LED照明中藍(lán)光的光生物安全問題

　　節(jié)約能源是未來面臨的重要問題。LED作為1種新型綠色照明光源，必然是未來發(fā)展趨勢。但是，在LED開發(fā)過程中，照明設(shè)計(jì)人員對各種色光作用人的視覺產(chǎn)生的一系列心理、生理等諸方面效應(yīng)缺乏了解，以致帶來光生物安全方面的問題。

　　1.LED照明色空間的不均勻問題

　　1.1 過多藍(lán)光的問題

　　現(xiàn)今大多數(shù)照明用白光LED采用藍(lán)光芯片，其直接發(fā)出藍(lán)光，藍(lán)光激發(fā)YAG黃色熒光粉后，一部分轉(zhuǎn)化成黃光，與藍(lán)光一道合成白光。與三基色熒光粉發(fā)光合成的白光不同，同樣的相關(guān)色溫和色坐標(biāo)，LED的發(fā)射光中含有比三基色熒光燈多得多的藍(lán)光。首先，我們看一下LED的輸出光譜。目前主流GaN芯片的阻擋層及輻射光譜參數(shù)為：阻擋層電勢：2.62～2.74V，相應(yīng)的輻射光子能量：2.62～2.74eV，輻射譜中心波長：450～470nm，相應(yīng)視見函數(shù)分別為：0.091～0.038，輻射譜帶半寬度：30nm。

　　當(dāng)輻射譜激發(fā)YAG黃色熒光粉混合了藍(lán)光，形成一個(gè)發(fā)射光譜。黃色熒光粉不容易吸收藍(lán)色光子。如果按照450nm激發(fā)YAG的技術(shù)，要產(chǎn)生200lm/W的光效，轉(zhuǎn)換效率需達(dá)到60%。而目前普通水平的轉(zhuǎn)換效率只有20%～30%。因此，大量藍(lán)光就存在LED的輸出光譜中了。

　　各國照明組織一致認(rèn)為，4000K以上高色溫白光LED對人的生物安全和健康會帶來一定危害。根據(jù)全球照明協(xié)會白皮書(White Paper of the GLA)對相似色溫的LED、CFL和白熾燈光譜中藍(lán)光成分的分析可以看到，LED的藍(lán)光成分?jǐn)?shù)倍于熒光燈和白熾燈，而且還只是4000K色溫的LED，6500K藍(lán)光LED的藍(lán)光強(qiáng)度會更大，而且這還是在全球面求積分的條件下的數(shù)據(jù)。由于LED通常是窄光束，在投射區(qū)域光線特別集中，局部的藍(lán)光強(qiáng)度甚至可達(dá)同色溫?zé)晒鉄舻?0倍以上;同時(shí)也可以看到，色溫2700K且顯色指數(shù)80以上的高顯色白光LED的藍(lán)光輻射量比產(chǎn)生同樣光通量的熒光燈還要少。所以，色溫2700～3000K且顯色指數(shù)80以上的低色溫LED可以放心地在室內(nèi)使用。但這僅僅是作者的理論概念，實(shí)際上，簡單地以降低色溫的方法來抑制藍(lán)光是不科學(xué)的，會犧牲光效和顯色指數(shù)。缺乏紅光和綠光，顯色指數(shù)只能達(dá)到62～63，增加紅光和綠光的比例又勢必會增加成本，無疑對開發(fā)LED室內(nèi)照明產(chǎn)品有一定影響。要想在室內(nèi)照明領(lǐng)域得到與熒光燈一樣的照明效果，不能為降低成本而增加LED光源的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。遺憾的是，我國沒有任何LED開發(fā)公司對此作過風(fēng)險(xiǎn)評估。

　　1.2 不均勻色空間的產(chǎn)生

　　從普通LED發(fā)出白光的光譜可以看出，這種方法輸出白光的突出問題是，LED有光環(huán)效應(yīng)，在某些場合不受歡迎。這歸結(jié)于LED發(fā)出定向光，由黃色熒光粉轉(zhuǎn)換，存在朗伯(Lambertian)行為，也就是白光LED空間顏色均勻性問題。從法線方向上發(fā)出的藍(lán)光最強(qiáng)，而被粉所吸收和最少。從目前的測量方法看，我們在對LED光源進(jìn)行測量時(shí)，所得到的顯色指數(shù)只是色空間的平均顯色指數(shù)，同樣，得到的相關(guān)色溫值也只是光空間的平均色溫。這樣的色空間分布勢必會影響我們對物品真實(shí)顏色一致性的準(zhǔn)確判斷。

