1.LED照明色空間的不均勻問題

 

　　現(xiàn)今大多數(shù)照明用白光LED采用藍光芯片，其直接發(fā)出藍光，藍光激發(fā)YAG黃色熒光粉后，一部分轉(zhuǎn)化成黃光，與藍光一道合成白光。與三基色熒光粉發(fā)光合成的白光不同，同樣的相關(guān)色溫和色坐標，LED的發(fā)射光中含有比三基色熒光燈多得多的藍光。首先，我們看一下LED的輸出光譜。目前主流GaN芯片的阻擋層及輻射光譜參數(shù)為：阻擋層電勢：2.62～2.74V，相應(yīng)的輻射光子能量：2.62～2.74eV，輻射譜中心波長：450～470nm，相應(yīng)視見函數(shù)分別為：0.091～0.038，輻射譜帶半寬度：30nm。

 

　　當輻射譜激發(fā)YAG黃色熒光粉混合了藍光，形成一個發(fā)射光譜。黃色熒光粉不容易吸收藍色光子。如果按照450nm激發(fā)YAG的技術(shù)，要產(chǎn)生200lm/W的光效，轉(zhuǎn)換效率需達到60%。而目前普通水平的轉(zhuǎn)換效率只有20%～30%。因此，大量藍光就存在LED的輸出光譜中了。

 

　　各國照明組織一致認為，4000K以上高色溫白光LED對人的生物安全和健康會帶來一定危害。根據(jù)全球照明協(xié)會白皮書（White Paper of the GLA）對相似色溫的LED、CFL和白熾燈光譜中藍光成分的分析可以看到，LED的藍光成分數(shù)倍于熒光燈和白熾燈，而且還只是4000K色溫的LED，6500K藍光LED的藍光強度會更大，而且這還是在全球面求積分的條件下的數(shù)據(jù)。由于LED通常是窄光束，在投射區(qū)域光線特別集中，局部的藍光強度甚至可達同色溫?zé)晒鉄舻?0倍以上；同時也可以看到，色溫2700K且顯色指數(shù)80以上的高顯色白光LED的藍光輻射量比產(chǎn)生同樣光通量的熒光燈還要少。所以，色溫2700～3000K且顯色指數(shù)80以上的低色溫LED可以放心地在室內(nèi)使用。但這僅僅是作者的理論概念，實際上，簡單地以降低色溫的方法來抑制藍光是不科學(xué)的，會犧牲光效和顯色指數(shù)。缺乏紅光和綠光，顯色指數(shù)只能達到62～63，增加紅光和綠光的比例又勢必會增加成本，無疑對開發(fā)LED室內(nèi)照明產(chǎn)品有一定影響。要想在室內(nèi)照明領(lǐng)域得到與熒光燈一樣的照明效果，不能為降低成本而增加LED光源的生物安全風(fēng)險。遺憾的是，我國沒有任何LED開發(fā)公司對此作過風(fēng)險評估。

 

　　1.2 不均勻色空間的產(chǎn)生

 

　　從普通LED發(fā)出白光的光譜可以看出，這種方法輸出白光的突出問題是，LED有光環(huán)效應(yīng)，在某些場合不受歡迎。這歸結(jié)于LED發(fā)出定向光，由黃色熒光粉轉(zhuǎn)換，存在朗伯（Lambertian）行為，也就是白光LED空間顏色均勻性問題。從法線方向上發(fā)出的藍光最強，而被粉所吸收和最少。從目前的測量方法看，我們在對LED光源進行測量時，所得到的顯色指數(shù)只是色空間的平均顯色指數(shù)，同樣，得到的相關(guān)色溫值也只是光空間的平均色溫。這樣的色空間分布勢必會影響我們對物品真實顏色一致性的準確判斷。

 

　　2.藍光的光生物學(xué)危害

 

　　雖然LED的發(fā)展勢頭很好，但是其對人的健康、視力和生物效應(yīng)是必須考慮的。尤其是過多的藍光用于室內(nèi)照明，會對人的生理、心理和視神經(jīng)等產(chǎn)生一系列影響，這一結(jié)論早已被照明技術(shù)和光生物研究人員所接受。

