光源藍光危害的測試與評估

劉 婕 莊曉波 要 華 張善端

(1復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心;2復旦大學電光源研究所，上海 200433;3上海亞明照明有限公司，上海 201801)

1 引言

目前普通照明用LED主要是通過藍光芯片激發黃光熒光粉來發出白光的，因此在高色溫的情況下，光源光譜中的藍光波段存在一個很強的波峰。隨著LED使用的日益廣泛，人們開始關注其在光生物安全方面的問題，尤其是藍光對人眼視網膜的影響。近期，國內外的權威機構、組織和專家也對LED的藍光危害進行了各種測試和評估。

國家電光源質量監督檢驗中心 (上海)測試分析了27個LED光源和燈具樣品，包括LED臺燈、射燈、筒燈、球泡燈和平板燈［1］。結果表明，產品在正常使用時無危險類和低危險類約各占一半;而11個樣品在異常使用狀態下 (拆除燈具的前半透明擴散板)，10個樣品為低危險類，1個為中度危險類。測試結果證實擴散板可以將燈具的亮度降低一個數量級，對減輕藍光危害有明顯的作用。

潘建根教授提出，包括LED在內的普通照明光源，只要色溫正確、顯色指數較高、不產生嚴重眩光，完全可以放心使用［2］。牟同升教授認為LED封裝器件的藍光輻亮度雖然達到了中度危險水平，但是通過合理的設計，燈和燈具的藍光危害可以降低到無危險類或者低危險類水平，也是可以安全使用的［3］。

周太明教授認為，LED的藍光亮度控制后是安全的，并且照明時人眼并非是盯著燈看;從光的非視覺生物效應來看，適量的藍光有利于人體健康［4］。

包括法國國家食品環境及勞動衛生署(ANSES)［5］、美國能源部 (USDOE)［6］、歐洲光源公司聯盟(ELC)和歐盟燈具制造商協會(CELMA)［7］、全球照明協會 (GLA)［8］和歐洲照明(Lighting Europe)［9］在內的國外政府機構和照明行業協會對各類燈和燈系統的光生物安全開展了深入的研究和比較測試，出版了全面的分析報告，給出了類似的明確結論:在相同色溫下，LED的藍光危害效率和其他光源是相近的，均在安全閾值之內，因此這些光源和燈具如果按照正常途徑使用，對消費者是完全安全地。這些報告同時也指出，使用者應避免直視高亮度的點光源 (如LED封裝器件、白熾燈燈絲、HID燈電弧和太陽)。當然，即使人們偶然看到高亮度的點光源，也會因為自身的條件反射，如本能地閉上眼睛或移開視線，來保護雙眼。

本文介紹了一種利用成像亮度計來測試光源藍光危害的方法，并且結合光源的光譜數據和最大亮度，計算出各種光源的藍光危害效率、藍光安全的亮度上限和照度上限。

2 藍光危害

藍光危害是指光源的400–500nm藍光波段如果亮度過高，眼睛長時間直視光源后可能引起視網膜的光化學損傷。這種損傷主要分為兩類:藍光直接與視覺感光細胞中的視覺色素反應所產生的損傷，以及藍光與視網膜色素上皮細胞中的脂褐素反應所引發的損傷。這些光化學反應都會產生大量具有細胞毒性的自由基，破壞細胞正常生長。

光源的藍光危害可以用藍光加權輻亮度、藍光加權輻照度和曝輻時間來表征。根據光生物安全標準 IEC 62471［11］和 GB/T 20145［12］，光源的藍光必須達到一定的劑量才會對視網膜產生危害。光源不同波長的光譜輻亮度與藍光危害加權函數相乘，然后對波長積分，可得藍光加權輻亮度。為了防止長期受到藍光輻射而產生視網膜光化學損傷，藍光加權輻亮度的曝輻限值需要滿足如下條件:

其中LB為藍光加權輻亮度(W·m–2·Sr–1)，Lλ(λ，t)為光譜輻亮度 (W·m–2·Sr–1·nm–1)，B(λ)為藍光危害加權函數，Δλ為波長帶寬(nm)，t為輻射持續時間(s)。

當LB＞100 W·m–2·Sr–1，最大允許照射時間

當眼睛注視光源的時間t≤104s，LB與時間的乘積不應該超過106J·m–2·Sr–1，這用于評估藍光加權輻亮度很大的光源對于人眼視網膜的短時間照射所引起的危害。當眼睛長時間注視光源 (t＞104s)，限制LB≤100W·m–2·Sr–1，用于評估藍光加權輻亮度較小的光源由于長時間照射所引起的視網膜傷害。

