室內(nèi)空間LED照明藍光輻射分布的測量與計算

楊春宇，何 偉，梁樹英，張青文

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

引言

光輻射安全是判斷室內(nèi)照明是否健康的重要標準之一[1]，隨著發(fā)光二極管(LED)照明光源在室內(nèi)空間被廣泛使用[2]，它的光譜分布和能量輻射特性讓人們對其健康安全性產(chǎn)生了擔憂。與其他光源相比，白光LED照明光源產(chǎn)生更多的藍光光譜[3,4]，人眼視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)中的黑色素對藍光波長有很強的吸收作用[5]，過量的藍光輻射會破壞視網(wǎng)膜的細胞組織和蛋白質(zhì)結構，導致感光細胞、RPE細胞和神經(jīng)節(jié)細胞凋亡[6，7]。視網(wǎng)膜損傷程度與光譜、輻射強度、輻射時間有關[8，9]。室內(nèi)LED照明在正常使用的情況下不會對人眼造成傷害[10]，2019年國際照明委員會(CIE)發(fā)表了關于藍光危害的聲明，認為在合理可預見的使用狀態(tài)下，燈具是不會超出藍光危害曝光極限的[11]。盡管CIE發(fā)表聲明稱藍光對人眼是安全的，但目前缺乏關于室內(nèi)照明光譜分布輻射安全的具體參數(shù)，準確評價室內(nèi)照明光譜的輻射強度對于LED照明在室內(nèi)的應用具有十分重要的作用。

1 藍光危害的曝輻限值

國際電工委員會(IEC)發(fā)布的IEC 62471—2006[12]和IEC/TR 62778—2012[13]將單個光源的藍光危害進行等級分類，用藍光加權輻亮度LB、輻照度EB、曝輻時間t來表征。表1為不同藍光危害等級的參數(shù)閾值。

表1 不同藍光危害等級的參數(shù)閾值

IEC 62471—2006規(guī)定普通照明光源在產(chǎn)生500 lx照度的距離處(其他的在距離光源200 mm處)，通過探測器測量可視光源直射的光譜輻照度或是輻亮度[14]。IEC/TR 62778—2012推薦在200 mm、0.011 rad的條件下對光源進行測量以確定其藍光危害等級[15]。

視網(wǎng)膜損傷程度取決于視網(wǎng)膜接收到的光照水平[9]，只要眼睛處的藍光輻射強度不超過曝輻限值就不會引發(fā)視網(wǎng)膜損傷。在室內(nèi)空間的照明環(huán)境中，照明距離、視線角度、光譜分布以及環(huán)境反射等因素都會影響視網(wǎng)膜接收到的光輻射強度。室內(nèi)空間LED燈具通常安裝在天花板上，眼瞼對來自頭頂上方的光線有極好的遮蔽作用，正常站立或坐立的人不會長時間直視照明光源，即使偶爾看到表面亮度很高的光源，人眼具有天然防御光照傷害的機制，比如通過閉眼、轉移視線、瞳孔收縮和快速眼動等應激反射行為使視網(wǎng)膜避免受到來自強光的傷害[14]。因此，采用IEC 62471—2006的評價方法評價實際使用的室內(nèi)空間照明對人眼藍光輻射強度可能導致夸大的結果，在室內(nèi)正常活動的人們眼睛接收到的輻射強度應根據(jù)實際情況準確評估。本實驗在不同照明強度和照明距離下測量了LED照明的光譜功率分布，研究照明強度和照明距離與藍光輻射分布的關系。

2 研究方法

美國國際健康建筑研究中心(International WELL Building Institute, IWBI)提出眼睛處垂直向前的光照水平可以模擬進入眼睛的光線，以在工作平面上方45 cm處(距離地面120 cm)垂直向前的光照水平作為工作空間人坐立時的角膜照度為評價標準[15]。

在實驗室模擬室內(nèi)空間照明環(huán)境。實驗燈具為 LED燈管(有國家質(zhì)檢合格證書)，燈具安裝在天花板位置高度。在工作桌面照度為300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx下進行照度標定，根據(jù)工作面的位置、人坐立時眼睛的位置、人站立時眼睛的位置以及頭頂上方40 cm的位置(分別距離地面0.75 m，1.20 m，1.55 m，2.10 m)，設置4個光譜功率分布的實驗測點，如圖1所示，并通過設置遮光布簾避免其他光線的干擾。照明光源發(fā)光穩(wěn)定后采用CL-500A分光輻射照度計測量不同照明條件下的光譜功率分布并分別記錄，對5 000 K 色溫LED照明光譜的藍光輻射強度進行了計算和分析(其他色溫的數(shù)據(jù)還在分析中)。

圖1 立面空間光譜測量實驗測點布置Fig.1 Layout of experimental measuring points for spectral measurement of facade space

