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          LED照明及其醫學效應初步探討

          編輯:山東照明學會關鍵字: 效應 照明 醫學 發布日期:2016-12-05 瀏覽: 次
          上世紀九十年代初發明了藍光LED,繼后用藍光作為激發光束,照射到黃色光熒光粉體上,部份藍光轉換成黃色光,最終得到藍光和黃色光相混合的白色光。這種白光LED燈可用于普通照明領域,它是一種固體發光的照明光源,與傳統白熾燈、熒光燈相比較,有著光效高、壽命長、可調光等優點。這是重大的科技突破,照明領域的大變革。

            在國家的大力推廣和扶植下,我國LED產業發展異常迅速,應用領域十分廣泛,業巳滲透到廣告屏、裝飾、景觀、道路、車輛、船舶、商業、室內等照明領域;以及手機、計算機、電視機等液晶顯示器的背光照明。國內LED生產企業眾多,生產技術水平參差不齊,產品質量懸殊很大。在實際應用中,出現的問題也不少,尚未為人們所充分認可,其中眩光和光色最為突出,國內已有不少文章討論了藍光問題等1-3)。本文先討論LED的工作特點,再討論光色對人們的醫學效應,能引起生產者和使用者充分認識,讓LED照明產業健康發展。

           

          1、LED照明光源

           

            發明白熾燈已有130多年,熒光燈已有78年的歷史,人們已習慣于在這類光色照明環境中生活、學習、工作。而目前LED燈的照明光色環境尚未為人們充分接受,為此,應將光色特性盡量向前兩類燈種靠近。

            為了較深刻地了解和認識LED光源的工作性能及其特點,為此先簡要介紹節能熒光燈的工作性能要點,有利于彼此比較,加深對LED光源的理解。

           

          1-1節能熒光燈的特性

           

            節能熒光燈都是利用汞原子在激發電離放電中,產生的254nm和少量185nm紫外線,照射到紅、綠、藍的三基色熒光粉上,可得到2700-6500K不同色溫的照明光色。熒光燈是面發光,亮度均勻,沿玻管壁四周輻射。色溫差小,工作狀態穩定,產品一致性好等優點。其發光效率最高約110 Lm/W,一般為60-80 Lm/W;通常高色溫燈的光效低,低色溫燈的光效高。

            較優質的節能熒光燈產品,其工作壽命可達一萬小時以上;絕大多數熒光燈只有六、七千小時左右。由于熒光燈的氣體放電特性所決定,不能連續調光,而且調光幅度十分有限;從啟動點亮到正常工作的時間較長,響應速度遲慢。還有熒光燈內的工作物質汞是有害物質,會造成環境污染。

           

          1-2 LED 光源的工作特點

           

            LED 光源是當電流通過固態半導體而發光的器件,它有LED模塊、組件、燈等類型,統稱為COB(Chip on Board),這里僅討論LED燈。

            現在,使用的普及型LED照明光源,都是用氮化鎵(GaN)的芯片,發射450nm波長的藍光,再激發熒光粉。藍色光與黃色光合成的白光LED燈,其色溫高、發光效率很高、顯色性差等特點,可是其輸出光中仍含有近50%的藍色光。為了得到中、低色溫的LED燈,將藍色光束照射到紅、綠色的稀土熒光粉體上,也能得到中、低色溫的輻射光。如果調整好各色熒光粉的配比,那就得到高顯色指數Ra=80-90的燈。但是,其發光效率降低,明顯小于高色溫的LED燈。顯然,LED光源是色溫高、光效高;色溫低、光效低,它和熒光燈的特性相反。

            LED光源的發光面積很小,是點發光,表面亮度很高,光束為立體角很小的定向輻射。 LED輻射輸出的光中,與原來的熒光燈等光源相比較,又含有甚多的藍光,LED照明會讓人感到剌眼不舒適。而且藍光會對人類發生許多作用,如生化效應、生理物理效應、心理效應等,現在就叫做所謂“藍光效應”。

           

          1-3 LED 照明光源的應用

           

            LED光源的突出優點是高光效、長壽命,目前最高發光效率巳高達190Lm/W以上(國內約140Lm/W);理論上工作壽命約3-5萬小時。受驅動電源的影響,實際上使用壽命在1-2萬小時。當前在節能減排,保護環境的形勢下,LED光源的節能特性是十分誘人。如果用LED電球來照明,替代用普通白熾燈泡的場合,則節能效果非常臣大。國內巳有LED球泡燈、筒燈、PAR燈、射燈等替代白熾燈。而與節能熒光燈相比較,光效提高不是很大,直管型LED燈和熒光燈管相比較,它的發光效率最多提高一倍;但是,LED燈可以進行連續調光,同樣有利于節能降耗。

