LED藍光危害研究

趙介軍，喬 波，過 峰

(1.無錫出入境檢驗檢疫局，江蘇 無錫 214101；2.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江 杭州 310030)

?

LED藍光危害研究

趙介軍1，喬 波2，過 峰1

(1.無錫出入境檢驗檢疫局，江蘇 無錫 214101；2.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江 杭州 310030)

隨著人們對于照明產品光生物效應的關注，LED照明產品的光生物輻射安全問題，尤其是視網膜藍光危害已成為人們對于LED產品望而卻步的一個重要原因。通過研究LED的藍光危害，分析了LED藍光危害產生的原因和可能對人體造成的傷害。并通過實驗調研市場上LED照明產品的藍光危害現狀，闡述了如何正確的使用LED產品，從而有效避免藍光輻射危害。

藍光危害；視網膜；LED；光生物安全

引言

隨著人們對于健康的關注和對于光生物輻射效應的認識，與我們日常生活息息相關的照明產品的光生物輻射安全的關注度一直居高不下。全球大量的光生物學、醫(yī)學研究表明，現代照明光源具有與人體生物特征不一致、不和諧的效應，對人類的健康構成了新的威脅。兒童近視、視力退化、夜視力差、失眠、肥胖、荷爾蒙下降、生殖功能減退、乳腺癌、脫發(fā)、抑郁癥等，都與用“光”有密切關系。與此同時，LED照明產品借助產業(yè)資本和政府補貼政策的雙重推動，以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點得以迅速發(fā)展，并逐步開始進入室內照明。

在此背景下，人們對于LED照明產品的光生物輻射效應的關注與重視達到了前所未有的高度。那么，LED照明產品究竟會對人體造成何種傷害？

1 藍光光生物效應

藍光危害是由波長介于300nm與700nm的輻射照射后引起的光化學作用，通常會存在導致視網膜損傷的潛能。如果照射時間超過10s，這種損害機理起主要作用，而且是熱損害機理的數倍之多。

1.1 LED藍光的產生

白光LED技術可通過多種方式予以實現(如圖1所示)，主要有兩種：一是利用藍光技術與黃色熒光粉配合形成白光；二是多種單色光混合得到白光[1]。由于不同色彩LED的驅動電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此多色混合白光LED的制作方式復雜，成本較高。生產廠商普遍采用第一種技術。

圖1 白光LED技術Fig.1 Technology of white LED

目前主流采用的GaN芯片，輻射譜的中心波長為450nm～470nm，輻射譜帶的半寬度為30nm。當輻射譜激發(fā)YAG黃色熒光粉并且混合了藍光后，就會形成如圖2所示的典型白光LED光譜。從圖2中可以看出，不同色溫LED的發(fā)射光譜與激發(fā)黃色熒光粉的發(fā)光光譜的比例不同。高色溫LED光譜中藍光所占的比重明顯高于低色溫的LED。目前普遍認為4000K以上的高色溫白光LED會對人體造成光生物輻射的潛在危險。特別是當LED用于室內照明時， 由于與人體的接觸時間較長，建議采用2700K～3000K且顯色指數為80以上的低色溫LED。但是，由于低色溫LED的光效較低。所以，照明產品生產廠家為了追求光效和顯色指數，通過會提高產品的色溫，致使市場中存在較多高色溫、高顯色指數的產品。同時，為了追求高利用率的LED產品，出現了越來越多的大功率、高亮度的LED產品。這些產品通過增加二次光學設計元件，增加了光源的功率與亮度，但越來越窄的光束角和越來越亮的LED，也使得潛在的光生物輻射危害悄然增加[2～3]。

圖2 典型白光LED光譜Fig.2 Spectrum of typical white LED

2.2 藍光與人體健康

藍光作為白光LED中不可或缺的組成部分，可以穿透人眼的晶狀體到達視網膜，而對視網膜造成光化學損害。日本研究發(fā)現，所有大于20J·cm-2的藍光輻射，會導致明顯的眼底變化。而且人眼的晶狀體從形成開始，是伴隨著人的年齡增長而逐漸發(fā)育完全的。所以，發(fā)生藍光危害的最大風險在嬰幼兒時期。此時，還未發(fā)育完全的人眼晶狀體對于短波光譜輻射的透過率很高，是成年人眼的數倍，短波的藍光更容易通過此類人的晶狀體達到視網膜，從而會加速視網膜黃斑區(qū)細胞的氧化。成年人眼晶狀體雖然對藍光具有較低的透過率，但長時間暴露在藍光下仍然會造成視網膜的退行性改變，形成光致視網膜炎[4]。