3 實驗結果及分析

3.1 藍光輻射強度的計算

圖2是不同照明距離下眼睛位置處5 000 K LED照明的光譜功率分布，從圖中可以看出隨著照明距離的減小(距離地面越大)眼睛接收到的光譜輻射強度越大，照明距離沒有明顯改變眼睛位置的光譜分布形狀，眼睛接收到的光譜輻射強度隨著照明距離的變化等比例變化。圖3是不同照明強度下眼睛位置5 000 K LED照明的光譜功率分布，隨著照明強度的增大，眼睛位置處的光譜輻射強度增大，光譜的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波長占比越大。

圖2 不同照明距離眼睛位置的光譜能量分布Fig.2 Spectral energy distribution at different illumination distances

圖3 不同照明強度眼睛位置的光譜能量分布Fig.3 Spectral energy distribution with different illumination intensity

根據(jù)IEC 62471—2006藍光輻射計算方法，藍光輻射對視網(wǎng)膜產(chǎn)生的光化學損傷可以通過藍光加權輻照度EB進行評估，室內(nèi)空間不同位置眼睛處的藍光加權輻照度EB，是該點位置的光譜輻照度Eλ與藍光危害函數(shù)B(λ)加權積分后的能量，可以通過式(1)計算得出該視點藍光加權輻照度。

(1)

式中Eλ是某波長光譜輻照度，單位W·m-2·nm-1；B(λ)是藍光危害加權函數(shù)，可通過查詢IEC 62471—2006第4.3.3條獲得；Δλ是光譜的波長帶寬，單位nm。

3.2 數(shù)據(jù)分析和討論

通過式(1)計算出不同照明距離和照度下眼睛位置5 000 K LED照明的藍光加權輻照度，結果見表2，通過軟件進行數(shù)據(jù)擬合和圖表分析，結果見圖4。

表2 5 000 K LED照明藍光加權輻照度

表2中，de是測點位置距離地面的距離，單位是m，Ev是工作桌面的水平照度，單位：lx。

圖4 不同照明距離和照明強度下眼睛位置的藍光加權輻照度Fig.4 Blue light weighted irradiance at different illumination distances and intensity

從圖4和表2可以看出，室內(nèi)照明光源對眼睛的藍光輻射強度隨著照明距離的減小而增大，即眼睛位置距離照明光源越近，眼睛接收到的藍光輻射強度越大。總的來說，人在正常坐立的情況下，眼睛位置的藍光輻射強度處于較低的水平，在300 lx桌面照度下，藍光加權輻射強度僅為0.041 W/m2，桌面照度為3 000 lx時，藍光輻射強度為0.36 W/m2，均遠遠低于IEC 62471—2006規(guī)定的1 W/m2藍光輻射的安全限值，屬于無危險級別。站立時眼睛接收到的藍光輻射強度比坐立時更大，在300 lx桌面照度時為0.052 W/m2，在3 000 lx桌面照度時為0.48 W/m2，仍處于藍光輻射的安全限值內(nèi)。對于特定的建筑空間，通常燈具安裝完成后照明距離是確定的，照明距離對于眼睛的藍光輻射強度影響不會變化。

在光照強度方面，當桌面照度為300 lx時，人坐立眼睛位置的藍光輻射強度為0.041 W/m2，桌面照度增加到3 000 lx時，人坐立眼睛位置的藍光輻射強度增大到0.36 W/m2，照明強度的增加會導致藍光輻射強度的顯著增大。當桌面照度為3 000 lx，在不直視光源的情況下，人站立時眼睛位置的藍光輻射強度也不超過0.48 W/m2，屬于安全限值內(nèi)。總的來說，在正常情況下人們在室內(nèi)坐立或走動，只要不長時間直視光源，室內(nèi)5 000 K色溫LED照明對眼睛的藍光輻射強度均在安全限值內(nèi)。

4 結論

目前建筑室內(nèi)越來越多地運用LED光源進行照明[16]，由于其光譜特性引發(fā)了人們對眼部健康潛在危害的擔憂，準確評價室內(nèi)LED照明對眼睛是否存在危害就顯得非常重要。在不同照明強度和照明距離下測量了LED照明的光譜功率分布并計算得出藍光輻射強度。實驗結果表明：

1)在不直視光源的情況下，室內(nèi)空間LED照明對人眼藍光輻射強度很大程度上取決于照明強度和照明距離，照明強度越大或照明距離越小，人眼處的藍光輻射強度越大。

2)色溫為5 000 K 的常規(guī)室內(nèi)空間LED照明，在照度不超過3 000 lx時藍光輻射強度在安全限值內(nèi)。其他色溫與照度的關系數(shù)據(jù)還有待進一步分析。