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别再空喊蓝光防护,年轻人要懂点科学

2019-11-04    

中国照明网报道

   作者:蔡建奇  

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导语: 如果说在蜡烛、油灯、白炽灯乃至节能灯时代,人类对于光的需求和控制尚只能以照亮、看清为基础,LED 的出现,让我们不需再被动适应地削足适履,而可以自主设计各种我们所需要的光谱能量分布(SPD)、调整各种我们所需要的光强,从而自主创造出满足我们人类需求的光——正是基于这些技术的实现,以人为本的照明——健康照明成为全球关注的重点。

  伴随半导体照明技术的快速发展,以 LED 光源为核心的照明和显示产品已在市场上得到快速普及,如果说在蜡烛、油灯、白炽灯乃至节能灯时代,人类对于光的需求和控制尚只能以照亮、看清为基础,LED 的出现,让我们不需再被动适应地削足适履,而可以自主设计各种我们所需要的光谱能量分布(SPD)、调整各种我们所需要的光强,从而自主创造出满足我们人类需求的光——正是基于这些技术的实现,以人为本的照明——健康照明成为全球关注的重点。

  针对健康照明基础研究的简要探讨

  与传统照明更多地聚焦于产品物理性能不同,健康照明的研究是以光对人的影响研究――光致人体生物机理影响为基础,在传统照明基础上集合了医学、生物医学工程、人因学、人工智能等多学科跨领域研究,以定量化的光生物影响机理为准绳,利用生理指标与物理指标的匹配模型通过智能控制的手段设计并实现以人为本的照明。

  眼睛、大脑和皮肤是光对人体影响的主要器官,目前已明确的对人体产生影响的灯具指标包括光谱能量分布、色温、显色指数、照度、亮度、频闪、眩光以及配光曲线,根据其对应关系我认为可以总结为五大研究重点:

  其一是光谱能量分布对于人的视觉、非视觉、脑功能、皮肤及代谢系统的关联机制研究,通过这一研究我们可以精准地研发设计出“健康”光谱,确定有益的色温变化范围,匹配适应的颜色质量系统。

  其二是在此研究基础上以日常人体受光照的器官的有效接触面积为对象,研究人体光生物周期最佳曝光量,通过这一研究我们可以根据人体特点设计出满足健康需求的、集合了光谱能量分布+ 色温+ 光强等多指标的时间周期变化曲线。

  其三是从光的方向性特性出发,以视觉影响为主要方向,研究漫射、直射、反射、偏振对于光环境的影响,从而在水平均匀度和垂直均匀度上提升环境空间的光分布,在有效降低眩光的同时满足人的视觉和脑力负荷需求。

  其四是针对频闪——占空比问题,研究频闪对于视觉系统和脑功能的影响,确定满足人体健康需求且兼顾性价比要求的频闪指标。

  其五就是在以上四个方面研究的基础上,针对不同场景、模式等需求,以光生物机理研究为基础实现对人体危害最小的光诱导和光胁迫的功能。

  想实现这个目标需要以科学、务实的态度,通过大样本量的人因实验、动物实验乃至细胞分子学实验才能真正有效解读出光对人体生物机理的短、中、长期影响。

  蓝光的光生物影响简述

  通常我们将波长范围在(400-500)nm 的光线称为蓝光辐射,其对人体的生理影响主要包括人眼和皮肤两个方面:

  对人眼的影响

  ① 对人眼视觉的影响

  眼睛是人最重要的感觉器官之一,它的构造十分复杂,且自身修复能力较弱,容易受到光学辐射伤害,导致光损伤。通常将光损伤分为三类:热损伤、机械损伤和光化学损伤。

  其中热损伤是指由光辐射所产生的热量导致温度上升使得眼组织内的各种蛋白质成分发生变性而产生的损伤,多数由红外辐射导致;

  机械损伤则是指人眼在极短的时间内接受强光照射使得眼组织在冲击下发生瞬间的变化而产生的机械性的损伤;

  光化学损伤则是一定光强下、特定光谱的光辐射在与人眼中的细胞和蛋白质产生光化学反应造成的损伤,如黄斑变性和白内障等。在视网膜光损伤中,化学反应起着相当重要的作用,目前广泛热议的蓝光对人眼可能造成的损伤就属于光化学损伤。

  我们的研究发现人眼对(400~440)nm 波段范围内的蓝光辐射耐受较低,其中尤以 430nm-440nm 附近的损伤耐受阈值最低,其耐受的等效照度约等于280 lx,而在445nm 以上波段,人眼视网膜的耐受阈值呈大幅度上升,等效照度超1500 lx以上。

  我们日常生活中所用到的 LED 光源多是以(450-500)nm 为峰值光谱的白光 LED,在常规照明条件下,其照度一般不超过1000 lx,对其光谱能量分布进行分析可以发现其中波长在440 nm 以下的辐射能量一般占总辐射能量的25% 以下(低于人眼视网膜的耐受阈值),因此我们常规使用的以(450-500)nm 为峰值光谱的LED 照明光源对人眼的短期损伤基本是不存在的。

  国际照明委员会(CIE)于今年3月份发表了关于蓝光危害的立场声明,在声明中明确指出:LED 等白光灯具,通常会包含与蓝光危害相关的光。看起来“偏冷光”的灯或高色温的灯,相对于“偏暖光”或低色温的灯而言,可能包含更多蓝光成分。

