Photobiological Function of White LED 白光LED的光生物作用特性

白光LED的光生物作用特性
Photobiological Function of White LED
陈超中 施晓红 刘磊
Chen,Chaozhong  Shi,Xiaohong  Liu,Lei
[全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会、国家灯具质量监督检验中心、国家电光源质量监督检验中心（上海）、上海时代之光照明电器检测有限公司、中国照明学会灯具专业委员会 上海 201114]
[Subcommittee 2 on Luminaire of National Technical Committee 224 on lighting of Standardization Administration of China, China National Luminaire Supervision Testing Center (CLTC), National Center of Supervision & Inspection on Electric Light Source Quality (Shanghai), Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.,Luminaries Specialty Committee of China Illuminating Engineering Society, Shanghai, 201114]
摘  要：本文从光生物安全的基本概念入手，阐述了白光LED对皮肤和眼睛的光生物作用和光生物安全标准的发展历史。重点介绍了蓝光对视网膜的视觉危害与对司辰节律的影响，对司辰节律的影响往往没有被重视。对LED蓝光危害与对司辰节律的影响提出了应对的措施，包括室内灯具和室外灯具应关注的要点。本文倡导应树立正确的LED照明的节能理念。
Abstract: Start with the basic concept of photobiological safety, the article expatiated on the subject of photobiological function of white LED and the develop history of relevant safety standard. Focus on the retinal blue bight hazard and the effect of blue light on circadian rhythm, and the latter is sometimes ignored, the article advices solutions against the retinal blue bight hazard and the effect of blue light on circadian rhythm, including the main points of indoor luminaries and outdoor luminaries, which should be attention. The article intends to pilot the correct idea of energy saving of LED lighting.
关键词：LED；白光LED；光生物安全；LED蓝光危害；视觉危害；非视觉危害
Key WordsED；White LED；Photobiological safety；blue light hazard of LED；vision hazard；non-vision hazard
蓝光危害是光生物危害的一种，光生物安全研究的内容是光辐射与生物机体的相互作用。光辐射被定义为波长从100nm到1mm的电磁辐射。但是由于空气对于200nm以下的光具有强烈的吸收，而3000nm以上的光能量太低对人体的影响几乎可以忽略，因此一般考虑的光辐射范围为200-3000nm。
一、白光LED的构成
白光LED是发出白色光的发光二极管，白色光由多种不同波长的光叠加而成，白光LED是可以用于一般照明的LED。
由于可以从LED得到日光色，因此它能用于照明。由多种颜色的光混合而成白光可由多种办法得到，其中由三种颜色的光混合而成是常用的方法。当前用氮化镓基的LED获得白光主要有两种方法：一种是蓝色LED与YAG黄色荧光粉的组合（见图1）；另一种是红/绿/蓝（RGB）三色LED的组合（见图2）。

         

图1 蓝色LED加荧光粉产生的白光                           图2 RGB三色LED产生的白光
为了得到稳定、可靠和简单的白光，目前最常用的方法是用发蓝色光的LED芯片激发荧光粉，LED辐射出波长为450nm左右的蓝光，蓝光在这一过程中被分成两部分，一部分蓝光激发荧光粉发出波长为570nm左右的黄绿光，另一部分蓝光透射出来与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生白光。
白光LED色度学参数主要有色温与显色性。根据荧光粉的配比和成分，白光LED能提供色温在2700K~6500K之间冷白、中性、暖白的全系列色温范围。显色性是白光LED作为普通照明光源另一个重要指标。室内照明白光LED要求的显色指数在80及其以上。
白光LED的一个能效指标是光效，即光源发出的光通量与其自身所消耗的电功率之比，单位为lm/W。
高色温的LED白光也称富蓝白光，有丰富的蓝光。光效较高。低色温的LED白光，由于蓝光大都已经转化为波长更长的黄绿光和红光，所以光效较低。
二、光生物安全的基本概念
由于光辐射会被人体组织吸收，并且能有一定深度的穿透（紫外穿透深度为几个微米，而红外的穿透深度为几个毫米），因此人的皮肤和眼睛是暴露在光辐射之下的。曝辐射的生物反应是由于多种能量传递过程产生的，一般可大致的分为光化学作用和热作用。由于短波区域的光子能量最高，光化学反应在短波区域起主要作用，而在长波区域则是热作用占主导地位（见图3）。

