科技新知

『探討』3C 產品的液晶螢幕所產生的藍光為什麼會傷害眼睛呢?



最近有越來越多新聞在說 LED 螢幕的藍色光源對眼睛容易造成傷害,也有很多廠商推出所謂的抗藍光護眼產品,這也引起了 Leo 的好奇心,為什麼 3C 產品產生的藍光會對眼睛造成傷害呢?由於本身就對這東西不是非常的熟悉,於是就開始在網路上尋求解答,看能不能歸納出一些簡單的結論解除心中的疑惑,如果您也跟我有一樣疑問的話那就一起來研究看看吧!



什麼是太陽光

為了要徹底了解 3C 產品的液晶螢幕所產生的藍光為什麼會傷害眼睛這個問題,我們先來了解什麼是太陽光,太陽的太陽輻射光譜與溫度5,800K的黑體非常接近。其中約有一半的電磁頻譜在可見光的短波範圍內,另一半在近紅外線的部分,也有一些在光譜的紫外線。當紫外線沒有被大氣層或其他的保護塗料吸收,它可能導致皮膚的曬傷或觸發人類皮膚色素的自我調整變化。光譜在100至106奈米的電磁輻射不斷的轟擊地球大氣層,按波長的升冪排列,它們可以分成五個區域:

  1. 紫外線 C (Ultraviolet C)或UVC的範圍跨越100至280奈米。紫外線這個名詞意味著輻射的頻率比紫色還高(因此人的眼睛看不見它)。由於會被大氣層吸收,因此只有非常少的量能夠抵達地球的岩石表面。這種輻射光譜的特性是有殺菌力,和使用為殺菌燈。
  2. 紫外線 B或UVB的範圍從280至315奈米。它也被大氣層大量的吸收,並且和紫外線 C一起導致光化學反應製造出臭氧層。
  3. 紫外線 A或UVA的範圍從315至400奈米。一般認為它對DNA的傷害最小因此常用來曬黑和做為牛皮癬的PUVA療法。
  4. 可見範圍’或光的範圍從400 至700奈米。如同名稱所暗示的,這是肉眼可以看見的範圍。
  5. 紅外線的範圍從700奈米至106奈米 [1 (mm)]。在到達地球的電磁輻射中它們是很重要的一部分,依據波常可以分成三種類型:
  • 紅外線-A:700奈米至1,400奈米
  • 紅外線-B:1,400奈米至3,000奈米
  • 紅外線-C:3,000奈米至1毫米

在大氣層之上和表面的太陽輻照度光譜,虛線內為可見光範圍,透過此圖可以看到太陽光的光譜其實是涵蓋了整個400 至700奈米的區段,這也是人類眼睛可見光的範圍。簡單來說從太陽光的角度來看,人類的眼睛只能看到 400 至 700 奈米的範圍,此範圍簡稱可見光。

資料來源:維基百科

什麼是可見光

從太陽光譜我們可以知道人類眼睛的只能捕捉到 400 至 700 奈米區段,這個區段被稱為可見光,但是究竟什麼是可見光(Visible light)呢?其實可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分。可見光譜沒有精確的範圍:人的眼睛可以感知的電磁波波長一般在400到700奈米(nm)之間,但還有一些人能夠感知到波大約在380到780奈米之間的電磁波。正常視力的人眼對波長約為555奈米的電磁波最為敏感,這種電磁波處於光學頻譜的綠光區域。

資料來源:維基百科

什麼是 LED 發光二極體?

了解完所謂的可見光之後,接著我們來看什麼是 LED 發光二極體?其實 LED 發光二極體只能夠往一個方向導通(通電),叫作正向偏置(正向偏壓),當電流流過時,電子與電洞在其內重合而發出單色光,這叫電致發光效應,而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意滲入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。白光LED的發光效率近年有所進步;每千流明成本,也因為大量的資金投入使價格下降,但成本仍遠高於其他的傳統照明。雖然如此,近年仍然越來越多被用在照明用途上。