            LED光源的工作特性離散性較大,穩定性較差。當工作電流或環境溫度有變化時,其發光效率和色溫會有變化。在工作壽命過程中,光效會逐漸降低,而光色也會漂移。其次,半導體節點的耐溫性能差,大多數LED光源備有散熱部件。一旦節點溫度過高,燈的工作穩定性變差,甚至失效,壽命縮短。十分明顯,LED光源決不能在較高溫度的環境中使用。

            市場大量銷售的LED光源與節能熒光燈相比較,光色品質比較差。在許多LED照明的光環境中,常讓人感覺到似光照剌眼的夏天。 目前國內市場的LED優質產品不多,有些低價劣質產品到處泛濫,則必將危害人類的健康。

           

          2、視覺的光環境

           

            光對視覺而言,可為人類帶來有益的信息,人體約80%的信息由視覺所獲取。視覺決定著人的感覺,它首先關注的是顏色,也是視覺特征的珍貴功能。各人對色彩的感覺也有某些差異,因眼的機構所處的何種狀態相關。

            人類在進化過程中,經受到各種各樣的環境變化 ,其遺傳基因也會隨之變化,在逐步進化中而適應。但是,這種變化是十分緩慢的漸進過程,要適應光環境的變化,或許需要幾代人。當前LED光源呈現的光色環境,變化很大,讓人不易適應。

            近十多年來,由于白光LED光源廣泛用于信息產業、室內外照明、交通運輸等各領域。人們周圍的光環境正處于大變革時期,變化異常急速 ,環境的光污染突顯嚴重,人們的視覺較難適應,必感受到不舒適。值此,需要深入追索其因,釆取有效措施,研制出品質可靠的LED光源。如果技術不成熟的產品或劣質的LED照明產品,應盡力監控,不要進入照明市場,否則嚴重危害人類的健康。

           

          3、 眼球的透光性

           

            在周圍自然畀中,存在有紫外線、可見光、紅外線光。其中人視覺能感覺到的為可見光,而眼球的透光性與光的波長相關。

           

          3-1紫外線光

           

            遠紫外線UV-C(<280nm)可被角膜所吸收;中紫外線UV-B(280-315nm)和近紫外線UV-A(315-380nm)為角膜和水晶體所吸收,UV-A有少量可到達眼底脈絡膜。

            如果在強烈的紫外線照射下,角膜表層的上皮細胞會發生光化學反應,造成角膜開裂及上皮剝離的角膜炎。如電弧焊的眼炎、雪山上的雪眼炎,或者在紫外線殺菌燈下都會發生眼炎。在較弱的紫外線下,主要是水晶體受損,產生白內障。

           

          3-2可見光

           

            可見光(380-780nm)被眼睛接受后,通過角膜、房水、水晶體、硝子體等,最后在視網膜上成像。其成像過程和照相機的成像過程相同,它和視神經、中樞神經構成視覺器官。眼睛接受到光信號后,傳遞給神經系統,它對環境的適應能力較強,能夠修正中樞神經的數據。對LED照明而言,最關注的是藍色光,具波長區域為380-550nm,光波峰值是450nm;其波長短,與其它可見光相比,容易透過眼球,抵達視網膜。如果溫度較高,還會發生凝固效應,可會產生白內障。在現代日常生活中,有藍光兒童玩具、激光指示囂等,如果使用不當,會損傷視網膜、脈絡膜,出現脫色素斑,嚴重破壞視覺功能。

           

          3-3紅外光

           

            紅外線有近紅外線IRA(780-1400nm)吸水性較差,而有優良的滲透性,可以可到達眼底 。中紅外線IRB(1400-3000nm)和遠紅外線IRC(>3000nm)可被角膜、房水、水晶體、硝子體中的水份所吸收。例如玻璃加工手藝者、紅外激光器的研究者等、常有發生白內障眼病。

           

          4、眩光

           

            眩光主要決定于發光體的亮度,若發光體的光通量相同,發光面積越小,則表面亮度越高。LED光源的發光面積很小,亮度很高,就產生了所謂“眩光”。其次,光源的色溫越高,含有藍光越豐富,它滲透入眼睛的能力就強,剌激性大。若眼睛直視裸露光源時,十分明顯地感受不舒適、注意力分散或視覺能力下降,它會傷害視網膜。

            如何降低眩光,是LED燈和燈具設計制造商應設法要做到的。在液晶顯示器的LED背光源模板中,置有光的散射板,增大發光面積,又能將各發光點的光相互混合,得到亮度、色溫均勻的平面光源。同樣道理,在LED照明光源的光輸出前方,配置散射的泡殼或管殼壁;或者在照明燈具的出光處,置有散射型蓋板,增加發光面積,獲得較均勻的輻射光,從而減少眩光污染。

           

          5、藍光效應與光生物安全性(光環境下的醫學效應)

           

