汽車(chē)LED前照燈光生物安全性研究

黃 婷，郭震寧,，林介本，張佳寧，李建鵬

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

汽車(chē)LED前照燈光生物安全性研究

黃 婷1，郭震寧1,2，林介本2，張佳寧1，李建鵬1

(1.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

分別對(duì)車(chē)用鹵素前照燈(Philips,H7)與LED前照燈(德國(guó)KEM公司的LED Headlight 2S)的光生物安全性(包括視網(wǎng)膜藍(lán)光危害、視網(wǎng)膜熱危害、眼睛近紫外危害)進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。所依據(jù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試原理是GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所作出的有關(guān)規(guī)定。實(shí)驗(yàn)采用光色電綜合分析系統(tǒng)和OST-300光輻射安全測(cè)試系統(tǒng)，分別測(cè)得鹵素前照燈與LED前照燈的光譜特性，分析光譜的組成特點(diǎn)以及分別測(cè)試鹵素?zé)襞cLED燈所產(chǎn)生的藍(lán)光危害值、光譜輻射亮度值、光譜輻射照度值。再分別計(jì)算出其視網(wǎng)膜熱危害值、眼睛的近紫外危害值及他們的曝輻限值。研究結(jié)果表明，兩者所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害及近紫外危害均可忽略不計(jì)，LED的藍(lán)光危害值達(dá)到1 783 W·m-2·sr-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鹵素車(chē)燈，LED的顯色指數(shù)為72.9，顯色性差，遠(yuǎn)低于鹵素車(chē)燈。根據(jù)測(cè)試的結(jié)果與前期的相關(guān)研究成果，針對(duì)LED前照燈面臨的顯色指數(shù)低、藍(lán)光危害高的問(wèn)題，文章提出了相應(yīng)的LED車(chē)燈的改進(jìn)措施。

汽車(chē)前照燈；光生物安全；白光LED；測(cè)試；藍(lán)光危害；健康照明

引言

LED光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領(lǐng)域[1]。隨著LED照明的迅速發(fā)展，LED燈具逐步取代傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈，市場(chǎng)滲透率逐年增加。但是，研究表明現(xiàn)在的白光LED大多是由藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉得到，因此可能產(chǎn)生藍(lán)光泄漏，造成藍(lán)光危害。LED光輻射對(duì)人類(lèi)健康的影響，表現(xiàn)為紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)以及可見(jiàn)光(主要是藍(lán)光)對(duì)眼睛各種組織產(chǎn)生的光化學(xué)損傷[2-3]。

白光LED 技術(shù)主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)： 一是利用藍(lán)光與黃色熒光粉配合形成白光; 二是多種單色光混合得到白光。多色混合白光LED的制作方式復(fù)雜，成本較高[4-5]。現(xiàn)在大多數(shù)白光LED光源是通過(guò)藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，光譜能量的峰值正好處于藍(lán)光波段[7]。現(xiàn)有研究表明435 nm至440 nm之間的藍(lán)光對(duì)眼睛的危害效應(yīng)最大[5]。Dirk Norren等人的大鼠實(shí)驗(yàn)表明，藍(lán)光危害有可能引起感光細(xì)胞的損傷[8]。A.Sbamsi等人在研究中發(fā)現(xiàn)被輻射強(qiáng)度為2.8 mW/cm2，波長(zhǎng)為390～550 nm的藍(lán)光照射6 h后，人眼視網(wǎng)膜中產(chǎn)生了光化學(xué)損傷[9]。此外，R. Sneha等人研究表明，紫外光會(huì)影響眼睛，嚴(yán)重的可以曬傷眼角膜和導(dǎo)致白內(nèi)障[10]。

LED前照燈已經(jīng)逐步取代鹵素?zé)簟?003年美國(guó)能源署(DOE)發(fā)表了車(chē)用LED的節(jié)能評(píng)估報(bào)告，僅對(duì)小轎車(chē)而言，若全美國(guó)都使用LED車(chē)燈，每年節(jié)省的燃料可達(dá)14億加侖。隨著LED在汽車(chē)照明上的廣泛應(yīng)用，人們開(kāi)始重視汽車(chē)車(chē)燈的光生物安全問(wèn)題。