　　2.藍(lán)光的光生物學(xué)危害

　　2.1 目前的普遍共識

　　雖然LED的發(fā)展勢頭很好，但是其對人的健康、視力和生物效應(yīng)是必須考慮的。尤其是過多的藍(lán)光用于室內(nèi)照明，會對人的生理、心理和視神經(jīng)等產(chǎn)生一系列影響，這一結(jié)論早已被照明技術(shù)和光生物研究人員所接受。

　　照明，從目前研究結(jié)果來看，可以產(chǎn)生3種效應(yīng)：一是視覺效應(yīng)，以光的明度和顏色讓我們認(rèn)識世界，感知周圍物體以利于分析判斷;二是心理效應(yīng)，同樣是明度和色度可使人產(chǎn)生輕重、遠(yuǎn)近、冷暖、好惡的感覺，同時(shí)，不同的色光也影響我們的心情;三是生物效應(yīng)，可以控制我們的生物鐘，這就是為什么冬天會起床比較晚、夏天起床比較早的緣故。在可見光產(chǎn)生的光生物學(xué)效應(yīng)方面，當(dāng)數(shù)藍(lán)光最大。最普遍的共識是，當(dāng)藍(lán)光很強(qiáng)時(shí)人就沒有睡眠的欲望;相反，藍(lán)光很弱時(shí)則有利于人的睡眠。藍(lán)光輻射的峰值波長與視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害特征曲線和人體非視覺感光曲線有比較大的重合。因此、在室內(nèi)采用白光LED時(shí)，有人擔(dān)心會傷害視網(wǎng)膜、擾亂生物鐘。

　　2.2 藍(lán)光是1種褪黑激素抑制劑

　　褪黑激素(Melatonin)是人腦部深處像松果般大小的“松果體”分泌的1種胺類激素，以前有人叫它“松果體素”。褪黑激素是迄今發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的內(nèi)源性自由基清除劑，它參與抗氧化系統(tǒng)，防止細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷，在這方面，它的功效超過了已知的所有體內(nèi)物質(zhì)。最新研究證明，褪黑激素是內(nèi)分泌的總司令，它控制體內(nèi)各種內(nèi)分泌腺的活動。褪黑激素的作用主要有以下兩個(gè)方面：

　　(1)保護(hù)細(xì)胞防止病變。由于褪黑激素很容易進(jìn)入細(xì)胞，因此，可擔(dān)任保護(hù)細(xì)胞核DNA的任務(wù)。如果DNA受到損害就可能導(dǎo)致癌變。

　　(2)褪黑激素的分泌是有晝夜節(jié)律的。夜幕降臨后，光刺激減弱，松果體合成褪黑激素的酶類活性增強(qiáng)，體內(nèi)褪黑素的分泌水平也相應(yīng)增高，在凌晨2～3時(shí)達(dá)到高峰。夜間褪黑激素水平的高低直接影響睡眠質(zhì)量。隨著年齡增長，松果體萎縮直至鈣化，造成生物鐘的節(jié)律性減弱或消失，特別是35歲以后，體內(nèi)自身分泌的褪黑激素明顯下降，平均每10年降低10%～15%，導(dǎo)致睡眠紊亂以及一系列功能失調(diào)。褪黑激素水平降低、睡眠減少，是人類腦衰老的重要標(biāo)志之一。

　　由于白光LED中大量的藍(lán)光對褪黑色素的抑制，顯然會對健康產(chǎn)生不良影響。

　　2.3 藍(lán)光會使眼睛內(nèi)的黃斑區(qū)毒素量增高

　　這項(xiàng)研究源于2010年美國眼科學(xué)研究院的報(bào)告。報(bào)告認(rèn)為，藍(lán)光可以穿透晶狀體到達(dá)視網(wǎng)膜，對視網(wǎng)膜造成光化學(xué)損害，加速黃斑區(qū)細(xì)胞的氧化。因此，藍(lán)光被研究證實(shí)是可以照射到視網(wǎng)膜的最具有危害性的可見光。常見的可能危害眼睛的藍(lán)光存在于強(qiáng)日光、閃光燈和白光LED等的光線中。更需要注意的是：藍(lán)光的最大危害性風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生在嬰幼兒時(shí)期。因?yàn)樵?～2歲年齡段，約70%～80%的藍(lán)光會照射到視網(wǎng)膜;在2～10歲年齡段，約60%～70%的藍(lán)光會照射到視網(wǎng)膜。長時(shí)間暴露在藍(lán)光下會造成視網(wǎng)膜的退行性改變。