            LED照明光源是新生產業,技術上尚處于發展階段。如果,人體長時間在LED的光照下,可能會發生光輻射安全問題。目前對人體引發各種效應的研究十分活躍,如視網膜損傷、覺醒障礙、睡眠障礙、生活節律障礙等光化學和生物效應,以及影響情緒、精神、情感、食欲、疲倦、鎮靜等的心理效應。為了防止安全隱患發生,IEC國際標準機構和國內的國家標準機構,巳制定頒布了《燈和燈系統的光生物安全性》。

            這里僅討論藍光效應,它巳得到一些有用的結果;而且LED光源與原有照明光源相比,最突出的差別在于藍光豐富,對人體的影響最明顯。

           

          5-1 光化學作用與黃斑變性

           

            在視網膜中心成像的位置叫中心窩,即就是黃斑區。中心窩稍微下凹,在周圍直徑約200um范圍內,存在著黃斑色素(或叫黃色色素);它是大量錐狀細胞集中的地方,又集中了大量神經細胞,所以能很清楚看到物體的象。桿狀細胞主要分布于中心窩的周邊,數量約為錐狀細胞10%。

            藍光會引起光化學反應,損傷視網膜。它對視覺細胞的網膜色素和網膜色素的上皮細胞都會發生作用,產生重要氧化物。桿狀、錐狀層細胞膜的脂肪質也被氧化,致視覺細胞受損;而且,還將損害到視網膜神經的上皮層。

            隨年令增長,在視網膜下產生的脈網膜的新生異常血管,或者視細胞的緩慢萎縮,都會造成黃斑變性。黃斑變性與遺傳和環境因素都有著復雜的關系,然而,光的氧化作用是重要的基本要素。從白熾燈、熒光燈、至現在的LED燈照明;可以想像人類處在引發光障礙的藍光之中,當前所受的曝露量大大增多。其次,現在的低令人群,觀視液晶顯示屏的機會大量增多,持續時間又長。將逐步損傷視覺功能,青少年的近視眼增多,將來進入老令(>50歲)時,引發致盲的黃斑變性眼病幾率會增加。由于視力下降,色覺異常,發生閱讀障礙,看不清物體的色彩,生活質量明顯受損。據說該病發生幾率與人種有關,白種人最高,黑種人最低,黃種人居中。為減輕眩光和藍光等短波長光的吸收,也有選用特定的濾色眼鏡防護。

           

          5-2 生理效應

           

            不同的彩色光環境,會影響到人類的生理和心理情緒。近年來,因LED燈中的藍光出現,擔心其負面作用,從而利用色光(如彩色熒光燈)、白色光、單色光(單波長)照射,對人進行了生理測量研究。了解對自律神經系統和中樞神經系統的作用,從體溫、血壓、心跳、皮膚電導率GSR、腦電波a波的衰減系數AAC等來判定。

           

          5-2-1鎮靜與覺醒

           

            在色光中,用藍色熒光燈(寬波域)照明,它具有鎮靜作用,能用于預防自殺,防止犯罪等。淺藍色光有利于病人退燒降溫或降血壓;讓外傷病人克制沖動煩躁。紅色光讓人感覺剌眼醒目,激動興奮, 精神遞增。

            Kobayashi7)等用三種類型白色光,色溫為3150K、5200K、6800K下照明試驗時,得到在6800K日光色照明環境中,擴張血壓(即低壓)高于中性和暖白色的照明環境,表明前者對心臟有明顯的覺醒作用。

            眾所周知,高色溫白光中含有較多藍光,它能有效地提升腦功能的活動能力,振奮精神。若工廠生產車間選用較高色溫照明,能提高生產效率,又有清晰的視覺環境。液晶屏的背光源都是高色溫LED光源,可得到清晰的視屏。在低色溫照明環境中,含有較多紅光,讓人溫馨舒適,寧靜輕松,食欲增強。家居生活照明中,應選擇小于4000K的中、低色溫光源,有利于休息和睡眠。

            就紅、綠、藍的單色光而言,對心臟的覺醒作用與白色光有相似的結果,即藍光誘發的覺醒作用最強。

            上述含有藍光的色光與白色光/單色光的特性相比較,完全有著相反的效果,為何造成其因,有待更多的深入研究。

           

          5-3生物鐘與褪黑素

           

            眼睛接受到光后,有第三種光接受細胞,所謂視網膜神經節細胞。光至視網膜后,經下丘腦通路,到上視交叉核(SCN),再由其自有的特定神經通路,連接至松果體,它是大腦生物鐘的中樞。松果體會發生褪黑色激素的分泌,其變化會立即溶入流動的血液中,管控著體溫調節、睡眠覺醒、自律神經系統等影響。晝夜節律感受囂的光接受細胞,它的敏感度與發光體的光波能量和顏色密切相關,也就是光色和光照強度會關聯到對褪黑色激素分泌的抑制作用。