我們對(duì)改裝的LED前照燈的光生物安全性進(jìn)行了測(cè)試研究，主要包括藍(lán)光危害值的測(cè)試、視網(wǎng)膜熱危害和近紫外危害的測(cè)試和計(jì)算。

1 理論研究

1.1 藍(lán)光危害

藍(lán)光危害主要是指波長(zhǎng)介于300 nm與700 nm的光輻射照射人眼后對(duì)眼睛引起的光化學(xué)作用，通常會(huì)存在導(dǎo)致視網(wǎng)膜損傷的風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)藍(lán)光輻亮度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2類(lèi)或者3類(lèi)時(shí)，會(huì)在較短的時(shí)間或瞬間對(duì)人眼造成的傷害[7]。為了防止長(zhǎng)期受到藍(lán)光輻射的視網(wǎng)膜產(chǎn)生視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷，國(guó)內(nèi)目前主要參考IEC 62471《Photo biological safety of lamps and lamp systems》[2]和GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》[3]兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)藍(lán)光對(duì)視網(wǎng)膜危害的閾值進(jìn)行了規(guī)定，光源的光譜輻亮度與藍(lán)光危害函數(shù)加權(quán)積分后的能量，也就是藍(lán)光危害的有效輻亮度不應(yīng)該超過(guò)式(1)所示的限值，即

(1)

式中Lλ(λ,t)為光譜輻亮度，單位是W·m-2·sr-1·nm-1；B(λ)為視網(wǎng)膜藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)；Δλ為波長(zhǎng)帶寬，單位是nm；t為輻照時(shí)間，單位是s。

1.2 視網(wǎng)膜熱危害曝輻限值

為了防止視網(wǎng)膜熱損傷，光源的積分光譜輻亮度Lλ與熱危害加權(quán)函數(shù)函數(shù)R(λ)加權(quán)后得出的值，也就是熱危害加權(quán)輻亮度不應(yīng)該超過(guò)公式(2)定義的限值[3]：

(2)

式中LR為光譜輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·nm-1；R(λ)為熱危害加權(quán)函數(shù)；Δλ為波長(zhǎng)帶寬，單位為nm；t為觀(guān)察持續(xù)時(shí)間(對(duì)于脈沖燈則是脈沖寬度)，單位為s；α為光源的對(duì)邊角，單位為rad。

1.3 眼睛的近紫外危害曝輻限值

光譜范圍在315～400 nm之間的光輻射(UV-A)對(duì)眼睛的總的曝輻射量,在時(shí)間小于1 000 s的情況下將不能超過(guò)10 000 J·m-2；在時(shí)間大于1 000 s的情況下，對(duì)沒(méi)有保護(hù)措施的眼睛UV-A波段輻照度EuvA不應(yīng)該超過(guò)10 W·m-2。這些標(biāo)準(zhǔn)可以表示為式(3)[3]：

t<1 000 s

(3)

式中Eλ(λ,t)為光譜輻照度，單位為W·m-2·nm-1；Δλ為波長(zhǎng)帶寬，單位為nm;t為輻射持續(xù)時(shí)間，單位為s。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司的光輻射安全測(cè)試系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)的暗室內(nèi)，對(duì)KEM公司的2S LED Headlight前照燈和Philips公司生產(chǎn)的12972PRC1，H7型號(hào)的鹵素前照燈進(jìn)行藍(lán)光輻射危害測(cè)試及進(jìn)行視網(wǎng)膜熱危害和近紫外危害的計(jì)算。最后，對(duì)測(cè)試結(jié)果的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 光譜測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司的LED光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)控高精度恒流電源給待測(cè)電源供電，積分球和光譜輻射計(jì)能夠快速測(cè)量待測(cè)LED的光通量和光譜功率分布。圖1為L(zhǎng)ED改裝前照燈及實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖。改裝LED前照燈與Philips鹵素前照燈的相對(duì)光譜功率分布如圖2所示。選取KEM公司的LED前照燈與Philips公司的鹵素前照燈進(jìn)行輻射危害測(cè)試，光色電參數(shù)如表1所示。

