LED 的光安全性和光生物效應

楊春宇，張志遠，黃 彥，馬俊濤，段 然

(重慶大學 建筑城規學院，山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

LED 燈是繼白熾燈、日光燈以及節能燈之后的一種新型光源，由于其具有極高的發光效率，近些年，市場正以驚人的速度日益擴大。LED 不僅在照明領域發展迅速，另一方面，隨著人們對光生物效應領域的不斷研究，研究者們發現，LED 由于其獨特的光譜特性和所含的藍光成分，能對人體的激素分泌和生理節律調節產生作用。因此，具有特定功能的LED 產品逐漸在生物、醫療領域嶄露頭角。人們用這種LED 產品調節生理節律，治療抑郁，提高工作學習效率。盡管擁有以上種種優點，但LED 確是一把雙刃劍，過量的LED 輻射對人眼視網膜可造成永久的不可逆的損傷。因此，在對LED 的應用研究中，研究者應綜合考慮LED 的光安全性和光生物效應，利用LED 對光生物效應有利的影響，并避免過劑量使用造成的對人體的不可逆損傷。

1 白光LED 的發光原理

在LED 家族中，沒有純白光的LED。實際上，純光LED 主要為“RGB”這3 種顏色，其中R 就是red，表示紅光;G 表示green，即綠光;而B 表示blue，就是藍光。其中，藍光LED 技術是在1998年v才被開發出來，由GaN 芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。這個技術還因此獲得了2014年v諾貝爾物理獎。在這3 種顏色的LED 中，藍光LED 能量最高。GaN基芯片發藍光，波長λ 等于465 nm，波長帶寬約為30 nm。我們將波長400～500 nm 之間的光稱為藍光。如圖1 所示，藍光的波長短，頻率高。根據愛因斯坦與普朗克的光量子能量計算公式，光子的能量等于普朗克常數與光子頻率的乘積，所以藍光的光子能量比紅光和綠光要高，這使我們可以用藍光來“激發”出其他顏色的光，比如黃光。

圖1 可見光光譜

LED 產品中的白光又是如何產生?如上文所說，藍光光子的能量高，用它可以激發熒光。一般用藍光LED 產生的藍光激發熒光粉產生黃光(原理類似于紫外線激發日光燈管內壁上的熒光粉發光)。黃光被藍光激發出來以后，它們一起從LED 里混合出射，我們會感覺好像是看到了白光，實際上這是藍與黃兩種顏色混合在一起的復合光。

基于這個原理，市面上常見色溫(2 700～6 500 K)白光LED 或其他白色系色溫LED，實質上是由藍光和黃光的不同能量配比調和而成。圖2 是實測的各色溫LED 的光譜能量分布。從圖2 中可以看出，由于是藍光激發，各色溫LED 在400～500 nm 藍光區間形成了一個陡峭的峰值。色溫越高，白光亮度越大，藍光的能量也就相應加大。

圖2 不同色溫LED 的光譜能量分布

2 藍光對人眼視網膜的損害

視網膜是人眼睛中用來接收光的組織，如圖3 所示。由上圖LED 的光譜能量分布可知，在400～500 nm藍光區域會產生一個陡峭的峰值，如果光源中的400～500 mm 藍光波段能量過高，眼睛長時間直視光源會引起視網膜的光化學損傷。

圖3 人眼球構造

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產生的損傷;藍光與視網膜色素上皮細胞(PRE 細胞)中的脂褐素反應所引發的損傷。這些光化學反應會產生大量具有細胞毒性的自由基，破壞視網膜細胞正常生長與工作。

3 LED 的光安全性評定

目前，國際上有關LED 安全性的標準有CIE S009/E:2002 和IEC60825。我國現行GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全性》即是采用的CIE標準。該標準對LED 造成的人眼光化學危害、視網膜藍光光化學損傷的曝輻限值作出了規定。

