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硬核科普 | 你应该知道的6个 LED 光生物安全理论


摘要: 因此,本文拟从光生物安全的概念、类型、测量方法、影响因素、实际效果等几个方面,对光生物安全进行分析和阐述,力求溯本清源,排除一些过度宣传给人们带来的固有印象。

本文拟从光生物安全的概念、类型、测量方法、影响因素、实际效果等几个方面,对光生物安全进行分析和阐述,力求溯本清源,排除一些过度宣传给人们带来的固有印象。其中不妥之处,还请读者指正。

1、光生物效应

讨论光生物安全问题,首先要讨论清楚光生物效应。不同学者对光生物效应的内涵界定有所不同,广泛的光生物效应,可以指代光与生物体之间相互联系的各种作用。在本文中,我们仅讨论由光引起的人体的生理反应。


  光生物效应对人体的影响是多方面的,按照光生物效应的作用机理和产生的结果不同,可大致分为光的视觉效应、光的非视觉效应、光的辐射效应等三大类。



 光的视觉效应是指光引起视觉的作用,是光的最基本效应。光视觉健康是照明的最基本要求。影响光的视觉效应的因素包括光的亮度、空间分布、显色性、眩光、颜色特性、闪烁特性等,会造成眼睛疲劳、视力模糊以及在视觉相关作业方面的效率下降等危害(图1)。

光的非视觉效应指光引起人体除视觉外的其他生理、心理反应,与人们的工作效率、安全感、舒适感、生理和情绪健康等有关。光的非视觉效应的研究起点较晚,但发展十分迅速。在如今的照明质量评价体系中,光的非视觉效应已经成为了不可忽略的重要因素(图2)。

      

光的辐射效应,是指不同波段的光辐射对人的皮肤、角膜、晶状体、视网膜等部位产生作用而导致人体组织受到损伤。光的辐射效应,按照其作用机理,可分为光化学伤害和热辐射伤害两类,具体而言,包括光源的紫外光化学危害、视网膜蓝光危害、皮肤热危害等各类危害。



  人体在一定程度上可以抵御或修复这些伤害带来的影响,但当光辐射效应达到一定的限值后,人体的自我修复能力就不足以修复这些损伤,损伤会进行积累从而产生不可逆的影响,如视力衰退、视网膜病变、皮肤损伤等。



     总体来说,人体健康与光环境之间存在着复杂的多因素交互作用和正负反馈机制。光对于生物的作用,尤其是对人体产生的生物效应,与光的波长、强度、作用条件、生物体的状态等多种因素有关。


  对光生物效应进行研究的目的,就是探究光生物效应的作用结果与光环境及生物体状态之间的相关因素,识别出其中损害健康的风险因素和能够加以应用的有利方面,趋利避害,使光学与生命科学能够进行深度融合。


2、光生物安全

  光生物安全的概念,有狭义和广义两种理解方式。狭义的“光生物安全”,是指光的辐射效应带来的安全性问题,广义的“光生物安全”,是泛指光辐射对人体健康产生的安全性问题,囊括光的视觉效应、光的非视觉效应、光的辐射效应。


  在现有的光生物安全的研究体系中,光生物安全的研究对象,是照明或显示设备,光生物安全的作用对象,是人体的眼睛或皮肤等器官,表现为一些生理参数如体温、瞳孔直径等的变化。对光生物安全的研究,主要是围绕光源产生光生物安全辐射的测量与评价、光辐射与人体反应之间的定量化关系、对光生物安全辐射的限制标准和防护方法这三个大方向展开研究。


  不同的光源产生的光辐射,存在光辐射的强度、空间分布和光谱等差异。随着照明材料和智能照明技术的发展,LED 光源、OLED 光源、激光光源等新型智能光源将逐渐在家居、商业、医疗、办公或特种照明场景展开应用。新型智能光源与传统光源相比,辐射能量更强,光谱特异性更高,因此,光生物安全研究的前沿方向之一就是对新型光源的光生物安全性进行测量方法或评价方法的研究,如汽车激光前照灯光生物安全性研究、半导体照明产品人因健康舒适度评价体系研究等。