圖1 LED改裝前照燈及實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.1 LED Headlight and experimental measurement

用兩個(gè)輸出為12 V，3 A的蓄電池，充滿(mǎn)電后中，分別給兩種前照燈供電，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在相同電功率下，LED前照燈的色溫明顯高于鹵素前照燈，但鹵素?zé)粼陲@色指數(shù)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。從LED前照燈與鹵素前照燈的相對(duì)光譜功率分布可以看出，由于白光LED是通過(guò)藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉得到的，于是LED的光譜功率分布的峰值處于420～490 nm，色溫最高可達(dá)6 000 K。而鹵素前照燈的光譜功率分布則是紅光部分占的比例較大，且光譜均勻性較好，色溫較低，顯色指數(shù)接近于太陽(yáng)光。

2.3 藍(lán)光危害、視網(wǎng)膜熱危害及眼睛的近紫外危害研究

實(shí)驗(yàn)使用杭州遠(yuǎn)方光電光輻射安全測(cè)試系統(tǒng)OST-300，它完全滿(mǎn)足IEC/EN 62471/CIE S009，IEC/TR 62778，GB/T 20145，IEC/EN 60598 Annex P.，IEC/EN 60432，IEC/EN 60335,GB 7000.1，2009/125/EC歐盟指令等標(biāo)準(zhǔn)要求。系統(tǒng)配備精密自動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，可自動(dòng)尋找和獲取最大輻射位置，并在最大輻射位置自動(dòng)測(cè)量各種燈和燈系統(tǒng)的光生物危害值，進(jìn)行安全等級(jí)分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用車(chē)載電瓶(輸出為U=12 V，I=3 A)給鹵素前照燈與LED前照燈供電。圖3為光輻射安全測(cè)試系統(tǒng)OST-300設(shè)備。

圖3 光生物安全測(cè)試設(shè)備Fig.3 The instrument of photobiological safety

1)藍(lán)光危害測(cè)試與研究。根據(jù)國(guó)際上最新發(fā)布的光生物安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62471：2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，對(duì)視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的曝輻限值進(jìn)行了規(guī)定，根據(jù)遠(yuǎn)方光輻射安全測(cè)試系統(tǒng)操作規(guī)范，把光源移至距探頭200 mm的位置進(jìn)行對(duì)焦測(cè)試。對(duì)焦時(shí)，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測(cè)出準(zhǔn)確可靠的藍(lán)光危害值。圖4(a)為L(zhǎng)ED前照燈對(duì)焦測(cè)試圖像，調(diào)節(jié)IP值至67.5%，圖4(b)為鹵素前照燈的對(duì)焦測(cè)試圖像，調(diào)節(jié)IP值為72.7%，IP值均符合操作要求。表2為視網(wǎng)膜藍(lán)光危害測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖4 兩種前照燈對(duì)焦測(cè)試圖像Fig.4 Focus adjustment of the two kinds of headlight

表2 鹵素前照燈與LED前照燈藍(lán)光危害實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在相同的電壓電流下，且相同的測(cè)試距離處，LED前照燈的照度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹵素?zé)簦瑑烧叩牧炼戎迪嗨疲珒烧叩乃{(lán)光危害值都大于公式所規(guī)定的曝輻限值。LED前照燈所產(chǎn)生的藍(lán)光危害值是鹵素?zé)舻?.2倍，從光譜功率分布也可看出LED的峰值處于藍(lán)光波段，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的藍(lán)光危害。根據(jù)IEC 62471—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》的規(guī)定，兩者所產(chǎn)生的藍(lán)光危害值均大于閾值，并達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的一類(lèi)危害。