　　藍(lán)光的危害在臨床上表現(xiàn)為許多眼科疾病，如年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)，這也是全球主要的不可逆性致盲眼病之一。世衛(wèi)組織(WHO)愛眼協(xié)會公布：2006～2008年因藍(lán)光、輻射每年導(dǎo)致全球超過30000人失明，并在2009年底發(fā)出橙色預(yù)警：“藍(lán)光、輻射對人類的潛在隱性威脅將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過蘇丹紅、三聚氰胺、SARS、HINI流感病毒的破壞性，藍(lán)光輻射無形中吞噬著人的雙眼?！?/p>

　　中華醫(yī)學(xué)會眼科學(xué)分會數(shù)據(jù)顯示，中國有63.5%的網(wǎng)民因藍(lán)光、輻射有視力下降、白內(nèi)障、失明等不同程度的眼疾。德國眼科專家李查德·馮克(R.H.W.Funk)教授的研究報(bào)告指出：“當(dāng)不合適的光持續(xù)照射我們的眼睛，會引起功能失調(diào)，尤其是LED燈、電腦屏幕等發(fā)出的含有大量不規(guī)則頻率的高能短波藍(lán)光，這些短波藍(lán)光具有極高能量，能夠穿透晶狀體直達(dá)視網(wǎng)膜，對視網(wǎng)膜造成光化學(xué)損害，直接或間接導(dǎo)致黃斑區(qū)細(xì)胞的損害。”

　　2.4 藍(lán)光可導(dǎo)致白內(nèi)障術(shù)后的眼底損傷

　　隨著年齡的增長，人眼睛本身的晶狀體會逐漸偏黃，有助于過濾藍(lán)光;然而，白內(nèi)障手術(shù)后病人失去了這些天然屏障，藍(lán)光將直達(dá)視網(wǎng)膜，進(jìn)而損傷視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞，嚴(yán)重影響眼底健康。

　　2.5 藍(lán)光可引發(fā)視覺模糊

　　藍(lán)光射入眼底經(jīng)過聚焦后，焦點(diǎn)沒有落在視網(wǎng)膜上，而是落在視網(wǎng)膜與晶狀體之間。這就增大了光線在眼內(nèi)聚焦的色差距離。這一點(diǎn)可以從同樣距離的兩個(gè)同樣大小的紅、藍(lán)光標(biāo)志在我們眼睛上產(chǎn)生的距離感看到，藍(lán)光的距離就顯得稍近些，并且模糊些。這是由于眼內(nèi)焦點(diǎn)之間的距離造成的。所以，藍(lán)光的射入會加劇色差和視覺模糊度，使眼部肌肉過度緊張，從而導(dǎo)致視覺疲勞，引起視覺疲勞綜合癥。這就是LED、電腦顯示屏(VDT作業(yè))等對視力產(chǎn)生危害的真相。

　　2.6 藍(lán)光容易引發(fā)眩光

　　LED藍(lán)光的中心波長為450nm，具有較高的頻率和能量。而頻率較高的光線在遇到空氣中細(xì)小粒子時(shí)發(fā)生散射的幾率較高，藍(lán)光便成了“晃眼”的主要原因。目前，很多道路照明使用白光LED，設(shè)計(jì)不良的燈具在使用中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光引發(fā)駕駛安全問題的可能性大大增加，這一點(diǎn)常常是在道路照明設(shè)計(jì)上缺失的。藍(lán)光在汽車前燈照明中引起的眩光問題可能比任何眩光都更突出。為此，我們可以做1個(gè)實(shí)驗(yàn)，在以普通鹵鎢燈為光源的汽車前燈上覆蓋1層藍(lán)色濾光膜，紅光、黃光少了許多，但顯得更亮、更刺眼了，這就是藍(lán)色眩光。加了濾光膜的汽車前燈在路面上行駛，會給對面的車輛和行人造成極大的視覺不適應(yīng)，很容易引發(fā)交通事故。對此，國家交通部還曾發(fā)文要求立即無條件撕掉貼在汽車前燈上的這種所謂的“藍(lán)眼皮”。