2 藍光輻射安全的評價與測量

國際標準化組織IEC TC76于2006年根據CIE S: 009技術報告，制訂了IEC 62471“燈和燈系統(tǒng)光生物安全”國際標準，規(guī)定了視網膜藍光的光化學損傷。IEC隨后也專門針對燈具和光源的藍光危害制訂了IEC 62778技術報告。我國也陸續(xù)完成了半導體發(fā)光二極管的器件和模塊的要求與等級分類方法和測試方法標準的制訂。標準中根據危害程度不同分為四個等級，RG0“免除類”、RG1“低危險”、RG2“中度危險”和RG3“高危險”。對于達到RG0“免除類”的LED產品，正常人眼可以長時間(10000秒)直視，而不會造成視網膜光化學傷害。

對于藍光危害的測量，通常采用測量被測樣品輻亮度的方法予以實現。當被測樣品為小光源時(對邊角小于0.011弧度)，可以采用測量輻照度的代替方法。輻亮度通常采用點成像輻射亮度計和面成像輻射亮度計(例如CCD相機)測量。在新制定的半導體發(fā)光二極管測試方法中，建議采用光譜輻亮度方法進行測量，輻射亮度計的光譜范圍應覆蓋300nm～700nm。如果采用CCD面成像輻亮度測量方法，輻亮度值需進行光譜系數校正。當采用不同曝光時間進行測量時，響應的線性需作校正。同時，成像輻射亮度計的測量視場應該與輻射危害分類等級相對應的視場角(如100毫弧度、11毫弧度等)一致，接收孔徑為7mm。對于在不同距離測量時，成像輻射亮度計的視場角和接收孔徑應保持不變。

3 藍光危害調研實驗

3.1 實驗樣品與裝置

通過在超市、市場、網購等途徑，隨機選取了市售的常見類型和規(guī)格LED燈樣品共9只，進行了樣品的藍光輻射測量與評價。測試樣品如表1所示。

表1 實驗樣品Table 1 Test sample

實驗裝置采用由杭州浙大三色儀器有限公司生產的光生物安全輻射測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光譜輻射分析儀、視網膜亮度計和校準源組成，結構如圖3所示。為了能夠有效測量被測樣品對人眼造成的潛在危險，實驗使用的視網膜亮度計采用了完全模擬人眼光學系統(tǒng)的測量結構，包括模擬人眼瞳孔的φ7mm光闌，模擬視網膜成像的200萬像素CCD相機。同時，有效模擬人眼觀察光源不同持續(xù)時間所對應的1.7mrad、11mrad和100mrad的視場角變化，并在測量距離改變過程中測量視場角保持恒定[5]。

圖3 光生物輻射安全實驗裝置結構圖Fig.3 Structure of the experimental device

3.2 實驗結果

根據IEC 62471標準定義的測試方法和安全等級分類方法，對9個被測分別進行了測試，并根據測試結果對其進行了光生物輻射安全的危險等級分類。結果如表2所示。

表2 樣品測試結果及危險等級分類Table 2 Sample test results and risk level classification

在光生物輻射安全測試中，被測樣品最終的危險等級是依據所有危害類型中，危險等級最高的一項來進行評定的。對于24號和25號被測樣品來說，雖然其他5個危害類型的危險等級均為RG0，但由于藍光危害為RG2，則該被測樣品最終的危險等級仍然會被歸為RG2。

結合表1和表2可以看出，在測試的9只LED燈具中，LED球泡燈、LED PAR燈、LED燈管、LED壁燈和筒燈都劃分為無危險等級；LED投光燈和LED射燈被劃分為低危險；2只LED手電筒則被劃分為中度危險等級。藍光危害潛在風險的存在，致使ES、EUVA、LR、LIR和EIR均處于無危險等級的被測樣品最終的危險等級被評定為低危險或者中度危險。這說明藍光危害對LED產品的光生物安全危險等級的評定具有至關重要的作用。同時，藍光危害的風險可能會隨著樣品光束角的減小而增高。