圖說:結合藍色、黃綠(草綠)色,以及高亮度的紅色發光二極體等三者的頻譜特性曲線,三原色在FWHM頻譜中的頻寬約24奈米─27奈米。

LED 發光二極體優點

  • 在低光度下能量轉換效率高(電能轉換成光能的效率) – 也即較省電,非常適合在低光度(如手提電話的背光、夜燈)需求中使用。但當提高光度至如檯頭燈般或更高時,發光二極體的效率比鎢絲燈泡高,但比螢光燈(俗稱光管或日光燈管)差:電氣電子工程師學會的刊物IEEE Spectrum有文章證實這一點。
  • 反應時間短(以ns為單位) – 可以達到很高的閃爍頻率。
  • 使用壽命長 – 且不因連續閃爍而影響其壽命。
  • 在安全的操作環境下可達到10萬小時的壽命,即便是在50度以上的高溫,使用壽命還有約4萬小時。(螢光燈T8為8000小時.T5為20000小時,白熾燈為1,000 ~ 2,000小時)。
  • 耐震盪等機械衝擊 – 由於是固態元件,沒有燈絲、玻璃罩等,相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
  • 體積小 – 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。
  • 便於聚焦 – 因發光體積細小,而易於以透鏡等方式達致所需集散程度,藉改變其封裝外形,其發光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。
  • 單色性強 – 由於是單一能級光出的光子,波長比較單一(相對大部份人工光源而言),能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。
  • 色域略為廣闊 – 部份白色發光二極體覆蓋色域較其他白色光源廣。

LED 發光二極體缺點

  • 發光二極體在高光度下效率較低,在一般照明用途上仍比螢光燈耗電,有些發光二極體燈甚至比省電燈泡耗電。有些設計使用多枚發光二極體,在保持整體光度下讓每枚發光二極體可以工作在較低光度,從而增加效率,但使成本大為提高,售價亦較其他類型燈泡較高。(目前市面上已達100lm/W)
  • 效率受高溫影響而急劇下降,浪費電力之餘也產生更多熱,令溫度進一步上升,形成惡性循環。除浪費電力也縮短壽命,因此需要良好散熱。
  • 發光二極體光度並非與電流成線性關系,光度調節略為複雜。
  • 成本較高,售價較高。
  • 因為發光二極體為光源面積小、分佈較集中,作照明用途時會刺眼,須運用光學設計分散光源。
  • 演色性仍待加強。(傳統燈泡、鹵素燈演色性極佳,而螢光燈管容易找到高演色性的產品;演色性低的光源照明不但會有顏色不正常的感覺,對視力及健康也有害)
  • 每枚發光二極體因生產技術問題都會在特性(亮度、顏色、偏壓…等)上有一定差異,即使是同一批次的發光二極體差異也不少。
  • 許多LED有過藍的問題,只要少量藍光就可以讓人有精神,這在白天是好事,但是並不適合在夜間使用;不過主因還是廠商沒有告知消費者藍光的特性,許多螢光燈也有類似問題。
  • 儘管LED具有省電的特性,但在高緯度的地方卻不被喜愛,因為LED發光的時候並不會發熱,路燈會因為積雪的關係造成LED的光被遮住。

資料來源:維基百科

WLED 白光發光二極體的原理 White Light Emitting Diode

發光二極體本身是單色光源,而自然界的白光(陽光)的光譜是闊頻帶的,所以LED本身不可能做到。白光發光二極體是通過發出三源色的單色光(藍、綠、紅)或以螢光劑把發光二極體發出的單色光轉化,使整體光譜含為含有三源色的光譜,刺激人眼感光細胞,使人有看見白光的感覺。結合藍光發光二極體、紅光發光二極體和綠光發光二極體便可做出白光發光二極體,這樣產生的白光發光二極體有較廣的色域,而且效率較其他方法高,不過成本相當高。近年生產技術的改進下,越來越多產品採用這方法。

現在普及的白光發光二極體都採用單一發光單元發出波長較短的光,如藍或紫外光,再用磷光劑把部份或全部光轉化成一頻譜含有綠、紅光等波長較長的光。這種光波波長轉化作用稱為螢光,原理是短波長的光子(藍、紫、紫外光)被螢光物質(如磷光劑)中的電子吸收後,電子被激發(跳)至較高能量、不穩定的激發狀態,之後電子在返回原位時,一部份能量散失成熱能,一部份以光子形式放出,由於放出的光子能量比之前的小,所以波長較長。由於轉化過程中有部份能量化成熱能,造成能量損耗,因此這類白光發光二極體的效率較低。