  不同波长的光辐射作用于不同的人体器官或组织,导致的生理反应也存在差异。由于人体是一个复杂的系统,因此对光辐射与人体反应之间的关系进行定量地描述,也是光生物安全研究的前沿方向之一,如光对人体生理节律的影响及应用研究、触发非视觉效应的光强剂量问题等等


  对光生物安全展开研究的目的,是避免人体受到光辐射带来的危害。因此,根据对光源的光生物安全性和光生物效应的研究结果,提出相应的照明标准、防护方法,提出安全、健康的照明产品设计方案,也是光生物安全研究的前沿方向之一,如大型载人航天器的健康照明系统设计、健康照明和显示系统研究、蓝光防护膜的光健康与光安全应用技术研究等。


3、光生物安全波段和机理



  光生物安全所涉及的光辐射波段范围, 主要是200nm-3000nm 的电磁波。按照波长进行分类,光辐射可主要分为紫外辐射、可见光辐射、红外辐射。不同波长的电磁辐射所产生的生理效应并不完全相同(图3)。

紫外辐射,是指波长为100nm-400nm的电磁辐射。人的眼睛不能感知紫外辐射的存在,但紫外对人的生理有着很大影响。紫外线照射皮肤时,会引起血管扩张,出现红斑,长时间照射会引起皮肤干燥、失去弹性和老化。紫外线照射眼睛时,可能会引起角膜炎、结膜炎、白内障等,对眼睛造成损伤。



  可见光辐射, 通常指波长为380-780nm 的电磁波。可见光对人体的生理效应主要包括对皮肤的烧伤、产生红斑,对眼睛的损伤如热损伤、日光视网膜炎等。尤其是400nm-500nm 的高能量蓝光,可以对视网膜产生光化学伤害,加速黄斑区细胞的氧化。因此,一般认为蓝光是最具危害的可见光。

      红外辐射,是指波长为700nm-1mm 的电磁辐射。人的眼睛同样不能感知红外辐射的存在,但红外辐射可以通过热效应对人体产生影响。红外线照射皮肤时,会被皮下组织吸收而使局部加热,引起皮肤急性灼伤。在照射面积较大、时间较长时,人体会因过热出现全身症状,甚至发生中暑。红外照射人眼会引起角膜和瞳孔括约肌的损伤,引起眼睛不适或疼痛等(见表1)。

通常认为,光生物作用机理主要存在两种形式:光化学作用机制和热辐射作用机制(图4)。

在光化学作用中,细胞分子中的电子吸收一些特定波长的光子后会激发电子跃迁,从而导致该区域的化学键断裂和重组,进而对 DNA 产生影响。热反应的机理则是某些部位吸收了光,



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4、光生物安全类型

  狭义的“光生物安全”,指光的辐射效应的安全性,关注的是光源和灯具带来的光辐射危害,主要涉及 200nm-3000nm 波段。光辐射危害按照对人体的作用部位,可划分为对眼睛前表面(角膜、结膜和晶状体)、视网膜和对皮肤的危害。对眼睛前表面的危害主要涉及包括光化学紫外危害、眼睛的近紫外危害、眼睛的红外辐射危害。


  对视网膜的危害主要涉及视网膜蓝光危害、蓝光小光源危害、视网膜热危害、视网膜热微弱危害等,实际造成的伤害主要有角膜炎、结膜炎、白内障、视网膜灼伤、角膜灼伤、前房水分蒸发等。


  对皮肤的危害主要涉及皮肤的光化学危害和皮肤热危害,实际造成的伤害主要有皮肤晒黑、紫外红斑、皮肤老化、皮肤癌等


贵州快3计划   具体而言,光化学紫外危害指紫外波段对皮肤和眼睛产生的总曝辐量,用光化紫外辐照度进行评价。


  眼睛的近紫外危害,特指光谱范围在315nm-400nm 的紫外线对眼睛的总曝辐量,用近紫外辐照度进行评价。


  视网膜蓝光危害,指400nm-500nm 蓝光辐射引起的对视网膜的光化学损伤,用蓝光加权辐亮度进行评价。


  视网膜蓝光小光源危害, 同样是指400nm-500nm 蓝光辐射引起的对视网膜的光化学损伤,但其与视网膜蓝光危害的区别在于,对于小光源(对边角小于0。011rad)来说,评估其对视网膜的蓝光危害程度只能用蓝光加权辐照度进行评价。


