您的位置:首页 > 学术交流

LED照明及其医学效应初步探讨

编辑:山东照明学会关键字: 效应 照明 医学 发布日期:2016-12-05 浏览: 次
上世纪九十年代初发明了蓝光LED,继后用蓝光作为激发光束,照射到黄色光荧光粉体上,部份蓝光转换成黄色光,最终得到蓝光和黄色光相混合的白色光。这种白光LED灯可用于普通照明领域,它是一种固体发光的照明光源,与传统白炽灯、荧光灯相比较,有着光效高、寿命长、可调光等优点。这是重大的科技突破,照明领域的大变革。

  在国家的大力推广和扶植下,我国LED产业发展异常迅速,应用领域十分广泛,业巳渗透到广告屏、装饰、景观、道路、车辆、船舶、商业、室内等照明领域;以及手机、计算机、电视机等液晶显示器的背光照明。国内LED生产企业众多,生产技术水平参差不齐,产品质量悬殊很大。在实际应用中,出现的问题也不少,尚未为人们所充分认可,其中眩光和光色最为突出,国内已有不少文章讨论了蓝光问题等1-3)。本文先讨论LED的工作特点,再讨论光色对人们的医学效应,能引起生产者和使用者充分认识,让LED照明产业健康发展。

 

1、LED照明光源

 

  发明白炽灯已有130多年,荧光灯已有78年的历史,人们已习惯于在这类光色照明环境中生活、学习、工作。而目前LED灯的照明光色环境尚未为人们充分接受,为此,应将光色特性尽量向前两类灯种靠近。

  为了较深刻地了解和认识LED光源的工作性能及其特点,为此先简要介绍节能荧光灯的工作性能要点,有利于彼此比较,加深对LED光源的理解。

 

1-1节能荧光灯的特性

 

  节能荧光灯都是利用汞原子在激发电离放电中,产生的254nm和少量185nm紫外线,照射到红、绿、蓝的三基色荧光粉上,可得到2700-6500K不同色温的照明光色。荧光灯是面发光,亮度均匀,沿玻管壁四周辐射。色温差小,工作状态稳定,产品一致性好等优点。其发光效率最高约110 Lm/W,一般为60-80 Lm/W;通常高色温灯的光效低,低色温灯的光效高。

  较优质的节能荧光灯产品,其工作寿命可达一万小时以上;绝大多数荧光灯只有六、七千小时左右。由于荧光灯的气体放电特性所决定,不能连续调光,而且调光幅度十分有限;从启动点亮到正常工作的时间较长,响应速度迟慢。还有荧光灯内的工作物质汞是有害物质,会造成环境污染。

 

1-2 LED 光源的工作特点

 

  LED 光源是当电流通过固态半导体而发光的器件,它有LED模块、组件、灯等类型,统称为COB(Chip on Board),这里仅讨论LED灯。

  现在,使用的普及型LED照明光源,都是用氮化镓(GaN)的芯片,发射450nm波长的蓝光,再激发荧光粉。蓝色光与黄色光合成的白光LED灯,其色温高、发光效率很高、显色性差等特点,可是其输出光中仍含有近50%的蓝色光。为了得到中、低色温的LED灯,将蓝色光束照射到红、绿色的稀土荧光粉体上,也能得到中、低色温的辐射光。如果调整好各色荧光粉的配比,那就得到高显色指数Ra=80-90的灯。但是,其发光效率降低,明显小于高色温的LED灯。显然,LED光源是色温高、光效高;色温低、光效低,它和荧光灯的特性相反。

  LED光源的发光面积很小,是点发光,表面亮度很高,光束为立体角很小的定向辐射。 LED辐射输出的光中,与原来的荧光灯等光源相比较,又含有甚多的蓝光,LED照明会让人感到剌眼不舒适。而且蓝光会对人类发生许多作用,如生化效应、生理物理效应、心理效应等,现在就叫做所谓“蓝光效应”。

 