發光單元有採用藍光發光二極體的,也有採用紫外光發光二極體的。日亞化工開發並從1996年開始生產的白光發光二極體採用藍光發光二極體作發光單元,波長450 nm至470 nm,磷光劑通常是摻雜了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+:YAG)(實際上單晶的摻鈰(Ce)的YAG被視為閃爍器多於磷光體。)。發光二極體發出的部份藍光由螢光劑轉換成黃光為主的較寬光譜(光譜中心約為580nm),由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體,加上原有餘下的藍光刺激人眼中的藍光受體,看起來就像白色光。

也因為上述的白光發光二極體的原理,日亞化工的研究推出了以藍光發光二極體為主的 WLED 由日本人以『藍光LED加磷光劑』的技術來克服發光二極體本只能發出單色光的窘境,日亞化工以藍光 LED 與螢光粉產生黃光來讓眼睛『感覺』看到白光,不過也因為發光二極體本身的特性造成在 WLED 底下藍光的能量最高,因為人們喜歡看到所謂肉眼辨識的白色的光源,但是如果光源為發光二極體來看的話你以為你看到的白色光源真的跟正中午底下的太陽光一樣嗎?這點值得大家深思。

資料與圖片來源:維基百科http://electronmania.blogspot.tw

什麼是 RGB LED 發光二極體?

各位看到這邊可能會問怎麼沒有廠商開發 RGB 發光二極體呢?其實早就有廠商這樣使用,因為以顯色性來說,光源的頻譜越寬廣,可讓物體的顯色性要來的更好。以一般電視來說,都是使用白光LED來做為背光源,但 LED 的光線頻譜較為狹窄,所以對於顯色性部分表現有限。而 Sony 最新的 TRILUMINOS Display 使用量子點技術(Quantum dots),利用藍色LED為主發光源,通過使用Quantum dots技術的Color IQ,用以激發紅色與綠色的光線。以三原色作為背光模組,可讓光源頻譜更為寬廣,顯色更為真實,也讓以白光LED無法顯現出的顏色,都可以藉由TRILUMINOS Display技術來顯示。這也是市面上首見實現在電視上的量子點技術,也讓Sony BRAVIA顯色技術更上一層樓。,只是這樣的作法很少應用在 3C產品上,因為如果以 RGB LED 來看的話要達到白光的效果必須三色同時點亮才能混和出肉眼所見的白光,而且不是只有一組 LED 點亮喔!而是透整個面板同時點亮,這時候會考驗到晶片控制能力與 LED 發光二極體的品質,以 3C 產品來說 RGB LED 發光二極體與 WLED 發光二極體兩者要達到同樣的亮度的話,RGB LED 的技術成本也相對提高不少,所以大部分的市售 3C 產品的面板幾乎都採用 WLED 來提高良率與降低成本。

為何 3C 產品的藍光會傷害眼睛?

簡單來說從光譜特性來看,RGB LED 優於 WLED,但製作成本相對較高,因此目前較少機種會採用這樣的方式來製作,所以當 WLED 與 RGBLED 的白光讓您的『眼球錐細胞、桿細胞加大腦』感覺到一樣白、一樣亮的時後,事實上你的眼球會從 WLED 接收到相對較高的『看不見的藍光』能量,這也是維基百科上說的缺點『許多LED有過藍的問題,只要少量藍光就可以讓人有精神,這在白天是好事,但是並不適合在夜間使用;不過主因還是廠商沒有告知消費者藍光的特性,許多螢光燈也有類似問題。』不過說真的 Leo 找了一下網路上的資料好像都沒有醫學研究過量的藍光對於眼睛傷害的學術資料,只有找到幾篇關於藍光對於眼睛的報導,因此到底藍光對於眼睛有沒有明確的傷害目前不得而知,如果有朋友看到或是知道有什麼學術資料可以參考的話歡迎留言補充說明一下,或是針對上述資料有不同意見的朋友也歡迎提出來探討,畢竟只是想追根究柢的找到合理的解釋,也歡迎業界人士提供意見一起來探討囉!最後希望這些資料能夠對大夥有所幫助,今天就先跟各位分享到這。

醫療資訊補充說明

「3C螢幕藍光」超傷眼!自保5招
藍光,視網膜黃斑部病變殺手



用LINE傳送

關於作者

Leo

Leo

喜愛旅遊並沉迷科技應用數十年無法自拔的重度 3C 上癮者!

5 回應

發表評論