图3 光辐射的光生物作用
1、光化学作用机理
在光化学作用中，一些特定波长的光会激发细胞分子中的电子，从而导致那一区域的化学键的断裂和重组。这可能对双螺旋链接的DNA有直接的影响，光辐射有可能导致DNA的破坏，另外，还将产生高活性基团。这些基团将与DNA反应从而导致结构重组，或者与细胞如视网膜的感光细胞反应导致细胞功能的降低或坏死。重要的是对于DNA的破坏如果无法修复的话，有可能会导致癌症。
2、热作用机理
热反应的机理则是因为某些部位吸收了光，使得局部的温度上升。这将导致蛋白质变性或细胞热损伤。
3、光化学作用与热作用机理的差异
热反应在整个波段导致的伤害是一致的，而光化学伤害则强烈的取决于波长，这一特性将用伤害加权函数来表示（见图4），该函数取某一波长导致一定反应所需剂量（或能量）的倒数并最终归一化。

图4 紫外伤害与蓝光伤害加权曲线
另外，低强度的热辐射导致的热反应会随着热从被照射部位传导至其他部位而减低，而光化学反应则服从Bunson-Roscoe 定律，也就是说光化学过程是取决于剂量的，低强度的长期的照射与高强度的短期的照射造成的伤害是一样的。
三、对皮肤和眼睛的光生物危害
在考察光辐射对皮肤及眼睛的伤害时，应该考虑三种情况：对皮肤，眼睛前表面（眼角膜，眼结膜，晶状体）以及视网膜的曝辐射。
1、对皮肤的危害
光辐射照射到皮肤上时，一部分入射光被反射，剩下的则穿透至表皮及真皮。最可能对皮肤造成伤害的就是紫外辐射，它将产生光化学伤害从而直接损害DNA，并产生炎症性的红斑（晒伤）。另一种伤害则是由于高活性自由基侵袭DNA或其他皮肤细胞如胶原蛋白。这种结构性蛋白质是给皮肤提供弹性的，胶原蛋白的破坏将导致弹性组织变性从而导致皱纹的产生以及皮肤的衰老。热损伤的危险同样存在，但是一般由于热损伤将导致疼痛的感觉提醒我们避免再受到辐射，因此这个危害受到的关注程度会较低。若重复受到紫外的辐射皮肤会产生保护机制：皮肤上层变厚来减少紫外的穿透，产生黑色素来吸收紫外线。
2、对眼睛的危害
眼睛的表层结构受到辐射时的反应与皮肤类似。最重要的是紫外区域，在这个区域中可能导致光致角膜炎（电光性眼炎/雪盲症），这是发生在眼角膜和眼结膜处的一种炎症性的光化学反应。另一种可能导致的伤害是紫外白内障。而在红外区域，长期高强度的辐射也可能导致红外白内障。
由于晶状体的透光性质，对于视网膜的辐射只需要考虑300-1400nm区域内的光。曝辐射时间超过10秒时主要的伤害机制是蓝光光化学伤害(光照性视网膜炎)。它将产生自由基从而伤害感光细胞以及视网膜色素上表皮细胞。短时间的曝辐射则是由热伤害占主要地位，这将导致蛋白质以及视网膜关键生物组成的变性。
眼睛对视觉刺激有一系列的保护机制，包括保护性反应(眨眼，移动头部以及收缩瞳孔以限制到达视网膜的光的总量)和持续的眼球移动(扫视)，以保证视网膜的同一个区域不会被持续的照射。表1列出了不同波段光辐射对于皮肤以及眼睛的伤害机理。
表1 对于皮肤以及眼睛的六种光生物危害(有↑符号说明在计算危害时需使用加权函数)