1-3 LED 照明光源的应用

 

  LED光源的突出优点是高光效、长寿命,目前最高发光效率巳高达190Lm/W以上(国内约140Lm/W);理论上工作寿命约3-5万小时。受驱动电源的影响,实际上使用寿命在1-2万小时。当前在节能减排,保护环境的形势下,LED光源的节能特性是十分诱人。如果用LED电球来照明,替代用普通白炽灯泡的场合,则节能效果非常臣大。国内巳有LED球泡灯、筒灯、PAR灯、射灯等替代白炽灯。而与节能荧光灯相比较,光效提高不是很大,直管型LED灯和荧光灯管相比较,它的发光效率最多提高一倍;但是,LED灯可以进行连续调光,同样有利于节能降耗。

  LED光源的工作特性离散性较大,稳定性较差。当工作电流或环境温度有变化时,其发光效率和色温会有变化。在工作寿命过程中,光效会逐渐降低,而光色也会漂移。其次,半导体节点的耐温性能差,大多数LED光源备有散热部件。一旦节点温度过高,灯的工作稳定性变差,甚至失效,寿命缩短。十分明显,LED光源决不能在较高温度的环境中使用。

  市场大量销售的LED光源与节能荧光灯相比较,光色品质比较差。在许多LED照明的光环境中,常让人感觉到似光照剌眼的夏天。 目前国内市场的LED优质产品不多,有些低价劣质产品到处泛滥,则必将危害人类的健康。

 

2、视觉的光环境

 

  光对视觉而言,可为人类带来有益的信息,人体约80%的信息由视觉所获取。视觉决定着人的感觉,它首先关注的是颜色,也是视觉特征的珍贵功能。各人对色彩的感觉也有某些差异,因眼的机构所处的何种状态相关。

  人类在进化过程中,经受到各种各样的环境变化 ,其遗传基因也会随之变化,在逐步进化中而适应。但是,这种变化是十分缓慢的渐进过程,要适应光环境的变化,或许需要几代人。当前LED光源呈现的光色环境,变化很大,让人不易适应。

  近十多年来,由于白光LED光源广泛用于信息产业、室内外照明、交通运输等各领域。人们周围的光环境正处于大变革时期,变化异常急速 ,环境的光污染突显严重,人们的视觉较难适应,必感受到不舒适。值此,需要深入追索其因,釆取有效措施,研制出品质可靠的LED光源。如果技术不成熟的产品或劣质的LED照明产品,应尽力监控,不要进入照明市场,否则严重危害人类的健康。

 

3、 眼球的透光性

 

  在周围自然畀中,存在有紫外线、可见光、红外线光。其中人视觉能感觉到的为可见光,而眼球的透光性与光的波长相关。

 

3-1紫外线光

 

  远紫外线UV-C(<280nm)可被角膜所吸收;中紫外线UV-B(280-315nm)和近紫外线UV-A(315-380nm)为角膜和水晶体所吸收,UV-A有少量可到达眼底脉络膜。

  如果在强烈的紫外线照射下,角膜表层的上皮细胞会发生光化学反应,造成角膜开裂及上皮剥离的角膜炎。如电弧焊的眼炎、雪山上的雪眼炎,或者在紫外线杀菌灯下都会发生眼炎。在较弱的紫外线下,主要是水晶体受损,产生白内障。

 

3-2可见光

 

  可见光(380-780nm)被眼睛接受后,通过角膜、房水、水晶体、硝子体等,最后在视网膜上成像。其成像过程和照相机的成像过程相同,它和视神经、中枢神经构成视觉器官。眼睛接受到光信号后,传递给神经系统,它对环境的适应能力较强,能够修正中枢神经的数据。对LED照明而言,最关注的是蓝色光,具波长区域为380-550nm,光波峰值是450nm;其波长短,与其它可见光相比,容易透过眼球,抵达视网膜。如果温度较高,还会发生凝固效应,可会产生白内障。在现代日常生活中,有蓝光儿童玩具、激光指示嚣等,如果使用不当,会损伤视网膜、脉络膜,出现脱色素斑,严重破坏视觉功能。

