚴(yán)重，尤其是使用強(qiáng)藍(lán)光的LED。

為晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)光譜

晝夜生理節(jié)奏與藍(lán)光的總量成比例。藍(lán)光的總量是兩個(gè)因素的產(chǎn)物：一個(gè)是總光量;另一個(gè)是光譜中藍(lán)光輻射的相對量。為了影響晝夜循環(huán)，可以改變光照水平和光譜。目前，已經(jīng)有提出各種度量，來量化藍(lán)光的總量，但是，這種作用光譜在450-480nm處具有峰值敏感度。因此，修改此范圍內(nèi)的光譜提供了最大的機(jī)會(huì)。

LED技術(shù)可以根據(jù)需要形成光譜，尤其是重新組織光譜來增加或消除藍(lán)色輻射，但同時(shí)必須要保持光的其他重要特性。一個(gè)關(guān)鍵的方面是光本身的色度，應(yīng)該保持白色。如果簡單地從白光源去除所有藍(lán)光輻射(例如，用藍(lán)光抑制濾光器)，則所產(chǎn)生的光會(huì)呈現(xiàn)黃綠色，對實(shí)際使用來說不適宜。因此，減少光源的晝夜節(jié)律刺激不能簡化為簡單地去除藍(lán)色輻射。

早上和晚上的需求

白光的特點(diǎn)是其相關(guān)的色溫(CCT)。高溫光，例如日光，包含更多的短波長輻射，而低溫光則包含更多的紅色輻射(圖1)。這樣，可以通過調(diào)整其CCT和強(qiáng)度來調(diào)節(jié)光源的晝夜節(jié)律，早上高、晚上低。人類視覺系統(tǒng)通過色彩適應(yīng)過程來自然地適應(yīng)不同CCT的光線，因此廣泛的CCTs對于一般照明是可接受的。

圖1. 該圖描繪了各種光源的色度。黑線表示白光的黑體軌跡。從白熾燈中去除藍(lán)色輻射會(huì)讓它變成黃綠色。雖然燭光在技術(shù)上分類為白光，但燭光具有明顯的黃色色調(diào)。

這種方法可以在早上很好地增加晝夜節(jié)奏，將CCT提高到4000-5000K，并將光照強(qiáng)度提高到1000lx以上。各種醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，富含藍(lán)色、高CCT的光可以幫助同步睡眠時(shí)間，特別是對于需要醫(yī)療條件來改變晝夜節(jié)律周期的人群。 因此，照明行業(yè)已經(jīng)接受了這個(gè)概念，并且推出了一批藍(lán)光輻射強(qiáng)的產(chǎn)品。

另一方面，生產(chǎn)出一種在晚上生理刺激低的光源更具挑戰(zhàn)性。為了減少總藍(lán)色量，必須調(diào)整光量和光譜。光強(qiáng)度可以稍微降低一些，從典型的100-300 lx降到30-50 lx，但是對于家庭使用來說，就太暗淡了。要想獲得非常少的藍(lán)色輻射的光譜時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻档蜕珳剡_(dá)到了極限。如果CCT遠(yuǎn)低于2700K，相當(dāng)于白熾燈泡的溫度，那么就不那么完美了。盡管在技術(shù)上表現(xiàn)為白光，但是光線呈黃色。一個(gè)例子就是蠟燭產(chǎn)生的光;CCT為2000K，在特定情況下可能會(huì)令人愉快，但對于大多數(shù)家庭活動(dòng)來說，這看起來太黃了。

今天，所有“睡眠友好”型的燈泡都使用這種低溫方法(溫度范圍從2000-2300K)，因此光色不自然。由于這個(gè)顏色質(zhì)量有問題，制造商建議，這種燈泡只能用于一些照明燈具，例如，床頭燈。值得注意的是，迄今為止這些產(chǎn)品的有效性還沒有得到臨床研究的證實(shí)。同樣的方法也適用于顯示器：從f.lux等計(jì)算機(jī)程序到Apple Nightshift等智能手機(jī)功能，通過在夜間降低屏幕色溫可降低藍(lán)光輻射量。但是，溫度只能降到某個(gè)點(diǎn)(大約3500K)，然后屏幕就變成黃色，看起來不能接受。