 

　　照明，從目前研究結(jié)果來看，可以產(chǎn)生3種效應(yīng)：一是視覺效應(yīng)，以光的明度和顏色讓我們認識世界，感知周圍物體以利于分析判斷；二是心理效應(yīng)，同樣是明度和色度可使人產(chǎn)生輕重、遠近、冷暖、好惡的感覺，同時，不同的色光也影響我們的心情；三是生物效應(yīng)，可以控制我們的生物鐘，這就是為什么冬天會起床比較晚、夏天起床比較早的緣故。在可見光產(chǎn)生的光生物學(xué)效應(yīng)方面，當數(shù)藍光最大。最普遍的共識是，當藍光很強時人就沒有睡眠的欲望；相反，藍光很弱時則有利于人的睡眠。藍光輻射的峰值波長與視網(wǎng)膜藍光傷害特征曲線和人體非視覺感光曲線有比較大的重合。因此、在室內(nèi)采用白光LED時，有人擔心會傷害視網(wǎng)膜、擾亂生物鐘。

 

　　2.2 藍光是1種褪黑激素抑制劑

 

　　褪黑激素（Melatonin）是人腦部深處像松果般大小的“松果體”分泌的1種胺類激素，以前有人叫它“松果體素”。褪黑激素是迄今發(fā)現(xiàn)的最強的內(nèi)源性自由基清除劑，它參與抗氧化系統(tǒng)，防止細胞產(chǎn)生氧化損傷，在這方面，它的功效超過了已知的所有體內(nèi)物質(zhì)。最新研究證明，褪黑激素是內(nèi)分泌的總司令，它控制體內(nèi)各種內(nèi)分泌腺的活動。褪黑激素的作用主要有以下兩個方面：

 

　　（1）保護細胞防止病變。由于褪黑激素很容易進入細胞，因此，可擔任保護細胞核DNA的任務(wù)。如果DNA受到損害就可能導(dǎo)致癌變。

 

　?。?）褪黑激素的分泌是有晝夜節(jié)律的。夜幕降臨后，光刺激減弱，松果體合成褪黑激素的酶類活性增強，體內(nèi)褪黑素的分泌水平也相應(yīng)增高，在凌晨2～3時達到高峰。夜間褪黑激素水平的高低直接影響睡眠質(zhì)量。隨著年齡增長，松果體萎縮直至鈣化，造成生物鐘的節(jié)律性減弱或消失，特別是35歲以后，體內(nèi)自身分泌的褪黑激素明顯下降，平均每10年降低10%～15%，導(dǎo)致睡眠紊亂以及一系列功能失調(diào)。褪黑激素水平降低、睡眠減少，是人類腦衰老的重要標志之一。

 

　　由于白光LED中大量的藍光對褪黑色素的抑制，顯然會對健康產(chǎn)生不良影響。

 

　　2.3 藍光會使眼睛內(nèi)的黃斑區(qū)毒素量增高

 

　　這項研究源于2010年美國眼科學(xué)研究院的報告。報告認為，藍光可以穿透晶狀體到達視網(wǎng)膜，對視網(wǎng)膜造成光化學(xué)損害，加速黃斑區(qū)細胞的氧化。因此，藍光被研究證實是可以照射到視網(wǎng)膜的最具有危害性的可見光。常見的可能危害眼睛的藍光存在于強日光、閃光燈和白光LED等的光線中。更需要注意的是：藍光的最大危害性風(fēng)險發(fā)生在嬰幼兒時期。因為在0～2歲年齡段，約70%～80%的藍光會照射到視網(wǎng)膜；在2～10歲年齡段，約60%～70%的藍光會照射到視網(wǎng)膜。長時間暴露在藍光下會造成視網(wǎng)膜的退行性改變。

 

