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LED照明中蓝光的光生物安全问题

浏览: 作者: 来源:半导体照明网 时间:2018-09-05 分类:技术交流
导读: 从照明心理学、视觉学和色度学等多角度出发,指出LED照明灯具的色空间不均匀问题;详细讨 论LED用于室内照明所产生的光生物学问题,尤其是过多的蓝光对人的危害;阐述对LED进入室 内照明和道路照明领域的看法,引导人们针对不同的照明场合科学地选择光源。

 节约能源是未来面临的重要问题。LED作为1种新型绿色照明光源,必然是未来发展趋势。但是,在LED开发过程中,照明设计人员对各种色光作用人的视觉产生的一系列心理、生理等诸方面效应缺乏了解,以致带来光生物安全方面的问题。

  1.LED照明色空间的不均匀问题

  1.1 过多蓝光的问题

        现今大多数照明用白光LED采用蓝光芯片,其直接发出蓝光,蓝光激发YAG黄色荧光粉后,一部分转化成黄光,与蓝光一道合成白光。与三基色荧光粉发光合成的白光不同,同样的相关色温和色坐标,LED的发射光中含有比三基色荧光灯多得多的蓝光。首先,我们看一下LED的输出光谱。目前主流GaN芯片的阻挡层及辐射光谱参数为:阻挡层电势:2.62~2.74V,相应的辐射光子能量:2.62~2.74eV,辐射谱中心波长:450~470nm,相应视见函数分别为:0.091~0.038,辐射谱带半宽度:30nm。

  当辐射谱激发YAG黄色荧光粉混合了蓝光,形成一个发射光谱。黄色荧光粉不容易吸收蓝色光子。如果按照450nm激发YAG的技术,要产生200lm/W的光效,转换效率需达到60%。而目前普通水平的转换效率只有20%~30%。因此,大量蓝光就存在LED的输出光谱中了。

  各国照明组织一致认为,4000K以上高色温白光LED对人的生物安全和健康会带来一定危害。根据全球照明协会白皮书(White Paper of the GLA)对相似色温的LED、CFL和白炽灯光谱中蓝光成分的分析可以看到,LED的蓝光成分数倍于荧光灯和白炽灯,而且还只是4000K色温的LED,6500K蓝光LED的蓝光强度会更大,而且这还是在全球面求积分的条件下的数据。由于LED通常是窄光束,在投射区域光线特别集中,局部的蓝光强度甚至可达同色温荧光灯的10倍以上;同时也可以看到,色温2700K且显色指数80以上的高显色白光LED的蓝光辐射量比产生同样光通量的荧光灯还要少。所以,色温2700~3000K且显色指数80以上的低色温LED可以放心地在室内使用。但这仅仅是作者的理论概念,实际上,简单地以降低色温的方法来抑制蓝光是不科学的,会牺牲光效和显色指数。缺乏红光和绿光,显色指数只能达到62~63,增加红光和绿光的比例又势必会增加成本,无疑对开发LED室内照明产品有一定影响。要想在室内照明领域得到与荧光灯一样的照明效果,不能为降低成本而增加LED光源的生物安全风险。遗憾的是,我国没有任何LED开发公司对此作过风险评估。

  1.2 不均匀色空间的产生

  从普通LED发出白光的光谱可以看出,这种方法输出白光的突出问题是,LED有光环效应,在某些场合不受欢迎。这归结于LED发出定向光,由黄色荧光粉转换,存在朗伯(Lambertian)行为,也就是白光LED空间颜色均匀性问题。从法线方向上发出的蓝光最强,而被粉所吸收和最少。从目前的测量方法看,我们在对LED光源进行测量时,所得到的显色指数只是色空间的平均显色指数,同样,得到的相关色温值也只是光空间的平均色温。这样的色空间分布势必会影响我们对物品真实颜色一致性的准确判断。

  2.蓝光的光生物学危害

  2.1 目前的普遍共识

  虽然LED的发展势头很好,但是其对人的健康、视力和生物效应是必须考虑的。尤其是过多的蓝光用于室内照明,会对人的生理、心理和视神经等产生一系列影响,这一结论早已被照明技术和光生物研究人员所接受。

  照明,从目前研究结果来看,可以产生3种效应:一是视觉效应,以光的明度和颜色让我们认识世界,感知周围物体以利于分析判断;二是心理效应,同样是明度和色度可使人产生轻重、远近、冷暖、好恶的感觉,同时,不同的色光也影响我们的心情;三是生物效应,可以控制我们的生物钟,这就是为什么冬天会起床比较晚、夏天起床比较早的缘故。在可见光产生的光生物学效应方面,当数蓝光最大。最普遍的共识是,当蓝光很强时人就没有睡眠的欲望;相反,蓝光很弱时则有利于人的睡眠。蓝光辐射的峰值波长与视网膜蓝光伤害特征曲线和人体非视觉感光曲线有比较大的重合。因此、在室内采用白光LED时,有人担心会伤害视网膜、扰乱生物钟。