2)視網(wǎng)膜熱危害測(cè)試與研究。在測(cè)試光譜輻射亮度時(shí)，按照遠(yuǎn)方OST-300操作規(guī)范，把光源移到標(biāo)準(zhǔn)要求的距離探頭500lx處，由于信號(hào)較強(qiáng)，于是我們選擇加了兩個(gè)衰減片，選擇單次曝光，曝光時(shí)間設(shè)置為60 s，再調(diào)節(jié)探頭后面的螺旋桿調(diào)節(jié)其焦距，使圖像清晰，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測(cè)出準(zhǔn)確可靠的輻射亮度值。圖6(a)LED前照燈進(jìn)行輻亮度測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)IP值至54.8%的測(cè)試圖像，圖6(b)為鹵素?zé)暨M(jìn)行輻亮度測(cè)試時(shí)，IP值調(diào)值48.9%的測(cè)試圖像，因此，測(cè)出的結(jié)果是正確的。圖5是所得出的光譜輻射亮度分布。

圖5 鹵素與LED前照燈的光譜輻射亮度分布Fig.5 Spectrum radiant intensity of halogen headlight and LED headlight

從圖6中可以看出，光譜輻射亮度分布趨勢(shì)與相對(duì)光譜功率分部趨勢(shì)相同，從而能夠通過(guò)MATLAB計(jì)算出現(xiàn)網(wǎng)膜熱危害值及限值。表3為根據(jù)公式(2)計(jì)算出的視網(wǎng)膜熱危害值，其中t取10 s，計(jì)算出相應(yīng)的限值，從計(jì)算結(jié)果可以看出兩種前照燈的視網(wǎng)膜熱危害均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但LED所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害大于鹵素?zé)簟?/p>

圖6 LED與鹵素?zé)糨椓炼葴y(cè)試對(duì)焦圖像Fig.6 Focus adjustment of LED and halogen headlight

表3 鹵素前照燈與LED前照燈視網(wǎng)膜熱危害計(jì)算結(jié)果

2.3.3 眼睛的近紫外危害

把光源移到標(biāo)準(zhǔn)要求的距離探頭500 lx處，由于信號(hào)較強(qiáng)，加了兩個(gè)衰減片，選擇單次曝光，曝光時(shí)間設(shè)置為60 s，再調(diào)節(jié)探頭后面的螺旋桿調(diào)節(jié)其焦距，使圖像清晰，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測(cè)出準(zhǔn)確可靠的輻射照度值。圖7(a)(b)分別為L(zhǎng)ED的光譜輻射照度分布和鹵素?zé)舻墓庾V輻射照度分布。表4為根據(jù)公式(3)計(jì)算得出LED前照燈與鹵素前照燈的近紫外危害值。

圖7 LED與鹵素前照燈的光譜輻射照度分布Fig.7 Specturm irradiance of LED and halogen headlight

表4 鹵素前照燈與LED前照燈近紫外危害計(jì)算結(jié)果

從表3、表4可看出，兩者的照度值并未達(dá)到500 lx，這是由于車(chē)載電瓶電流輸出不穩(wěn)定，隨著測(cè)試實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，兩者的照度值相對(duì)于操作標(biāo)準(zhǔn)500 lx會(huì)有些許誤差。從測(cè)量距離與照度值可看出，LED的照度效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鹵素前照燈。從兩者的光譜功率分布可以看出，鹵素?zé)舻牟ㄩL(zhǎng)范圍可達(dá)到全光譜，但為了與LED有可比性，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試的波長(zhǎng)范圍為380～800 nm。LED前照燈的波長(zhǎng)范圍為380～800 nm，屬于可見(jiàn)光的范疇，因此它們幾乎不含有紫外和紅外光的成分，因此，兩者所產(chǎn)生的紅外、紫外危害均可忽略不計(jì)。

3 改進(jìn)方案

表5為實(shí)驗(yàn)得出的鹵素前照燈與LED前照燈的藍(lán)光危害值、視網(wǎng)膜熱危害值、眼睛的近紫外危害值以及顯色指數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)比。從表中可以看出，兩者所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害、近紫外危害均可忽略不計(jì)，但是藍(lán)光危害值LED前照燈卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鹵素前照燈，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的閾值。顯色指數(shù)也明顯低于鹵素前照燈。針對(duì)汽車(chē)LED前照燈藍(lán)光危害超標(biāo)且顯色指數(shù)低的問(wèn)題，我們提出以下兩種解決方案：①使用市面上已經(jīng)存在的低色溫高顯色指數(shù)白光LED代替現(xiàn)如今普遍用于汽車(chē)前照燈的高色溫白光LED芯片，但生產(chǎn)成本較高。②基于我們前期研究成果[17], 通過(guò)不同色溫LED間的混色，能夠改善白光LED的光譜均勻性，有效降低光源的藍(lán)光危害和提高光源顯色指數(shù)。