4 結論

藍光危害已經成為人們日益關注的照明安全問題。此次調研的市售LED產品，也基本覆蓋常用的室內照明產品。從測試結果來看，現階段市場上的LED產品，總體上還是符合光生物安全標準的。

但是當前的LED產品還未形成規(guī)范有序的市場秩序，魚龍混雜、以次充好的產品仍然存在。為了促進LED照明產業(yè)的進一步發(fā)展與升級，必須盡快完善標準，發(fā)展和改進LED照明技術，規(guī)范LED的市場。同時，LED產品制造商也有責任通過標識的方式指導用戶正確使用照明產品，例如不能擅自更改產品的外形結構，拆除燈具的配件、罩殼等，也不能更改它們的用途，在安裝上要嚴格按照要求來安裝燈具。對于窄光束的LED產品應有不能用眼睛直視光源的警示。照明產品生產廠家要嚴格執(zhí)行標準中標記的要求，對一些需要標記的產品進行警告標記或提醒提示。

[1] Steranka F M, Bhat J, Collins D， et al. High Power LEDs-Technology Status and Market Applications[J].Phys. Stat.Sol.,2002,194 (2):380-388.

[2] IEC.IEC 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance on manufacturing requires relating to non-laser optical radiation safety[S].IEC,2009.

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準的管理委員會. GB/T 30117.2燈和燈系統(tǒng)的光生物安全 第2部分：非激光光輻射安全相關制造要求指南[S].北京：中國標準出版社，2013.

[4] 喬波, 程麗玲. 光生物輻射危害解讀[J]. 照明工程學報, 2013, 24(增刊): 61-65.

[5] 過峰, 喬波, 趙介軍. 光生物輻射安全測量技術[J]. 照明工程學報, 2014,25(4):45-49.

國際照明委員會第28屆大會 (CIE 2015)征文通知

國際照明委員會第28屆大會(CIE 28th Session)將于2015年6月28日—7月4日在英國曼切斯特市曼切斯特大學舉行。同時，聯合國大會已宣布2015年為國際光年，曼切斯特作為CIE大會舉辦地，必將是全球的聚會。組委會現向全世界范圍內從事光與照明相關工作的人員征集論文。

提交論文的要求是：未在正式刊物發(fā)表過的研究工作和成果報告及科技論文；內容在國際照明委員會7個分部和技術委員會范圍之內，包括顏色和視覺、光和輻射的測量、室內照明與設計、交通運輸照明和光信號、室外照明及應用、光生物和光化學、圖像技術等。

衷心邀請我國照明領域從事科研、教育和生產單位的廣大照明科技工作者積極關注和參與這一盛事，并請按照征文的要求提交原創(chuàng)英文科技論文摘要。論文摘要提交截止日期是2014年12月1日，錄用通知發(fā)放日期是2015年2月15日前。另外，組委會要求收到文章錄用通知的作者于2015年3月31日前注冊參會，否則文章取消錄用。

有關會議的具體詳細內容請登陸CIE官方網站的會議頁面http://session2015.cie.co.at/。

目前大會的論文摘要在線提交系統(tǒng)已經開通，請登錄以下鏈接查看有關的論文格式要求和摘要提交流程http://session2015.cie.co.at/abstract_submission。

Research of LED Blue Light Hazard

Zhao Jiejun1, Qiao Bo2, Guo Feng1

(1.WuxiEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,Wuxi214101,China;2.SENSINGInstrumentsCo.,Ltd.,Hangzhou310030,China)

LED lighting products with its beneficial characteristics, such as energy saving, environmental protection, long life, small size, and etc, have gradually entered people’s life. People started to care about the photobiological effects of lighting products. The photobiological radiation safety of LED lighting products, especially the retinal blue light hazard has become an important reason why people do not choose LED products. This paper analyzed the reasons and their possible harms to the human body which may be caused by LED blue light hazard. And by performing research on current situation of LED lighting products blue light hazard in market, it described how to properly use LED products so as to effectively prevent blue light hazards.

blue light hazards; retinal; LED; photobiological safety

江蘇出入境檢驗檢疫局《LED照明電器光生物安全的研究》課題項目(計劃編號：2013KJ14)

TB17

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.016