  2.2 蓝光是1种褪黑激素抑制剂

  褪黑激素(Melatonin)是人脑部深处像松果般大小的“松果体”分泌的1种胺类激素,以前有人叫它“松果体素”。褪黑激素是迄今发现的最强的内源性自由基清除剂,它参与抗氧化系统,防止细胞产生氧化损伤,在这方面,它的功效超过了已知的所有体内物质。最新研究证明,褪黑激素是内分泌的总司令,它控制体内各种内分泌腺的活动。褪黑激素的作用主要有以下两个方面:

  (1)保护细胞防止病变。由于褪黑激素很容易进入细胞,因此,可担任保护细胞核DNA的任务。如果DNA受到损害就可能导致癌变。

  (2)褪黑激素的分泌是有昼夜节律的。夜幕降临后,光刺激减弱,松果体合成褪黑激素的酶类活性增强,体内褪黑素的分泌水平也相应增高,在凌晨2~3时达到高峰。夜间褪黑激素水平的高低直接影响睡眠质量。随着年龄增长,松果体萎缩直至钙化,造成生物钟的节律性减弱或消失,特别是35岁以后,体内自身分泌的褪黑激素明显下降,平均每10年降低10%~15%,导致睡眠紊乱以及一系列功能失调。褪黑激素水平降低、睡眠减少,是人类脑衰老的重要标志之一。

  由于白光LED中大量的蓝光对褪黑色素的抑制,显然会对健康产生不良影响。

  2.3 蓝光会使眼睛内的黄斑区毒素量增高

  这项研究源于2010年美国眼科学研究院的报告。报告认为,蓝光可以穿透晶状体到达视网膜,对视网膜造成光化学损害,加速黄斑区细胞的氧化。因此,蓝光被研究证实是可以照射到视网膜的最具有危害性的可见光。常见的可能危害眼睛的蓝光存在于强日光、闪光灯和白光LED等的光线中。更需要注意的是:蓝光的最大危害性风险发生在婴幼儿时期。因为在0~2岁年龄段,约70%~80%的蓝光会照射到视网膜;在2~10岁年龄段,约60%~70%的蓝光会照射到视网膜。长时间暴露在蓝光下会造成视网膜的退行性改变。

  蓝光的危害在临床上表现为许多眼科疾病,如年龄相关性黄斑变性(AMD),这也是全球主要的不可逆性致盲眼病之一。世卫组织(WHO)爱眼协会公布:2006~2008年因蓝光、辐射每年导致全球超过30000人失明,并在2009年底发出橙色预警:“蓝光、辐射对人类的潜在隐性威胁将远远超过苏丹红、三聚氰胺、SARS、HINI流感病毒的破坏性,蓝光辐射无形中吞噬着人的双眼。”

  中华医学会眼科学分会数据显示,中国有63.5%的网民因蓝光、辐射有视力下降、白内障、失明等不同程度的眼疾。德国眼科专家李查德·冯克(R.H.W.Funk)教授的研究报告指出:“当不合适的光持续照射我们的眼睛,会引起功能失调,尤其是LED灯、电脑屏幕等发出的含有大量不规则频率的高能短波蓝光,这些短波蓝光具有极高能量,能够穿透晶状体直达视网膜,对视网膜造成光化学损害,直接或间接导致黄斑区细胞的损害。”

  2.4 蓝光可导致白内障术后的眼底损伤

  随着年龄的增长,人眼睛本身的晶状体会逐渐偏黄,有助于过滤蓝光;然而,白内障手术后病人失去了这些天然屏障,蓝光将直达视网膜,进而损伤视网膜色素上皮细胞,严重影响眼底健康。

  2.5 蓝光可引发视觉模糊

  蓝光射入眼底经过聚焦后,焦点没有落在视网膜上,而是落在视网膜与晶状体之间。这就增大了光线在眼内聚焦的色差距离。这一点可以从同样距离的两个同样大小的红、蓝光标志在我们眼睛上产生的距离感看到,蓝光的距离就显得稍近些,并且模糊些。这是由于眼内焦点之间的距离造成的。所以,蓝光的射入会加剧色差和视觉模糊度,使眼部肌肉过度紧张,从而导致视觉疲劳,引起视觉疲劳综合症。这就是LED、电脑显示屏(VDT作业)等对视力产生危害的真相。