表5 鹵素前照燈與LED前照燈光輻射安全對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)車(chē)用鹵素前照燈(Philips,H7)與LED前照燈(德國(guó)KEM公司的LED Headlight 2S)的光生物安全進(jìn)行測(cè)試，分析比對(duì)了GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及危害等級(jí)分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被測(cè)樣品LED前照燈的照度值及亮度值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹵素前照燈，同時(shí)LED前照燈產(chǎn)生的藍(lán)光危害輻射值、視網(wǎng)膜熱危害輻射值均大于鹵素?zé)簦饮u素前照燈與LED前照燈的藍(lán)光危害輻射值達(dá)到了GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所規(guī)定的1類(lèi)危害。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，兩者產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，兩者產(chǎn)生的眼睛近紫外危害均可忽略不計(jì)。LED前照燈在照度值、消耗的能量、點(diǎn)亮的速度、發(fā)熱及使用壽命等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的鹵素前照燈。但通過(guò)對(duì)兩種汽車(chē)前照燈光生物安全性的測(cè)試，被測(cè)樣品LED前照燈的輻射危害值大于傳統(tǒng)的鹵素?zé)簦捎跍y(cè)試樣品過(guò)少，并不能得出普遍結(jié)論。但通過(guò)對(duì)LED與鹵素?zé)艄庾V功率分布的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LED的光譜能量峰值在藍(lán)光波段，因此相較于鹵素?zé)舸嬖谳^大的可能產(chǎn)生藍(lán)光危害。因此，LED用于汽車(chē)照明還需要在對(duì)人體的光輻射安全性方面及顯色性方面，進(jìn)行相應(yīng)的研究與改進(jìn)，降低藍(lán)光危害，提高顯色指數(shù)，提高汽車(chē)前大燈的照明質(zhì)量。

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Photobiological Safety Research Based on Modified LED Automobile Headlight

HUANG Ting, GUO Zhenning, LIN Jieben, ZHANG Jianing, LI Jianpeng

(1.InstituteofinformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 2.FujianProvincialKeyLaboratoryofLightPropagationandtransformation,Xiamen361021,China)

In the article, we tested the photo-biological safety(the blue light hazard to retina, the thermal hazards to retina and the near ultraviolet radiation to eyes) of automotive head lamp including halogen lamp(Philips H7) and LED(LED Headlight 2S from German company named KEM ). At the same time, we analyzed the result of experiments based on GB/T 20145—2006Thebiologicalsafetyoflightlampandlampsystem. In the experiments, we used the light color electricity comprehensive analysis system and OST-300 the optical radiation safety test system, measured the spectral characteristics of halogen lamp and LED lights respectively. Then, we analyzed the composition of spectral characteristics, afterwards, we measured the blue light hazard to retina, spectral radiance and spectral radiant intensity of illumination from halogen lamp and LED. And then we calculated the value of the thermal hazards to retina and the near ultraviolet radiation to eyes according to the scientific principles. The research results show that both the retina thermal damage and near ultraviolet harm are negligible. The LED’s blue light hazard reached 1 783 W·m-2·sr-1which is far higher than the halogen lamp. And CRI (color rendering index) of LED headlight is 72.9 which is is far lower than the halogen headlight. Then, according to the results of the tests and the previous research results, in the view of LED’s problem that low CRI(color rendering index) and high blue light hazard, there have some corresponding improvement measures in this article which use white LED of low color temperature and high color rendering index.

automobile headlamp; photo biological safety; white LEDs; detection; blue light hazard;healthy lighting

福建省科技計(jì)劃引導(dǎo)性重點(diǎn)項(xiàng)目(2016H0022);光傳輸與變換福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2014201);泉州市科技計(jì)劃(2015TZ31);華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目(1400401014) 通信作者：郭震寧，E-mail:znguo@hgu.edu.cn。

TP391.75；O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.016