　　藍光的危害在臨床上表現(xiàn)為許多眼科疾病，如年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD），這也是全球主要的不可逆性致盲眼病之一。世衛(wèi)組織（WHO）愛眼協(xié)會公布：2006～2008年因藍光、輻射每年導(dǎo)致全球超過30000人失明，并在2009年底發(fā)出橙色預(yù)警：“藍光、輻射對人類的潛在隱性威脅將遠遠超過蘇丹紅、三聚氰胺、SARS、HINI流感病毒的破壞性，藍光輻射無形中吞噬著人的雙眼。”

 

　　中華醫(yī)學(xué)會眼科學(xué)分會數(shù)據(jù)顯示，中國有63.5%的網(wǎng)民因藍光、輻射有視力下降、白內(nèi)障、失明等不同程度的眼疾。德國眼科專家李查德·馮克（R.H.W.Funk）教授的研究報告指出：“當不合適的光持續(xù)照射我們的眼睛，會引起功能失調(diào)，尤其是LED燈、電腦屏幕等發(fā)出的含有大量不規(guī)則頻率的高能短波藍光，這些短波藍光具有極高能量，能夠穿透晶狀體直達視網(wǎng)膜，對視網(wǎng)膜造成光化學(xué)損害，直接或間接導(dǎo)致黃斑區(qū)細胞的損害。”

 

　　2.4 藍光可導(dǎo)致白內(nèi)障術(shù)后的眼底損傷

 

　　隨著年齡的增長，人眼睛本身的晶狀體會逐漸偏黃，有助于過濾藍光；然而，白內(nèi)障手術(shù)后病人失去了這些天然屏障，藍光將直達視網(wǎng)膜，進而損傷視網(wǎng)膜色素上皮細胞，嚴重影響眼底健康。

 

　　2.5 藍光可引發(fā)視覺模糊

 

　　藍光射入眼底經(jīng)過聚焦后，焦點沒有落在視網(wǎng)膜上，而是落在視網(wǎng)膜與晶狀體之間。這就增大了光線在眼內(nèi)聚焦的色差距離。這一點可以從同樣距離的兩個同樣大小的紅、藍光標志在我們眼睛上產(chǎn)生的距離感看到，藍光的距離就顯得稍近些，并且模糊些。這是由于眼內(nèi)焦點之間的距離造成的。所以，藍光的射入會加劇色差和視覺模糊度，使眼部肌肉過度緊張，從而導(dǎo)致視覺疲勞，引起視覺疲勞綜合癥。這就是LED、電腦顯示屏（VDT作業(yè)）等對視力產(chǎn)生危害的真相。

 

　　2.6 藍光容易引發(fā)眩光

 

　　LED藍光的中心波長為450nm，具有較高的頻率和能量。而頻率較高的光線在遇到空氣中細小粒子時發(fā)生散射的幾率較高，藍光便成了“晃眼”的主要原因。目前，很多道路照明使用白光LED，設(shè)計不良的燈具在使用中會產(chǎn)生強烈的眩光引發(fā)駕駛安全問題的可能性大大增加，這一點常常是在道路照明設(shè)計上缺失的。藍光在汽車前燈照明中引起的眩光問題可能比任何眩光都更突出。為此，我們可以做1個實驗，在以普通鹵鎢燈為光源的汽車前燈上覆蓋1層藍色濾光膜，紅光、黃光少了許多，但顯得更亮、更刺眼了，這就是藍色眩光。加了濾光膜的汽車前燈在路面上行駛，會給對面的車輛和行人造成極大的視覺不適應(yīng)，很容易引發(fā)交通事故。對此，國家交通部還曾發(fā)文要求立即無條件撕掉貼在汽車前燈上的這種所謂的“藍眼皮”。

 

　　在2012年長三角照明論壇上，有著名照明專家指出：有些白光LED道路照明設(shè)計中白光LED的光通量僅為高壓鈉燈光通量的30%～50%，更大的危害就是產(chǎn)生眩光。于是照明專家不禁提出疑問：這樣的照明設(shè)計符合道路照明標準嗎？安全能保證嗎？這就是LED燈宣稱的比光效120lm/W的高壓鈉燈節(jié)能的依據(jù)嗎？對于目前不理智地開發(fā)LED照明，有專家甚至指出：政府大量盲目的資助，對LED的不理智開發(fā)起了推波助瀾的作用，對已經(jīng)發(fā)熱的頭腦起到進一步加熱的作用，大量民間投資盲目跟風(fēng)，造成更加巨大的損失，反復(fù)的十城萬盞LED道路照明項目，使照明界陷入一片混亂，急功近利的戰(zhàn)略思維危害了LED的正常發(fā)展。