圖2是各種商業(yè)光源的藍(lán)色輻射量。從圖上看，基本上由色溫決定。這也揭示了一個(gè)看似不可避免的折衷：低藍(lán)只能靠非常黃的光色獲得。實(shí)際上，這種權(quán)衡取決于傳統(tǒng)LED技術(shù)的基本屬性：依靠藍(lán)色泵浦LED來產(chǎn)生白色光譜，造成藍(lán)色輻射量和光色度基本上相關(guān)。

圖2. 藍(lán)光輻射量因不同的光源而異。傳統(tǒng)的LED通過降低色溫來減少藍(lán)色輻射，藍(lán)色量幾乎與相同溫度的自然光的量相同，如橙線所示。BlueFree技術(shù)擺脫了這種折衷，在舒適的色溫下可以實(shí)現(xiàn)非常低的藍(lán)光量。

一個(gè)無藍(lán)的解決方案

確定并理解這種折衷的根本原因之后，實(shí)際上可以規(guī)避它，以最少的藍(lán)色量提供真正的白光。Soraa開發(fā)的BlueFree SSL技術(shù)就是一個(gè)例子。它依靠紫光LED來替換標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)色LED，通過去除相對較窄的光譜范圍內(nèi)的能量，可以保持白熾燈的色溫，同時(shí)實(shí)際上從光譜中去除任何藍(lán)光輻射。

基于紫光的全光譜LED可以顯著改善光的質(zhì)量。在這些全光譜產(chǎn)品中，紫光LED由三種熒光粉(藍(lán)色、綠色和紅色)補(bǔ)充，以產(chǎn)生非常高顯色性的全白色光譜。 然而，在BlueFree案例中，只使用了綠色和紅色熒光粉。通過仔細(xì)選擇這些熒光粉，盡管沒有藍(lán)色輻射，仍然可以保持非常好的顯色性。圖3比較了相同色溫2700K下各種白光源的光譜，并說明了BlueFree方法。標(biāo)準(zhǔn)LED在440-490nm范圍內(nèi)具有高光譜量，在這個(gè)范圍內(nèi)，晝夜節(jié)律敏感度是最大的。相反，BlueFree光譜在這個(gè)范圍內(nèi)顯示出非常小的輻射。

圖3

測試?yán)碚?/p>

為了驗(yàn)證BlueFree方法的有效性，Soraa邀請斯坦福大學(xué)教授Jamie Zeitzer和睡眠醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的全球?qū)＜已芯科渖碛绊?。他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來測量受試者在暴露在光線后的“照明后瞳孔反應(yīng)”(PIPR)。在暫時(shí)暴露于光線之后(瞳孔從完全擴(kuò)張到完全收縮)，瞳孔回到殘余收縮狀態(tài)，其大小由控制晝夜循環(huán)的ipRGC細(xì)胞控制。更高量的藍(lán)光會(huì)出現(xiàn)更多的殘余收縮，這表明晝夜節(jié)律刺激更高。

圖4顯示參與者在35 lx照度下受到光照刺激后的瞳孔擴(kuò)張速度，由兩種光源誘導(dǎo)：標(biāo)準(zhǔn)LED和BlueFree LED，均在2700K的色溫下。這兩個(gè)光源具有相同的色度，因此參與者不能直觀地區(qū)分它們。BlueFree LED產(chǎn)生更明顯的擴(kuò)張速度。

圖4.

這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BlueFree光譜能夠顯著減少晝夜節(jié)律刺激，而不用采用低色溫。因此BlueFree燈可以在家庭環(huán)境中無縫使用，產(chǎn)生白光和良好的顯色性，對睡眠周期影響較小。

由于我們眼睛中存在會(huì)調(diào)節(jié)我們晝夜節(jié)律的細(xì)胞，這些細(xì)胞對藍(lán)敏感，家庭環(huán)境中的光線(尤其是富含藍(lán)光的LED照明)有可能在晚上擾亂我們的睡眠模式并引起長期的健康問題。目前一些商業(yè)產(chǎn)品試圖通過發(fā)出極低色溫的光來減輕這種影響，但是黃色色調(diào)會(huì)令人不舒服。相比之下，更新的技術(shù)可以采用紫光LED來產(chǎn)生真正的白光，而幾乎沒有藍(lán)光輻射。

斯坦福大學(xué)Zeitzer教授的臨床實(shí)驗(yàn)表明，與標(biāo)準(zhǔn)LED光源相比，BlueFree燈泡對我們的晝夜節(jié)律系統(tǒng)的破壞性要小得多。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。