            Morita8)等報導了紅、綠、藍三種色光,分別在照度1000Lx的照射下,對人體尿中褪黑色激素的代謝產物進行檢測,能了解其所造成的影響。表明對褪黑色激素的抑制率紅光很小,綠光最大,藍光稍低,即藍綠光抑制率大。用6500K和3000K的白色光,在同樣照度下,表明前者的日光色對褪黑色激素抑制率約為暖白色的一倍。

            上述討論可知,高色溫的熒光燈或LED燈,其白色光中含較多的藍、綠色光。有著較高的覺醒作用,可創造嚴肅清靜的氛圍。但是,對于深夜工作或熬夜的人群來說,若在高色溫的光環境中,照度高、時間長,將嚴重抑制褪黑色激素的分泌,特別午夜后約3小時內,是人體褪黑色素的分泌的高峰期。如果長期不能按生物鐘的規律生活,會發生睡眠障礙癥,甚至嚴重傷害身體。

            對于季節性情感障礙癥(SAD)者,大多在秋冬季節,特別在北方,日照時間短,睡覺時間長,食欲增強,體重增加,易出現抑郁癥狀。可用含藍綠色光豐富的高色溫的高功率光源,進行強光治療,將抑制褪黑色激素分泌,提振精神。

            對于生物鐘的光接受系統而言,在光輻射中,含有短波長較多的光,所產生的影響就大。其中寬波帶的藍色光有鎮靜作用;而含短波光較多的白色光或窄波的單色藍光,都有著明顯的覺醒作用。光與自律神經系統和中樞神經系統有著密切相關;反之,又對生物鐘產生重要影響作用。

           

          6、結束語

           

            LED是高效節能,長壽命光源,有著可調光和智能控制功能的第三代照明光源。近來,因市場價格大幅下跌,國內正快速向各領域、各部門滲透擴散。可是,LED光源所引發的光環境安全性,尚未為有關管理部門、企業、廣大用戶所認識及充分理解。

            就LED光源產生的眩光和藍光效應來說,或許造成急性障礙的病癥幾率不多;但是,經歷一段時間以后,才發現視覺功能變差。它是十分緩慢的積累過程,當邁入老令時,才發現視覺失明的癥狀。總而言之,讓人感到不舒適的光照,會發生對眼睛的傷害。當然,對人們心理的影響或損害也應考慮,但是機理復雜,研究的可靠結論不多,有待往后的深入研討。

            當前首先要注意應用的對象和場合,少年兒童盡量選用低色溫LED照明,其眼球水晶體純潔,高色溫燈的富藍光易滲透,致視網膜受損。中青年應以較高中色溫為宣,老年人卻喜歡較高色溫照明,因其眼球水晶體巳產生混濁,視力巳變差,呈不同程度的白內障,阻礙著藍光滲透。上述表明,藍光對老年人的危害小,中青年人較大;對少年兒童的危害很大,最好選擇色溫≤3500K的高顯色性的光源9)。

            居室內的生活照明應選用中、低色溫的LED燈。而國內不少人習慣于高色溫照明,則一定要選用高顯色性的優質產品。對于高大廠房、大廳、室外道路或廣場可用高色溫燈,但必須控制眩光,力求照度分布均勻。特別要提醒,各類的液晶顯器都有藍光溢出,同樣會抑制褪黑色激素的分泌,損傷視網膜。

            為了減輕LED燈的危害性,更寄望于制燈技術、材料、工藝的提升突破。如何讓外泡殼或管殼內壁備有將光束均勻散射,減少眩光;同時,限控藍光的輸出,最好設法將藍光進行二次轉換,有效利用。

            感謝東南大學附屬中大醫院眼科劉君主治醫師對本課題相關工作的支持。

            本文將我們的初淺認識進行了陳述,東南大學生物科學與醫學工程系正在開展相關課題的深入研究,大數據分析技術將帶來更多的科學依據,為提升國內LED照明的產品質量和發展,共同商榷。文中必有不妥之處,敬請指正。

           

            參考文獻:

            (1)陳超中 施曉紅 劉磊 白光LED的光生物作用特性 中國照明電囂 2013 (4)

            (2)張躍敏 喬更新 LED照明中藍光的光生物的安全問題 中國照明電囂 2013 (6)

            (3)胡靜慧 傅嘯琪 談LED照明藍光危害與富藍化光環境 中國照明電囂 2013(11)

            (4)諸玉華 《節能熒光燈技術》 (培訓講義)

            (5)尾花 明 光 眼 障害 照明學會 (日文) 2013 (9)

            (6)高橋良香 青色光 生理面 及 作用 照明學會 (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) 諸玉華 潘有彬 嚴振志。 照明光色對兒童視力和情感的影響 中國長三角照明科技論壇論文集。 2005

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