 

3-3红外光

 

  红外线有近红外线IRA(780-1400nm)吸水性较差,而有优良的渗透性,可以可到达眼底 。中红外线IRB(1400-3000nm)和远红外线IRC(>3000nm)可被角膜、房水、水晶体、硝子体中的水份所吸收。例如玻璃加工手艺者、红外激光器的研究者等、常有发生白内障眼病。

 

4、眩光

 

  眩光主要决定于发光体的亮度,若发光体的光通量相同,发光面积越小,则表面亮度越高。LED光源的发光面积很小,亮度很高,就产生了所谓“眩光”。其次,光源的色温越高,含有蓝光越丰富,它渗透入眼睛的能力就强,剌激性大。若眼睛直视裸露光源时,十分明显地感受不舒适、注意力分散或视觉能力下降,它会伤害视网膜。

  如何降低眩光,是LED灯和灯具设计制造商应设法要做到的。在液晶显示器的LED背光源模板中,置有光的散射板,增大发光面积,又能将各发光点的光相互混合,得到亮度、色温均匀的平面光源。同样道理,在LED照明光源的光输出前方,配置散射的泡壳或管壳壁;或者在照明灯具的出光处,置有散射型盖板,增加发光面积,获得较均匀的辐射光,从而减少眩光污染。

 

5、蓝光效应与光生物安全性(光环境下的医学效应)

 

  LED照明光源是新生产业,技术上尚处于发展阶段。如果,人体长时间在LED的光照下,可能会发生光辐射安全问题。目前对人体引发各种效应的研究十分活跃,如视网膜损伤、觉醒障碍、睡眠障碍、生活节律障碍等光化学和生物效应,以及影响情绪、精神、情感、食欲、疲倦、镇静等的心理效应。为了防止安全隐患发生,IEC国际标准机构和国内的国家标准机构,巳制定颁布了《灯和灯系统的光生物安全性》。

  这里仅讨论蓝光效应,它巳得到一些有用的结果;而且LED光源与原有照明光源相比,最突出的差别在于蓝光丰富,对人体的影响最明显。

 

5-1 光化学作用与黄斑变性

 

  在视网膜中心成像的位置叫中心窝,即就是黄斑区。中心窝稍微下凹,在周围直径约200um范围内,存在着黄斑色素(或叫黄色色素);它是大量锥状细胞集中的地方,又集中了大量神经细胞,所以能很清楚看到物体的象。杆状细胞主要分布于中心窝的周边,数量约为锥状细胞10%。

  蓝光会引起光化学反应,损伤视网膜。它对视觉细胞的网膜色素和网膜色素的上皮细胞都会发生作用,产生重要氧化物。杆状、锥状层细胞膜的脂肪质也被氧化,致视觉细胞受损;而且,还将损害到视网膜神经的上皮层。

  随年令增长,在视网膜下产生的脉网膜的新生异常血管,或者视细胞的缓慢萎缩,都会造成黄斑变性。黄斑变性与遗传和环境因素都有着复杂的关系,然而,光的氧化作用是重要的基本要素。从白炽灯、荧光灯、至现在的LED灯照明;可以想像人类处在引发光障碍的蓝光之中,当前所受的曝露量大大增多。其次,现在的低令人群,观视液晶显示屏的机会大量增多,持续时间又长。将逐步损伤视觉功能,青少年的近视眼增多,将来进入老令(>50岁)时,引发致盲的黄斑变性眼病几率会增加。由于视力下降,色觉异常,发生阅读障碍,看不清物体的色彩,生活质量明显受损。据说该病发生几率与人种有关,白种人最高,黑种人最低,黄种人居中。为减轻眩光和蓝光等短波长光的吸收,也有选用特定的滤色眼镜防护。

 

5-2 生理效应

 

