聚合物吸收LED光谱蓝光成分方案，有效降低LED灯的蓝光危害

目前，白光LED的制造方法一般有三种。第一种是二基色白光LED，它是利用InGaNLED芯片所发射的蓝光激发Ce：YAG荧光粉，然后再由LED的蓝光和Ce：YAG荧光粉所产生的荧光进行混合得到白光。该技术较为成熟，成本较低，因而应用非常广泛。第二种是基于三基色荧光粉转换的合成白光LED，它利用紫外LED光激发红、绿、蓝三基色荧光粉，达到白光输出。由于紫外LED效率低，荧光粉配比困难等问题而较少应用。第三种是多芯片白光LED，它是将辐射红、绿、蓝三种颜色的LED的光进行混合得到白光输出。该技术对芯片的控制要求较高，增加了技术成本，因而目前也较少应用。
　　
研究表明：用蓝光的截止滤光片过滤掉蓝光之后可以降低蓝光对人眼的伤害。目前的市售消蓝光防护镜和防护屏是基于镀膜技术来制作的蓝光滤光片，以过滤掉绝大部分的蓝光。该技术是将光源中的蓝光部分给反射掉，因此光源的总亮度出现了一定程度的衰减，篮光的能量被浪费掉了。
　　
实际上还可以采用另外一种办法，既能衰减光源中的大部分蓝光，又能让蓝光转换为对人眼没有伤害的绿光和黄光，从而使得光源的总亮度衰减较小。这种技术就是利用合适的荧光染料来有针对性地吸收LED灯中的蓝光，并通过染料分子的荧光辐射发射出绿光和黄光，来补充蓝光被吸收而导致的光源亮度的损失。
　　
本文研究利用染料掺杂的聚合物吸收LED灯中的蓝光以降低LED灯的蓝光危害，并对吸收前后的光源的光谱和色度进行对比和评估。
　　
1、样品合成与光谱测量装置
　　
本研究所采用的染料掺杂聚合物的合成方法简单描述如下：将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、偶氮二异丁腈、正丁硫醇试剂以适当比例混合，先在80℃温度下预聚合15分钟左右，冷却并掺入配制好的染料溶液，然后再在55℃、80℃和100℃的温度继续聚合共17小时而得到染料掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物。聚合物经机械切削成合适厚度的圆片，然后将其端面进行研磨和抛光后用于实验测量。圆片的直径为10mm，厚度分别为4mm和8mm，染料在聚合物中的掺杂浓度为0.01mg/g。
　　