對曝輻限值的確定，標準中規定光源的光譜輻亮度與藍光危害函數加權積分后的能量，即藍光加權輻亮度LB不應該超過如下限值，見式(1)、式(2)。

式中:Lλ(λ，t)——光譜輻亮度，單位為W·m-2·sr·nm-1;

B(λ)——藍光危害加權函數;

Δλ——波長帶寬，單位為nm;

t——輻射持續時間，單位為s。

藍光加權函數B(λ)如表1 所示。

表1 光源對視網膜危害的光譜加權函數

由上文公式可知，曝輻限值實際上是藍光加權輻亮度在時間上的積分，為了便于理解，標準還給出了恒曝輻的加權輻亮度與時間的對應關系，如圖4 所示。

圖4 恒曝輻的加權亮度對時間的曝輻限值

4 LED 對人體的光生物效應

人造光源的發明，打破了人類日出而作，日落而息的生物節律，使人們可以自主地決定自己的作息時間。隨著科技發展和社會生產力的提高，照明進入到人們工作生活的各個領域，人類的工作效率和生物作息發生了極大變化。同時，人們不再滿足于光對視覺功能的需求，而是轉為研究光對于人體健康和舒適的更深層次需求。于是，光對人體所產生的生物效應越來越被研究者關注和重視。藍光對人體激素分泌和生物節律所產生的影響便成為近來光生物領域的研究熱點。

傳統研究認為，光之所以能被人眼所感知，主要是取決于視網膜上的錐狀感光細胞和柱狀感光細胞。其中，錐狀細胞對波長為555 nm 的光最敏感，人們將之稱為明視覺;而柱狀細胞的最大靈敏度發生在波長為507 nm 時，稱之為暗視覺。這是過去我們對光與人類視覺系統的所有認知。2002年v，美國Brown 大學的David Berson 教授發現，在人類視網膜中存在一種新的感光細胞，即第三種感光細胞(神經節細胞)，它對光的最大靈敏度在波長460 nm 附近，即藍光LED所對應的波長區域，如圖5 所示，它能夠直接作用于下丘腦的松果體，影響人體的生物節律和激素分泌。

圖5 三類視覺效應的光譜靈敏度分布

如今人們迫于生活壓力，越來越多的人工作時間變得不規律，這種長期的或間歇性的日夜顛倒工作時間導致人們工作效率低下，反應遲緩，神經衰弱等疾病，更有甚者影響正常的生理周期。應用藍光照明能刺激視網膜上的神經節細胞，抑制褪黑色素的分泌，使體內皮質醇的濃度增高，使原來的不適狀態得到明顯改善。2004年v，Cajochen 發現用460 nm 單色光照射2 h 后比555 nm 單色光照射后有更明顯的抑制褪黑色素作用，同時還會提高警覺反應，增加體溫心率，并降低皮膚末梢區域的溫度。另外，CIE 最新研究結果顯示，缺少藍光的光脈沖照射雖然能抑制褪黑色素分泌，但是可能引起生物鐘偏移。因此，與其他眾多光源相比，LED 更適合調節生理節律。因為傳統光源不容易得到相對集中的藍光光譜，并需要避免過量的熱輻射。

由上可以看出LED 對人體光生物效應的作用。因此，結合安全性考慮并采取科學適當的應用方式是非常必要的。

5 小 結

LED 與其他傳統光源不同，是一種全新的極具發展潛力的光源，LED 光生物安全和光生物效應，也成為一個被廣泛關注的問題，既是一種機遇，又是一種挑戰。對LED 光生物安全性的正確評價，與它的光生物效應相互促進，相輔相成。

［1］GB/T 20145—2006/ CIE S009/E:2002《燈和燈系統的光生物安全性》

［2］W.Horak，R.Neuhaus.Proceeding of CIE“ Expert Symposium on LED”，2004，5

［3］George C.Brainard，etc.Light and Health:Photoreception for biological，behavioral and therapeutic responses in Humans.Proceeding of CIE 2007，D6-2

［4］Horak，Werner.Comparison of the optical radiation safety requirements for Light Emitting Diodes.Proceeding of CIE 2007，D6-30