  视网膜热危害,指光谱范围主要集中在380nm-1400nm 范围内的光谱辐射对视网膜的热化学反应,用热危害加权辐亮度评价。


  视网膜热微弱危害,是指相对微弱的红外热源或近红外光源对视网膜的微弱视觉刺激。微弱视觉刺激被定义为最大亮度低于10cd/m2 的视觉刺激,视网膜微弱危害用近红外辐亮度评价,由于认为光源的亮度是微弱的,所以曝辐限值是基于7mm 直径的瞳孔得到的。


  眼睛的红外辐射危害,指红外辐射对眼睛的伤害,主要是对眼睛整体的热辐射伤害,因此采用红外辐照度进行评价(见表3)。

皮肤热危害,指热辐射对皮肤带来的损伤,采用单位面积上的热辐射功率进行评价。



  以上8 种危害是各类光生物安全标准中所涵盖的光辐射危害,通过对以上8 种危害分别测量光化紫外辐照度、近紫外辐照度、蓝光辐亮度、蓝光小光源辐亮度、视网膜热危害辐亮度、视网膜的热微弱视觉刺激辐亮度、眼睛的红外辐照度、皮肤热辐射功率,并根据测量结果进行评定,即可对光源的光生物安全进行评价。



5、光生物安全危害评价


  对一个光源或灯具的光生物安全的评价,就是对各种光生物安全危害的相关指标进行测量,通过将测量的结果与曝辐限值进行对比,将灯和灯系统划分为不同的等级

  基于ICNIRP 的非相干光源导则,灯和灯系统被划分为豁免、1 类危险(低危险)、2 类危险(中度危险)、3 类危险(高危险)。不同波段光生物安全的发射限如表4 所示。

若测量结果低于豁免发射限,则为豁免级;若测量结果介于豁免发射限和低危险发射限,则为1 类危险级;若测量结果介于低危险发射限和中度危险发射限,则为2 类危险级;若测量结果大于中度危险发射限,则为3 类危险。



 不同危害等级的灯具或光源,必须在灯具上粘贴有相对应的危害等级标签,以提示使用者。


  此外,对于不同的危害等级,应采取相应的防护措施,避免受到光辐射危害。


6、光生物安全实际效果


 光生物安全检测,在2018年已纳入强制检测范畴。因此,对于灯具的生产商而言,在光生物安全方面,在设计、制造之处,就务必提高重视程度。


  曾有相关报道,我国生产出口欧洲的玩具灯因光生物安全不合规而在欧洲口岸被拒收,导致了巨大的经济损失。对于检测人员而言,应该充分了解检测要求和技术,做好质量管控,帮助企业提高设计水平。对于消费者而言,则应该正视光生物安全问题,不必产生恐慌情绪。


  在光生物安全问题中,对于热辐射作用通常不需要特别关注,这是因为按常理来讲,当人体受到过强热辐射时,是能够感知到的,此时人体自然就会逃离这种环境。对于光化学作用,由于其是对细胞产生的作用,在危害积累过程中,人体是无法感知这种伤害的,因此有必要做好防护工作。


  然而无论是传统照明光源,还是LED等新型光源,乃至于各种电子显示器件,其能够导致的光生物安全问题都很难达到产生危害的程度。实际上,有研究表明,各种人造光源能够带来的光生物安全问题都不会超过太阳所带来的影响,所以在大部分情况下,不必对光生物安全问题做特别的防护。


贵州快3计划   但需要注意的是,儿童的眼睛透过率比成人更高,因此更容易受到光生物安全所带来的危害。此外,对于光源的检修人员,在检修作业时,也存在受到危害的可能性。因此在这几种场景中,需要注意对光生物安全进行防护。


  对光生物安全进行防护,实际上减少接受光生物安全的剂量即可。对于光生物安全进行防护的方法非常简单,首先是在必要的情况下,使用防护服或防护眼镜阻隔光线,其次,如果没有条件对光线进行阻隔,就应该尽量减少处于此种光环境中的时间。简单来说,如果要保护眼睛免受光生物安全影响,就是三点:戴墨镜、多休息、没事别看灯。

 
 

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