　　在2012年長三角照明論壇上，有著名照明專家指出：有些白光LED道路照明設(shè)計(jì)中白光LED的光通量僅為高壓鈉燈光通量的30%～50%，更大的危害就是產(chǎn)生眩光。于是照明專家不禁提出疑問：這樣的照明設(shè)計(jì)符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)嗎?安全能保證嗎?這就是LED燈宣稱的比光效120lm/W的高壓鈉燈節(jié)能的依據(jù)嗎?對于目前不理智地開發(fā)LED照明，有專家甚至指出：政府大量盲目的資助，對LED的不理智開發(fā)起了推波助瀾的作用，對已經(jīng)發(fā)熱的頭腦起到進(jìn)一步加熱的作用，大量民間投資盲目跟風(fēng)，造成更加巨大的損失，反復(fù)的十城萬盞LED道路照明項(xiàng)目，使照明界陷入一片混亂，急功近利的戰(zhàn)略思維危害了LED的正常發(fā)展。

　　3.LED光生物安全的思考

　　3.1 室內(nèi)照明

　　3.1.1 光生物安全的檢測

　　LED照明開發(fā)方面出現(xiàn)的一系列光生物安全問題，是由于不能理智、科學(xué)地用光引起的。比如強(qiáng)烈的高色溫白光，用于室外環(huán)境照明，只要設(shè)計(jì)合理就問題不大;但用在室內(nèi)就不適合。現(xiàn)在應(yīng)該盡快拿出產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范，不能為了行業(yè)發(fā)展和商業(yè)利益而犧牲消費(fèi)者的健康。目前，銷往歐洲的LED產(chǎn)品，需要按照IEC/EN62471進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評級，自鎮(zhèn)流LED燈的CB認(rèn)證必須包含IEC62471(《關(guān)于藍(lán)光對光源和燈具的危害評估的應(yīng)用》)和IECTR62471-2(《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全》)執(zhí)行光生物安全測試。我國這方面的工作剛剛起步，這類產(chǎn)品的生物安全標(biāo)準(zhǔn)是否直接使用IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，還是有國標(biāo)發(fā)行，目前還不明確，顯然，在健康考慮上是滯后的。

　　綜上所述，我們應(yīng)盡快制定LED用于室內(nèi)照明的光生物安全方面的標(biāo)準(zhǔn)，以引導(dǎo)LED產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的測試。這些測試項(xiàng)目應(yīng)該包括：

　　(1)兒童用LED光源的光生物安全評價(jià);

　　(2)燈具藍(lán)光危害的測量。

　　3.1.2 對燈的要求

　　美國能源之星推薦的LED照明場合通常是窄光束的輔助照明場合，如廚房支架燈、筒燈、戶外安裝的壁燈和步道燈等，對于大規(guī)模的商用和家庭照明還在評估階段。所以，利用LED燈方向性強(qiáng)、無紅外線及紫外線等優(yōu)點(diǎn)，完全可以選擇合適的使用場合，而不是不考慮其長處和短處，在所有的場合都使用。對于家庭用LED照明，考慮到人的生物健康和安全，推薦使用低色溫、加柔光罩、不直接見到光源的LED照明燈具，但這些燈的光效和顯色性都不高，如果想營造1個(gè)較舒適的照明環(huán)境，還要使用高顯色性LED作光源。

　　3.2 道路照明

　　使用LED作光源的道路照明必須考慮眩光控制。對光的要求應(yīng)按照道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(CJJ45-91)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，超標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)施工會帶來能源的浪費(fèi)和光污染。

　　按照CJJ45-91標(biāo)準(zhǔn)要求，道路照明設(shè)計(jì)要避免眩光，對于亮度在20000坎德拉/平方米以下的光源，應(yīng)采用半透明漫反射，改善燈具發(fā)光面，降低其亮度;或用反射器、格片或反射器格片組合來遮擋光源，使光源無法直接進(jìn)入人眼。遮光燈罩可以隱蔽光源，避免眩光。遮擋角與保護(hù)角之和為90°。為減少眩光，規(guī)定快速路、主干路必須采用截光型、半截光型燈具;次干路應(yīng)采用半截光型燈具;支路宜采用半截光型燈具，布置仰角不宜超過15°，燈具最大光強(qiáng)方向和垂直夾角不宜超過65°等。

　　目前，一些城市的新建道路照明工程中使用的很多LED燈具光源都能直接照射到駕駛者眼睛，由這種眩光引發(fā)的交通事故可能會增加。

　　4.結(jié)束語

　　白光LED存在大量藍(lán)光，需要考慮其生物安全性。在使用節(jié)能光源LED的同時(shí)，應(yīng)該在正確的場合選擇合適的LED光源，不要讓有害光毀掉LED照明的未來。