視網膜受輻照面積會影響曝輻限值的計算。該面積可以和表觀光源的對邊角α聯系起來。靜止眼睛的視網膜能分辨的最小角度αmin=0.0017rad.當t＞0.25s，由于人眼存在頻率為幾Hz的快速眼動，導致點光源的圖像散布于視網膜上的一個區域，所形成的角度被定義為有效對邊角 αeff。當 t＞100s時，快速眼動使小光源在視網膜上的成像區域進一步增大。因此測量藍光加權輻亮度時，當t＜100s，αeff=0.011rad;t＞10000s，αeff=0.1rad;100 ＜ t＜10000s，

對于對邊角α＜0.011rad的小光源，可根據輻亮度和視網膜有效對邊角，推導出基于光譜輻照度的藍光加權輻照度的曝輻限值:

式中EB為藍光加權輻照度 (W·m–2)，Eλ(λ，t)為光譜輻照度 (W·m–2·nm–1).標準規定EB在照度為500lx處測量，這個照度是普通照明應用的典型值。當 EB＞0.01W·m–2，最大允許照射時間

表1為藍光危害等級對應的藍光加權輻亮度LB、輻照度 EB、曝輻時間 t和有效對邊角 αeff的閾值。

表1 不同藍光危害等級的參數閾值［11，12］Table 1 Threshold parameters with different levels of blue light hazard

3 藍光安全的亮度和照度上限

根據標準所規定的藍光危害輻亮度和輻照度上限［11，12］，結合光源的光譜信息，可計算得到光源的藍光安全輻亮度上限Lem和輻照度上限Eem:

此外，為了分析光源的光譜對光度量和藍光危害度量的貢獻，可以定義光度輻射的藍光危害效率［13，14］

其中KB，v為藍光危害效率 (W·klm–1)，Km=683 lm·W為光譜光效率的最大值。藍光危害效率的物理意義是光源光譜中的藍光含量，它等于千流明光通量中的藍光加權輻射功率。

而在實際中，光度量往往比輻射度量應用更加廣泛。因此，我們也可以利用公式 (10)和 (11)得到光源的藍光安全的亮度上限 Lvm和照度上限Evm:

如果光源的實測亮度或照度小于Lvm或者Evm，那么該光源分類為0類危害，是藍光安全的，在短至200mm的距離長時間直視光源也不會產生危害。

4 實驗原理

如上所述，為了評估光源的藍光危害，我們需要得到光源的輻亮度或輻照度。因此，我們首先用光譜儀 (遠方，PMS－80)測試光源的相對光譜功率分布，用成像亮度計 (Radiant Zeamax，PM－1613F－1)得到光源的最大亮度，兩者結合計算出光源的光譜輻亮度;然后，由藍光危害加權函數計算不同光源的藍光危害效率和藍光加權輻亮度。實驗流程和光源亮度分布如圖1和圖2所示。

圖1 實驗流程圖Fig.1 The diagram of experiment process

圖2 光源的亮度分布圖Fig.2 Luminance distribution of light sources

在本次實驗中，我們分別對色溫2700–6500K的10款熒光燈，以及色溫3000–6000K的24款LED進行了測試評估。

5 結果和討論

圖3所示為各種光源的藍光危害效率，可見在色溫相同的情況下，不管是熱輻射光源、熒光燈、金鹵燈還是LED，它們都具有相似的藍光危害效率，即色溫是影響光源藍光危害效率的主要因素。這是因為顯色指數＞80且色坐標在黑體線附近時，光源的光譜組成是類似的。因此，對這些數據進行了一元線性回歸，得到了一條如圖3所示的光源藍光危害效率隨色溫變化的直線。

該直線適用于評估普通照明用光源的藍光危害效率。

圖3 各種光源在不同色溫下的藍光危害效率Fig.3 The blue light hazard efficacy for different light sources with different CCTs

圖4 光源藍光安全亮度上限和實測亮度Fig.4 The upper limit and measured luminance with blue light safe

圖4中的綠色點線代表理論計算的藍光安全亮度上限，而藍色數據點代表實測的光源亮度。不難看出，所有的被測熒光燈的實測亮度都小于100kcd·m–2，因此它們都是藍光安全的。但是，當光源的色溫接近6500K的時候，光源的實測亮度接近理論計算的藍光安全亮度上限。同時，對于LEDs的測試結果表明，色溫為6000K的LEDs，其實測亮度略高于理論計算的藍光安全亮度上限。因此，在室內使用這一類光源時，我們應該盡量避免對其長時間注視。

圖5 光學透鏡LEDs射燈的藍光安全亮度上限和實測亮度Fig.5 The upper limit and measured luminance with blue light safe for LEDs with optical lens