 

　　3.LED光生物安全的思考

 

　　LED照明開發(fā)方面出現(xiàn)的一系列光生物安全問題，是由于不能理智、科學(xué)地用光引起的。比如強烈的高色溫白光，用于室外環(huán)境照明，只要設(shè)計合理就問題不大；但用在室內(nèi)就不適合?，F(xiàn)在應(yīng)該盡快拿出產(chǎn)品的技術(shù)標準和使用規(guī)范，不能為了行業(yè)發(fā)展和商業(yè)利益而犧牲消費者的健康。目前，銷往歐洲的LED產(chǎn)品，需要按照IEC/EN62471進行風(fēng)險評級，自鎮(zhèn)流LED燈的CB認證必須包含IEC62471（《關(guān)于藍光對光源和燈具的危害評估的應(yīng)用》）和IECTR62471-2（《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全》）執(zhí)行光生物安全測試。我國這方面的工作剛剛起步，這類產(chǎn)品的生物安全標準是否直接使用IEC國際標準，還是有國標發(fā)行，目前還不明確，顯然，在健康考慮上是滯后的。

 

　　綜上所述，我們應(yīng)盡快制定LED用于室內(nèi)照明的光生物安全方面的標準，以引導(dǎo)LED產(chǎn)品進行相關(guān)的測試。這些測試項目應(yīng)該包括：

 

　　（1）兒童用LED光源的光生物安全評價；

 

　　（2）燈具藍光危害的測量。

 

　　3.1.2 對燈的要求

 

　　美國能源之星推薦的LED照明場合通常是窄光束的輔助照明場合，如廚房支架燈、筒燈、戶外安裝的壁燈和步道燈等，對于大規(guī)模的商用和家庭照明還在評估階段。所以，利用LED燈方向性強、無紅外線及紫外線等優(yōu)點，完全可以選擇合適的使用場合，而不是不考慮其長處和短處，在所有的場合都使用。對于家庭用LED照明，考慮到人的生物健康和安全，推薦使用低色溫、加柔光罩、不直接見到光源的LED照明燈具，但這些燈的光效和顯色性都不高，如果想營造1個較舒適的照明環(huán)境，還要使用高顯色性LED作光源。

 

　　3.2 道路照明

 

　　使用LED作光源的道路照明必須考慮眩光控制。對光的要求應(yīng)按照道路照明設(shè)計標準（CJJ45-91）規(guī)定的標準設(shè)計，超標準的設(shè)計施工會帶來能源的浪費和光污染。

 

　　按照CJJ45-91標準要求，道路照明設(shè)計要避免眩光，對于亮度在20000坎德拉/平方米以下的光源，應(yīng)采用半透明漫反射，改善燈具發(fā)光面，降低其亮度；或用反射器、格片或反射器格片組合來遮擋光源，使光源無法直接進入人眼。遮光燈罩可以隱蔽光源，避免眩光。遮擋角與保護角之和為90°。為減少眩光，規(guī)定快速路、主干路必須采用截光型、半截光型燈具；次干路應(yīng)采用半截光型燈具；支路宜采用半截光型燈具，布置仰角不宜超過15°，燈具最大光強方向和垂直夾角不宜超過65°等。

 

　　目前，一些城市的新建道路照明工程中使用的很多LED燈具光源都能直接照射到駕駛者眼睛，由這種眩光引發(fā)的交通事故可能會增加。

 

　　4.結(jié)束語

 

　　白光LED存在大量藍光，需要考慮其生物安全性。在使用節(jié)能光源LED的同時，應(yīng)該在正確的場合選擇合適的LED光源，不要讓有害光毀掉LED照明的未來。