  常规照明中白炽灯和 LED 灯中,相同色温的灯具其蓝光危害曝光极限是相同的。实用评估表明,在合理可预见的使用状态下,灯具是不会超出蓝光危害曝光极限的。此外,这种灯具的蓝光曝光程度经常是低于观视蓝天时的曝光程度的。

  ②蓝光对人眼非视觉的影响

  蓝光的非视觉效应是指蓝光对人体生物钟、睡眠质量、警觉性和情绪等产生的影响。日有四季交替,月有阴晴圆缺,就是在这样的日月变化中形成了我们的生理节律。

  研究发现(450-480)nm 波段范围内蓝光辐射对褪黑素的分泌有抑制作用。褪黑素(melatonin,MT) 是一种主要由松果体分泌的吲哚胺类激素,可以控制人体的睡眠。

  因此 LED 照明光源中的蓝光成分可以通过抑制褪黑素的分泌,对人体的生理节律产生影响,但这种非视觉效应影响与光强呈正相关,可能存在触发光强阈值。

  对皮肤的影响

  皮肤作为人体最大的器官,时时刻刻处于光照环境下,日光辐射所导致的皮肤损伤所涉及的范围广泛, 包括急性的晒伤反应,局部及系统性免疫抑制,长期慢性反复接受日光辐射所致的皮肤光老化及皮肤的恶性肿瘤等。

  有研究称蓝光照射会使皮肤产生氧化应激反应,和烟草、空气污染、紫外辐射一样会对皮肤产生负面影响。为了定量评价蓝光辐射给皮肤带来的危害,本课题组通过 HFF-1 人皮肤成纤维细胞 / HaCaT 细胞(人永生化表皮细胞)的细胞活性检测实验对皮肤的蓝光光损伤展开了研究,实验中采用峰值为420nm、辐照度为 15W/m2 的蓝光光源对细胞进行持续3 小时的照射后,对其细胞活力进行检测。

  与此同时,利用黑色素细胞(A375)培养基对光致色素沉积的问题展开了研究。实验结果发现(400-440)nm 波段范围内的蓝光辐射会导致皮肤光老化和色素沉积。

  适宜人眼的光照需求探讨

  1、照度

  照度是指单位面积上所接受可见光的光通量,用来表示光照的强弱和物体表面积被照明程度的量,单位为勒克斯(lx),是用来进行光学性能评估的重要指标。

  在现有的国标中,对于桌面水平照度的要求基本为> 300lx,该指标是基于ISO 8995-1:2002《工作场所照明要求第一部分:室内照明》的照度要求。但是不可忽视的是 ISO8995-1 对于照度的要求是基于白种人即高加索人种的生理特征制定的,而属于东亚蒙古人种的中国人群在生理特征上与高加索人种存在着显著的差异,高加索人种的瞳孔大小约为6mm~8mm,而中国人的瞳孔大小约为3mm~5mm,此外作为黄种人的中国人色素耐光性远高于白种人的色素耐光性,因此我们眼瞳孔的入光量相较于白种人的需求更高。

  我们的研究发现,500 lx~750 lx 的桌面照度是最适于中国人眼的生理特性的。视觉的形成过程是人眼在接收到视觉信号后,在视网膜成像,刺激视网膜上的感光细胞,产生神经冲动,沿着视神经传到大脑皮层的视觉中枢,经视皮层识别和处理。

  视疲劳源自视觉信息处理期间视觉系统各器官的协同性功能响应,当视觉成像不清晰时,大脑会发出指令通过视神经控制睫状肌进行调节。进行视觉作业时,照度/ 光强的不均匀会导致人眼需要进行额外的调节,使人眼视疲劳加剧,因此桌面照度的水平均匀度应不低于0.8。

  2、亮度

  亮度是指单位面积上的发光强度,单位是坎德拉/ 平方米(cd/m2),是包含光强度和光方向的光度学指标,指人眼从一个方向观察光源,在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比, 因此,相较于照度而言,亮度更能准确地反应光照入眼的情况。

  在实验中我们发现当桌面亮度大于80cd/m2 以上时,人眼的视觉健康舒适度更优。视觉作业时的观看角度是多种多样的,为了有效地缓解视疲劳,保障视觉健康,应保证亮度的均匀度不低于0.8。

  3、色温范围

  当某一光源的色品与某一温度下的完全辐射体(黑体)的色品完全相同时,该完全辐射体(黑体)的绝对温度为此光源的色温度,单位为开尔文(K)。色温对于人体的影响主要跟作业效率相关,看起来“偏冷光”的灯或高色温的灯相对于“偏暖光”或低色温的灯而言可能会含有更多的蓝光成分,可以更好地保证工作、学习时的效率和警觉性。

  但过高色温如 6000K 以上,在高照度的情况下,可能存在440nm 以下的蓝光辐射过高,对人眼产生光损伤,因此建议选择色温为 4000K~6000K 的照明灯具。

  健康照明作为一个新兴的研究领域,目前我国与国际先进水平的差距微乎其微,通过严谨、科学、求真、务实的研究的不断努力,我国有望在这一新兴领域实现弯道超车,逐步实现我们所希望的——降低视觉疲劳、抑制近视发育、防止眼底损伤、调整生理节律、减缓皮肤老化、提升钙质吸收、改善代谢循环等各种以人为本的需求。

编辑:严志祥

来源:云知光

   作者:蔡建奇  

标签:蓝光  年轻人  科学  

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