图1：测量LED灯光谱的实验装置示意图　

图1是用于测量吸收前后的LED灯的光谱的实验装置示意图。LED光源为从市场上购买的功率为3W的投射灯，其投射出的平行光经过染料掺杂的PMMA片后再由L1和L2透镜组成的收光系统成像在单色仪的入射狭缝处。单色仪的型号为Omniλ3005（卓立汉光），其焦距为30cm，波长扫描范围为300-900nm，光电倍增管为CR114型。为了消除不同衍射级的光谱重叠，在出射狭缝处加有滤光片，该滤光片的选择由波长扫描软件自动控制。扫描光谱时，光电倍增管的信号经A/D转换后被记录下来做进一步的处理。单色仪的波长扫描控制和光谱数据存储由一台计算机完成。
　　
2、光谱测量
　　
为了评估二次光谱转换前后的LED灯光的光色是否符合照明的要求，可采用国际照明协会的CIE1931色度坐标系统。为了获得准确的测量结果，有必要对光谱仪的波长及光谱响应进行校准。实验首先利用钠光灯对单色仪的波长进行校准。然后，采用了国际照明协会规定的标准光源A，即色温为2856K的卤钨灯对单色仪的光谱响应进行校准。将单色仪测量得到的该灯的光谱和它的标准光谱进行比对就可以得到实验所用单色仪的光谱响应曲线。在后面的所有测量中，用于计算色度坐标的光谱均已经对此响应曲线做了校准。
　　
实验首先在可见光区间测量了一种市售LED灯的光谱。在420-480nm的蓝光区间，LED灯具有较高的强度，如果不进行滤蓝光的优化处理，长期应用这种LED灯来照明，会对人眼产生潜在的和长期的危害。
　　
由于该LED灯中蓝光的中心波长位于450nm，如果选择一种合适染料来对该波段的蓝光进行有效吸收的话，就可以较好地降低LED灯的蓝光危害。为此我们选择采用香豆素540（C540）染料掺杂于PMMA中得到C540掺杂的PMMA聚合物并用它来对LED灯的光谱进行调节和优化。C540的吸收中心位于450nm，与LED灯的蓝光匹配较好。该染料发射峰的中心位于520nm，其斯托克斯位移达到了70nm。
　　
然后，分别采用厚度为4mm和8mm的C540染料掺杂浓度为0.01mg/g的染料掺杂聚合物片和一种市售的厚度为3mm的绿色PMMA平板来对LED灯中的蓝光进行吸收和转换。这种市售的厚度为3mm的绿色PMMA平板中所掺杂的荧光物质为3GF油性荧光染料，且掺杂浓度较高。由于其吸收带和发射光谱与C540较为类似，在此作为一组对比的样品来与C540染料掺杂的聚合物片来进行比较。
　　
从以上测量结果的直观对比可以看出：市售的白光LED光源具有较高的蓝光成分，这种LED灯若是用于室内照明和显示器背光源的话，会对人眼产生潜在的危害。采用4mm厚的C540染料掺杂聚合物片进行滤光后，蓝光被衰减了约1/3。增加其的厚度可进一步降低蓝光的比例，在8mm厚时，蓝光只剩下为原始强度的1/3左右。由于市售的3mm厚的绿色PMMA板中油性荧光染料的浓度较高，导致LED灯中的全部蓝光均被吸收。以上3种情况下得到的光谱中绿光的强度比LED原来的绿光略有增加，是来自于C540染料或者绿色油性荧光染料所发射的荧光的贡献。

3、色度坐标
　　
为了对经二次光谱转换前后的LED灯光的光色进行评估，需要计算其色度坐标。CIE1931标准色度系统的光源色度坐标的计算方法在文献中有详细介绍。它根据观测的光谱强度分布和人眼三刺激值计算而得出。
　　

表1：四种不同光源的色度坐标

表1列出了LED灯，及其经4mm，8mm厚的C540染料掺杂聚合物吸收以及经3mm厚的绿色PMMA平板吸收后的LED灯光的色度坐标及其所对应的颜色区间。
　　
4、光源显色性
　　
光源的显色性是作为照明光源的一个重要的性质，对白光LED灯的蓝光进行过滤的时候，也要兼顾光源的显色性。光源显色指数的定量测量需要一系列标准样品、标准光源以及标准的测量程序，非常复杂。为了简便地检验经二次光谱转换后的LED光源的显色效果，我们用待检验的光源照射色觉检查图中的一幅含有蓝、绿、黄、红四色的彩色图案，用人眼观测不同颜色的显示效果。
　　
实验结果表明，经过二次光谱转换之前的LED灯能够较好显示彩色图案中的四种颜色。采用厚度为4mm染料掺杂聚合物片吸收LED灯光后所显示的图案与未吸收之前相比看不出明显差异；用8mm厚的C540染料掺杂聚合物片吸收LED灯光后，彩色图案中的颜色开始发生变化，到最后用3mm的绿色PMMA平板吸收时蓝色部分几乎变成了绿色。与此同时，彩色图案中绿、黄、红色部分的显示颜色也紧随发生了相应的变化，但并未严重影响到人眼对颜色的判断。
　　
可见要获得较好的显色效果，LED灯中的蓝光需要保留一定的强度。因此在选择染料掺杂聚合物中的染料掺杂浓度和吸收片的厚度时，应注意这一点，既要考虑消除蓝光危害，又不要降低光源的显色效果。
　　
由于LED灯是未来主要的照明光源，利用荧光材料实现对LED灯光的二次光谱转换，从而消除其蓝光危害以及改善其光色，对于照明科学有重要的意义。采用荧光材料对LED灯的光谱进行二次光谱转换，与目前的采用镀膜技术制作的滤蓝光眼镜相比有几个优点：第一，它可以选择性的吸收某一波段的部分蓝光，保留少量的蓝光；第二，染料的掺杂浓度可以调整，因此可以根据不同的辐照功率条件选择不同的掺杂浓度，得到理想的滤蓝光。

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