  不同的彩色光环境,会影响到人类的生理和心理情绪。近年来,因LED灯中的蓝光出现,担心其负面作用,从而利用色光(如彩色荧光灯)、白色光、单色光(单波长)照射,对人进行了生理测量研究。了解对自律神经系统和中枢神经系统的作用,从体温、血压、心跳、皮肤电导率GSR、脑电波a波的衰减系数AAC等来判定。

 

5-2-1镇静与觉醒

 

  在色光中,用蓝色荧光灯(宽波域)照明,它具有镇静作用,能用于预防自杀,防止犯罪等。浅蓝色光有利于病人退烧降温或降血压;让外伤病人克制冲动烦躁。红色光让人感觉剌眼醒目,激动兴奋, 精神递增。

  Kobayashi7)等用三种类型白色光,色温为3150K、5200K、6800K下照明试验时,得到在6800K日光色照明环境中,扩张血压(即低压)高于中性和暖白色的照明环境,表明前者对心脏有明显的觉醒作用。

  众所周知,高色温白光中含有较多蓝光,它能有效地提升脑功能的活动能力,振奋精神。若工厂生产车间选用较高色温照明,能提高生产效率,又有清晰的视觉环境。液晶屏的背光源都是高色温LED光源,可得到清晰的视屏。在低色温照明环境中,含有较多红光,让人温馨舒适,宁静轻松,食欲增强。家居生活照明中,应选择小于4000K的中、低色温光源,有利于休息和睡眠。

  就红、绿、蓝的单色光而言,对心脏的觉醒作用与白色光有相似的结果,即蓝光诱发的觉醒作用最强。

  上述含有蓝光的色光与白色光/单色光的特性相比较,完全有着相反的效果,为何造成其因,有待更多的深入研究。

 

5-3生物钟与褪黑素

 

  眼睛接受到光后,有第三种光接受细胞,所谓视网膜神经节细胞。光至视网膜后,经下丘脑通路,到上视交叉核(SCN),再由其自有的特定神经通路,连接至松果体,它是大脑生物钟的中枢。松果体会发生褪黑色激素的分泌,其变化会立即溶入流动的血液中,管控着体温调节、睡眠觉醒、自律神经系统等影响。昼夜节律感受嚣的光接受细胞,它的敏感度与发光体的光波能量和颜色密切相关,也就是光色和光照强度会关联到对褪黑色激素分泌的抑制作用。

  Morita8)等报导了红、绿、蓝三种色光,分别在照度1000Lx的照射下,对人体尿中褪黑色激素的代谢产物进行检测,能了解其所造成的影响。表明对褪黑色激素的抑制率红光很小,绿光最大,蓝光稍低,即蓝绿光抑制率大。用6500K和3000K的白色光,在同样照度下,表明前者的日光色对褪黑色激素抑制率约为暖白色的一倍。

  上述讨论可知,高色温的荧光灯或LED灯,其白色光中含较多的蓝、绿色光。有着较高的觉醒作用,可创造严肃清静的氛围。但是,对于深夜工作或熬夜的人群来说,若在高色温的光环境中,照度高、时间长,将严重抑制褪黑色激素的分泌,特别午夜后约3小时内,是人体褪黑色素的分泌的高峰期。如果长期不能按生物钟的规律生活,会发生睡眠障碍症,甚至严重伤害身体。

  对于季节性情感障碍症(SAD)者,大多在秋冬季节,特别在北方,日照时间短,睡觉时间长,食欲增强,体重增加,易出现抑郁症状。可用含蓝绿色光丰富的高色温的高功率光源,进行强光治疗,将抑制褪黑色激素分泌,提振精神。

  对于生物钟的光接受系统而言,在光辐射中,含有短波长较多的光,所产生的影响就大。其中宽波带的蓝色光有镇静作用;而含短波光较多的白色光或窄波的单色蓝光,都有着明显的觉醒作用。光与自律神经系统和中枢神经系统有着密切相关;反之,又对生物钟产生重要影响作用。