此外，我們還對7盞LED射燈進行了測試，這些射燈利用光學透鏡聚光，沒有擴散板。實驗結果如圖5所示。這些未安裝擴散板的射燈，它們的實測亮度遠遠大于0類藍光危害的亮度上限，達到了1類危害。如色溫6000K的燈，其亮度為2.4–5.5Mcd·m–2，已處于1類藍光危害的亮度區間內(0.11–11.2Mcd·m–2)。這種射燈仍屬于可以安全使用且無需特別標示的類別，如果應用于室內照明，要注意避免長時間直視。

由于光源的藍光危害實際上與其光譜分布特性有關，所以熒光燈和LED的藍光安全亮度上限反比于光源的色溫，即光源的色溫越高，其藍光安全亮度上限越低。光源的藍光安全照度上限也同樣存在這樣的規律，如圖6所示，其中測試的有效對邊角為0.011rad。

圖6 光源藍光安全照度上限Fig.6 The calculated upper limit and measured illuminance of light sources

6 結論

當前LED技術在節能、環保和控制等方面具備諸多優勢，但是由于其藍光激發熒光粉的機理，致使人們對于其在室內使用方面還存在著種種顧慮。理論計算表明，LED的藍光危害效率與熱輻射光源和氣體放電光源相比沒有區別。藍光危害與色溫有關，但主要取決于光源的亮度。對帶擴散板的LED光源和燈具，其藍光加權輻亮度與熒光燈相差不大，屬于0類危害，是藍光安全的產品。對帶透鏡的高色溫LED射燈，在室內近距離使用時其藍光加權輻亮度屬于1類危害，應該避免長時間直視。

隨著LED芯片光效的繼續提高，LED封裝器件的亮度已超過 11Mcd·m–2［5］，達到了 2 類危害水平。因此，采用高亮度LED封裝器件制造光源和燈具時，應該根據不同的應用場合限制產品的亮度和照度，并對這些產品的藍光安全進行評估和測試，以保證消費者的使用安全。對室內普通照明，如果能夠將LED的最大亮度或者照度控制在一個安全的范圍內，如100kcd·m–2或者1000lx以內，那么這些產品就不存在藍光危害，人們可以放心使用。

［1］俞安琪.LED照明產品藍光危害的檢測分析和富藍化的分析及建議［J］.上海節能，2013，(1):29－34.

［2］潘建根.理性看待LED光生物安全問題［J］.半導體照明，2013，(4):64－67.

［3］牟同升.照明產品的光輻射安全性和國際標準的進展［C］//2013中國 (上海)國際半導體照明應用技術論壇論文集.上海:2013中國上海國際半導體照明應用技術論壇，2013.

［4］周太明.綠色照明、SSL及LED藍光危害之我見［J］.半導體照明，2013，(2):48－56.

［5］ANSES.Health effects of lighting systems using lightemitting diodes(LEDs)［R/OL］.Maisons－Alfort，2010.［2013－07－26］.http://www.anses.fr/Documents/AP2008sa0408EN.pdf.

［6］US DOE.Solid－State Lighting Technology Fact Sheet:Optical Safety of LEDs［R/OL］.US Department of Energy，2013.［2013－08－03］.http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/opticalsafety_fact－sheet.pdf.

［7］ELC ＆ CELMA.Optical safety of led lighting［R/OL］.2011.［2013－07－26］.http://www.celma.org/archives/temp/CELMA－ELC_LED_WG(SM)011_ELC_CELMA_position_paper_optical_safety_LED_lighting_Final_1st_Edition_July2011.pdf.

［8］GLA.Optical and photobiological safety of LED，CFLs and other high efficiency general lighting sources［R/OL］.Global Lighting Association，2012.［2013－07－26］.http://www.globallightingassociation.org.

［9］LightingEurope.Guide on photobiological safety in general lighting products for use in working places［R/OL］.LightingEurope，2013.［2013－08－03］.http://www.lightingeurope.org/uploads/files/LE_Photobiological_Safety_Feb2013.pdf.

［10］ICNIRP.Guidelines on limits of exposure to broad－band incoherent optical radiation(0.38 to 3 μm)［J］.Health Physics，1997，73(3):539－554.

［11］IEC 62471－2006 Photobiological safety of lamps and lamp systems［S］.

［12］GB/T 20145－2006燈和燈系統的光生物安全性［S］.

［13］潘建根.客觀看待光輻射安全 (光生物安全)和光輻射安全的客觀測量［C］//海峽兩岸第十八屆照明科技與營銷研討會論文集.貴陽:海峽兩岸第十八屆照明科技與營銷研討會，2011:229－247.

［14］Zheng J，Li J K，Mou T S.Blue light hazard evaluation based on the luminance of light sources［C/OL］//Proceedings ofthe 2011 InternationalLaser Safety Conference(ILSC 2011).San Jose，California，USA:2011:250－253.［2013－05－13］.http://www.lia.org/store//ILSC2011_1201.