四、光生物安全标准的发展
考虑到以上的光生物安全危害，国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)公布了每种危害的曝辐限值(EL)。这些限值是根据对动物组织进行光化学辐射以及试验得出的伤害阈值。曝辐限值的提出并没有包括对于光特别敏感的人以及体内活皮肤还有光敏剂的人。
1993年日亚首次推出了GaN基蓝光LED，LED的光生物安全第一次引起注意。IEC决定将LED纳入已有的激光标准IEC60825中。这一决定是基于两种原因：首先LED被认为是介于激光与传统灯泡之间的，它具有窄的光谱带宽、小的光源尺寸以及其出射光有较强的方向性；第二是因为IR-LED与激光二极管都被应用在光纤通信系统中。
1996年至2001年人们通过修订安全体系来试图将LED更好的纳入到激光标准中，但是仍然存在问题。由于没有考虑到LED的发散性，其危害一直会被高估。
    在IEC60825发展的同时，1996年北美照明学会(IESNA)发布了ANSI/IESNA RP27.1“灯和灯系统光生物学安全的推荐实施规程 一般要求”。这预示着更多的关于非激光光源标准的出现。2002年CIE采用了ANSI/IESNA RP27.1的主体并发布了CIE标准S009/E-2002“灯和灯系统的光生物安全性”，从而将这个标准传播到了全世界。
由于将激光的限值应用在LED上显得过于保守了，而且LED的性能以及应用领域也在不断发展，2007年IEC更新了IEC60825，将除了应用于光纤耦合以及自由空间通信的之外的LED从这一标准中去除了，这同时也要求有新的标准来评价LED的光生物安全性能。
       1、 IEC62471-2006标准的适用范围
2006年IEC采纳了已有的 CIE S009/E-2002并发布了IEC62471:2006“灯和灯系统的光生物安全性”，该标准对评估除激光以外的灯以及灯系统的光生物安全性提供指导。
IEC62471:2006“灯和灯系统的光生物安全性”为发光波长范围在200nm到3000nm的所有非激光电光源的光生物安全性评价提供了指导，不管发光是否是这一产品的主要目的。标准特别提到了LED从IEC60825中移除出来并纳入到这一标准的覆盖范围之内。
标准中提供了针对六种危害(见表1)的测试方法以及曝辐限值(基于ICNIRP的数据)。辐射的持续时间最长为一个工作日，也就是8小时。更长的辐射时间可能产生的伤害未被纳入考虑。
根据每种伤害不超过曝辐限值的最长曝辐时间，该标准将危害等级分为从“豁免级”至“3类危险”的四级。在考察视网膜危害时，将眼睛的保护性反应纳入考虑。值得注意的是这一分级不能用于激光的分级。
2、IEC62471-2006标准给出的评估方法
为评估所有的危害，标准规定需进行200-3000nm的辐照度测量以确定对皮肤以及眼睛前表面的危害，同时还需要测量300-1400nm的辐亮度以确定对视网膜的危害。测试条件需要复制具体的生物物理现象，比如视网膜被照射时的眼球运动，以及针对非普通照明用产品以及普通照明用产品时测量距离不同。
标准主要考虑的是对皮肤，眼睛前表面(眼角膜，眼结膜以及晶状体)以及视网膜的六种伤害。在评价辐射对皮肤以及眼睛前表面的伤害时，只需评估入射到表面的光的总量即可。当要评价对视网膜的伤害时，则必须考虑到眼睛的成像特质，因此总共需要进行两种测试：辐照度和辐亮度。
标准对于测量的过程及设置提供了具体的指导以复制一些生物物理现象，如眼球移动等。辐亮度测量所需的波长范围减少至300-1400nm。这是因为视网膜受到晶状体透过特性的保护。表2列出了不同危害所需的测试。
表2 评价各种伤害时需进行的测量(有­符号说明在计算危害时需使用加权函数)











五、蓝光对视网膜的视觉危害
蓝光的能量是可见光的所有波长中最大的，原因是能量E=hν,ν是频率，h是波尔兹曼常数频率是波长的倒数，所以相对于其他波段的可见光，蓝光的频率高，能量也大，所以当它过多入射在视网膜上的话，可能造成辐射伤害。蓝光对眼睛危害的定量计算要使用蓝光危害加权函数B（λ）（见图5）。波长440nm左右的蓝光辐射对人眼视网膜产生的光化学危害最大（GB/T 20145-2006中的表2波长435nm和440nm对应的蓝光危害加权函数B（λ）为1.00），因此尤其要关注婴儿和儿童，他们的眼睛还没有发育完好，对短波长光的过滤能力远不如成年人。日常生活中的老化性视网膜黄斑区病变退化（AMD）与蓝光辐射的伤害也有直接的关系。