 

6、结束语

 

  LED是高效节能,长寿命光源,有着可调光和智能控制功能的第三代照明光源。近来,因市场价格大幅下跌,国内正快速向各领域、各部门渗透扩散。可是,LED光源所引发的光环境安全性,尚未为有关管理部门、企业、广大用户所认识及充分理解。

  就LED光源产生的眩光和蓝光效应来说,或许造成急性障碍的病症几率不多;但是,经历一段时间以后,才发现视觉功能变差。它是十分缓慢的积累过程,当迈入老令时,才发现视觉失明的症状。总而言之,让人感到不舒适的光照,会发生对眼睛的伤害。当然,对人们心理的影响或损害也应考虑,但是机理复杂,研究的可靠结论不多,有待往后的深入研讨。

  当前首先要注意应用的对象和场合,少年儿童尽量选用低色温LED照明,其眼球水晶体纯洁,高色温灯的富蓝光易渗透,致视网膜受损。中青年应以较高中色温为宣,老年人却喜欢较高色温照明,因其眼球水晶体巳产生混浊,视力巳变差,呈不同程度的白内障,阻碍着蓝光渗透。上述表明,蓝光对老年人的危害小,中青年人较大;对少年儿童的危害很大,最好选择色温≤3500K的高显色性的光源9)。

  居室内的生活照明应选用中、低色温的LED灯。而国内不少人习惯于高色温照明,则一定要选用高显色性的优质产品。对于高大厂房、大厅、室外道路或广场可用高色温灯,但必须控制眩光,力求照度分布均匀。特别要提醒,各类的液晶显器都有蓝光溢出,同样会抑制褪黑色激素的分泌,损伤视网膜。

  为了减轻LED灯的危害性,更寄望于制灯技术、材料、工艺的提升突破。如何让外泡壳或管壳内壁备有将光束均匀散射,减少眩光;同时,限控蓝光的输出,最好设法将蓝光进行二次转换,有效利用。

  感谢东南大学附属中大医院眼科刘君主治医师对本课题相关工作的支持。

  本文将我们的初浅认识进行了陈述,东南大学生物科学与医学工程系正在开展相关课题的深入研究,大数据分析技术将带来更多的科学依据,为提升国内LED照明的产品质量和发展,共同商榷。文中必有不妥之处,敬请指正。

 

  参考文献:

  (1)陈超中 施晓红 刘磊 白光LED的光生物作用特性 中国照明电嚣 2013 (4)

  (2)张跃敏 乔更新 LED照明中蓝光的光生物的安全问题 中国照明电嚣 2013 (6)

  (3)胡静慧 傅啸琪 谈LED照明蓝光危害与富蓝化光环境 中国照明电嚣 2013(11)

  (4)诸玉华 《节能荧光灯技术》 (培训讲义)

  (5)尾花 明 光 眼 障害 照明学会 (日文) 2013 (9)

  (6)高桥良香 青色光 生理面 及 作用 照明学会 (日文)2013 (9)

  (7) Kobayashi H,et Physiological Respones to Illuminace and Color Temperature of Light,The Annals of physiological anthropology 1992 (11-1) pp。45-49

  (8) Morita T,et Inhibitory Effect of Light of Different Wavelengths on the Fall of Core Temperature dueing the Nighttime,Japanese Journa of Physiology,

  1995 (45-4),pp。667-671

  (9) 诸玉华 潘有彬 严振志。 照明光色对儿童视力和情感的影响 中国长三角照明科技论坛论文集。 2005

学会简介 学会章程 学会领导 组织结构 学会文化 财务制度 服务指南 联系我们

山东照明学会  ·版权所有 地址:山东济南二环东路3966号东环国际广场B座25层
邮箱:sdzmxh@163.com 技术支持:济南百茗网络科技有限公司
Copyright©2016-2017 All rights reserved 鲁ICP备11018045号-1