  2.6 蓝光容易引发眩光

  LED蓝光的中心波长为450nm,具有较高的频率和能量。而频率较高的光线在遇到空气中细小粒子时发生散射的几率较高,蓝光便成了“晃眼”的主要原因。目前,很多道路照明使用白光LED,设计不良的灯具在使用中会产生强烈的眩光引发驾驶安全问题的可能性大大增加,这一点常常是在道路照明设计上缺失的。蓝光在汽车前灯照明中引起的眩光问题可能比任何眩光都更突出。为此,我们可以做1个实验,在以普通卤钨灯为光源的汽车前灯上覆盖1层蓝色滤光膜,红光、黄光少了许多,但显得更亮、更刺眼了,这就是蓝色眩光。加了滤光膜的汽车前灯在路面上行驶,会给对面的车辆和行人造成极大的视觉不适应,很容易引发交通事故。对此,国家交通部还曾发文要求立即无条件撕掉贴在汽车前灯上的这种所谓的“蓝眼皮”。 


  在2012年长三角照明论坛上,有著名照明专家指出:有些白光LED道路照明设计中白光LED的光通量仅为高压钠灯光通量的30%~50%,更大的危害就是产生眩光。于是照明专家不禁提出疑问:这样的照明设计符合道路照明标准吗?安全能保证吗?这就是LED灯宣称的比光效120lm/W的高压钠灯节能的依据吗?对于目前不理智地开发LED照明,有专家甚至指出:政府大量盲目的资助,对LED的不理智开发起了推波助澜的作用,对已经发热的头脑起到进一步加热的作用,大量民间投资盲目跟风,造成更加巨大的损失,反复的十城万盏LED道路照明项目,使照明界陷入一片混乱,急功近利的战略思维危害了LED的正常发展。

  3.LED光生物安全的思考

  3.1 室内照明

  3.1.1 光生物安全的检测

  LED照明开发方面出现的一系列光生物安全问题,是由于不能理智、科学地用光引起的。比如强烈的高色温白光,用于室外环境照明,只要设计合理就问题不大;但用在室内就不适合。现在应该尽快拿出产品的技术标准和使用规范,不能为了行业发展和商业利益而牺牲消费者的健康。目前,销往欧洲的LED产品,需要按照IEC/EN62471进行风险评级,自镇流LED灯的CB认证必须包含IEC62471(《关于蓝光对光源和灯具的危害评估的应用》)和IECTR62471-2(《灯和灯系统的光生物安全》)执行光生物安全测试。我国这方面的工作刚刚起步,这类产品的生物安全标准是否直接使用IEC国际标准,还是有国标发行,目前还不明确,显然,在健康考虑上是滞后的。

  综上所述,我们应尽快制定LED用于室内照明的光生物安全方面的标准,以引导LED产品进行相关的测试。这些测试项目应该包括:

  (1)儿童用LED光源的光生物安全评价;

  (2)灯具蓝光危害的测量。

  3.1.2 对灯的要求

  美国能源之星推荐的LED照明场合通常是窄光束的辅助照明场合,如厨房支架灯、筒灯、户外安装的壁灯和步道灯等,对于大规模的商用和家庭照明还在评估阶段。所以,利用LED灯方向性强、无红外线及紫外线等优点,完全可以选择合适的使用场合,而不是不考虑其长处和短处,在所有的场合都使用。对于家庭用LED照明,考虑到人的生物健康和安全,推荐使用低色温、加柔光罩、不直接见到光源的LED照明灯具,但这些灯的光效和显色性都不高,如果想营造1个较舒适的照明环境,还要使用高显色性LED作光源。

  3.2 道路照明

  使用LED作光源的道路照明必须考虑眩光控制。对光的要求应按照道路照明设计标准(CJJ45-91)规定的标准设计,超标准的设计施工会带来能源的浪费和光污染。

  按照CJJ45-91标准要求,道路照明设计要避免眩光,对于亮度在20000坎德拉/平方米以下的光源,应采用半透明漫反射,改善灯具发光面,降低其亮度;或用反射器、格片或反射器格片组合来遮挡光源,使光源无法直接进入人眼。遮光灯罩可以隐蔽光源,避免眩光。遮挡角与保护角之和为90°。为减少眩光,规定快速路、主干路必须采用截光型、半截光型灯具;次干路应采用半截光型灯具;支路宜采用半截光型灯具,布置仰角不宜超过15°,灯具最大光强方向和垂直夹角不宜超过65°等。

  目前,一些城市的新建道路照明工程中使用的很多LED灯具光源都能直接照射到驾驶者眼睛,由这种眩光引发的交通事故可能会增加。

  4.结束语

  白光LED存在大量蓝光,需要考虑其生物安全性。在使用节能光源LED的同时,应该在正确的场合选择合适的LED光源,不要让有害光毁掉LED照明的未来。