图5 视网膜危害的光谱加权函数B（λ）和R（λ）
六、蓝光对司辰节律的影响
蓝光的波长在450nm 左右，正好与人体的司辰视觉有关，它有较强的使人分泌褪黑色素抑制剂的能力。褪黑色素的减少会使人兴奋，不入眠。长此下去会影响人的免疫机制。
图6给出富蓝LED白光光谱曲线与昼夜节律灵明度曲线。图中人的明视觉灵敏度曲线主要是在光谱的绿色和黄色部分，用细实线描绘；与人体昼夜节律相关的人体退黑色素抑制剂的分泌随光谱的影响用虚线表示，它的460nm最敏感波长与氮化镓基的LED的蓝光波长基本吻合；一个典型的5500K富蓝 LED白光发射的光的颜色是用粗线描绘，该光源发出光的最大光谱能量在460nm区域，正好与昼夜节律曲线波形相吻合，将影响人体正常的日出而作、日落而息的司辰节律，因此必需限制500nm以下的蓝光能量，从而减少对人的司辰节律的影响，如图6中的阴影部分所示。


图6 富蓝LED白光光谱曲线与昼夜节律灵明度曲线相混合
使用富蓝LED灯具可以使感到困倦的人感到兴奋，蓝光会分泌褪黑色素（melatonin）抑制剂，使人感到兴奋。IDA（国际黑天空协会）关于蓝光对人和动物的危害的一篇研究文章中说，蓝光会改变依靠白天和黑夜的自然循环（例如：昼夜节律），从而破坏生物过程影响生物钟。IDA不鼓励有3000K以上相关色温的蓝白光光源的使用。应要求光源的开发者细化他们的产品，以限制波长小于500nm的蓝色光。
使用富蓝LED灯具还可能使室外照明的蓝光产生的光污染。IDA（国际黑天空协会）关于蓝光对人和动物的危害的一篇研究文章中说：室外照明大规模使用蓝白光危害晚上的可见度，危害着夜间环境。大量的蓝白光产生明显的影响环境的光污染。已知的是蓝白光增加眩光且危及人的视觉，尤其是使眼睛老化。
七、应对LED蓝光危害与司辰节律影响的策略
1、新出台的技术要求中已明确提出相关要求
国家发展改革委2012年11月发布的《半导体照明应用节能评价技术要求》对LED筒灯光生物安全明确提出了应满足GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》的要求。规定LED筒灯色温不应超过4000K。还规定一般显色指数Ra不应低于80，R9应大于0。
2、高色温的LED台灯不宜使用
高色温的LED灯具会影响人体正常的司晨节律，所以夜晚使用高色温LED台灯是不适宜的，尤其是处于生长发育关键时期的中小学生。因为中小学生的眼睛尚未发育完成，视觉通道的通透性比成人好许多，更易遭受视觉危害，加上视网膜黄斑区的任何疾病退化后都不可再生，而且台灯照度通常在500lx或更高，且使用时间较长，因此人们尤其是青少年不宜使用高色温的LED台灯。
3、室内照明灯具
室内照明LED灯具，建议色温不要太高，如有可能最好使用3000K或以下色温的LED灯具。
4、道路灯具的色温也不要太高
建议使用4100K以下的LED道路灯具。
5、已经制成灯具的改进措施计划
可以考虑在灯具中增加非透明的透光罩或在灯具中加入偏黄色的过滤片，以吸收蓝光，但这种做法的代价会减低光输出的效率，后者作法并不提倡。
6、应树立正确的LED照明的节能理念
不能一味或者片面追求光效或效能，开展光效或效能竞赛。节能应以安全性、舒适性、可靠性为前提，更重要的是需要保护眼睛和身体健康。
参考文献
[1] 照明科学中的新进展----眼睛的非成象视觉通道，章海骢，PPT
[2] 晚上的白色光，章海骢，PPT
[3] LED产品必须符合光生物安全标准，刘磊 程敏
[4] 白光LED色度学性能指标分析，何欣 曹冠英 王善鑫 李振清 邹念育，《中国照明工程年鉴》2011
[5] LED光辐射安全及标准的进展，虞建栋 王建平，《中国照明工程年鉴》2011
[6] GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》
[7] Blue Light Threatens Animals and People, International Dark-Sky Association

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