2014-10-10 光亚新世纪LED网
摘要
本文研究了LED 照明器件的蓝光特性，针对我国的LED 照明现状，通过测试LED 照明器件的光谱成分，根据现行国内外标准GB/T 20145--2006/CIE S009/E：2002 和IEC62471：2006，以及CTL‐0744_2009‐laser决议，分析了LED光生物安全性，给LED照明灯具制造和相关安全性标准、法律制定提供参考。
LED中蓝光的辐亮度值低于100W·m-2·Sr-1时对人眼属于无危害类型，正常使用情况下不会对人眼造成伤害，但是应该注意对特殊人群(小孩)的保护，避免长时间直视光源。灯具富蓝化也会影响人的作息规律，因此色温4000K 以下，显色指数80 的LED灯具适合在室内使用，同时还要根据不同的使用距离选择不同的参数的灯具。
引言
随着半导体技术及新型材料的不断发展，特别是GaN基发光二极管的发展趋于成熟，使得LED成为当今照明领域的最具发展前景的照明产品之一，被认为是第四代照明光源。具有高效、节能、环保、寿命长、体积小、响应速度快、耐振动、易维护等优点。现在已普遍运用于室内外照明和车灯、信号灯等。
随着LED光源的发光功率不断增大，LED的光学性能的不断提高，LED 市场不断扩大，已完全进入到我们的生活当中。这让我们不得不去了解LED 照明灯具的相关原理，以及它的安全性如何。
由于目前市场上普遍采用蓝色芯片激发黄粉混合而发白光的LED ，而高能蓝光能对人眼视网膜产生伤害，所以人们比较关注的是LED 灯具高能蓝光成分会不会对人眼造成伤害。
1.基础理论
由于白光是由三基色光混合而成，而人眼看到的白光至少需要两种及以上的颜色混合形成，而发光二极管的发光机理决定了其不能由单一的芯片发出连续光谱的白光，并且白光LED作为照明需要考虑光源显色指数及效而两者相互矛盾，因此只能采用混合形成白光。
目前合成白光的方式有三种：采用蓝光LED芯片激发YAG粉组合成白光和基于紫外光LED 激发三基色粉混合成为白光，以及采用红绿蓝三基色组成白光。
光谱图如图1所示，结构图如图2所示，白色LED结构示意图如图3 。
蓝光是白光中的重要光谱成分，高能蓝光对于人眼伤害，因此我们研究的重点就是找到一个安全的统一标准，给出相应的参数阈值。
Fig.3 Structure of white LEDs
2.蓝光对视网膜伤害
光对于人的伤害主要集中在紫外线、近紫外线和红外线加上400～500nm的蓝光。
光处于紫外或者近紫外时其光子能量大易引起光化学反应，致使细胞结构重组或者DNA损坏。光处于红外时，热效应使得体内的蛋白质变性致死。
蓝光对于人眼透射率高，而人眼中感光器和视网膜外表面的细胞层在紫外区和蓝光区都存在吸收峰，如图4所示。白光LED中激发光源为蓝光，正好处在吸收峰上。
蓝光危害主要波长集中在400～50nm，从图5中可以看出在蓝光波段危害加权函数急速上升
蓝光危害目前认为有两种机理，一种是视网膜的感光细胞吸收蓝光使得其能不断接受光子，造成细胞氧化损伤。并使得具有光毒性的褐脂质增加，造成细胞死亡。另一种是褐脂质的基团与褐脂质都具有光毒性吸收蓝光产生氧自由基，是细胞内溶酶体失活，造成细胞死亡。由于有抗坏血酸，能保护免受绿光伤害。
3.国内外光生物安全规定
国际上各国是结合IEC62471：2006“灯和灯系统的光生物安全性” 和EN 62471：2008来评定LED灯的安全性问题。
IEC62471：2006 和EN62471：2008中详述了光辐射可能给人眼或皮肤带来的六种危害类型、各种危害的曝辐限值、灯或灯系统安全等级的划分方法和光生物安全的测量等内容，提供了综合测量和评估照明产品光辐射安全性的准则。
当前主要通过测皮肤和眼睛前表面的辐照度(被照表面单位面积上接收到的辐射通量)和对于视网膜的危害则需要考虑眼睛的成像特性进行转换而测量LED 光源的辐亮度(单位面积源在给定的方向上、单位立体角内所发出的辐射通量) 。
是通过测量在1.4 rad 接收角内的辐照能量作为辐照度，这样测得的辐照度没有任何关于进入到眼睛视网膜上成像的信息，所以需要测量辐亮度。
3.1 辐照度测量
辐照度的测量是指从整个LED灯出射的光到被照面上的辐射能量，测试系统必须具有一个直径为D 的圆形平面探测器，且要达到需要的信噪比。考虑到人眼的生理特征，对于较大角度的来自光源的辐射只需要在80°全角内测量。测试系统如图7 所示。
3.2 辐亮度测量
用辐亮度值来换算成相关的辐照度的值，由于人眼接受到的是LED 光源一定立体角发出的光，而眼睛接受到的光能量又会随瞳孔的收缩、扩展而减小或增加。实际视网膜上的辐照度主要取决于光源的辐亮度和瞳孔对视网膜所张开的立体角。
根据能量守恒原理，光到达视网膜上的能量不可能大于光到达眼睛水晶体的能量，因此可以通过测量辐亮度再结合瞳孔的大小和瞳孔到视网膜的距离反过来测量辐照度。
其测量方法有两种：一种是标准的成像测量技术;一种是间接测量技术，但是两种方法都需要在特定的立体角范围内测量，其设想测试系统如图8 和图9 所示。
成像测试法是通过模仿人眼用透镜把光源成像到直径可变的面上来选择视场，而间接测量法则是通过孔径光阑在光源面上限制视场，然后换算得到。
在评价一个LED灯的质量好坏还应该考虑光谱的影响。因为人眼的光感灵敏度与光波长有很大的关系，因此我们应该注意到不同颜色的光对人的危害程度不一样，所以要在LED 的灯光测试中加入各种光的危害权重进行计算考量。即是求得光源的加权辐亮度值不能超过下面的限值
式中，Bλ为蓝光危害加权函数，其曲线如图10 Bλ所示。图10是蓝光危害和视网膜热随波长变化的加权函数曲线，测试的时候应该把光源的生理辐照度对图10中的对应波长范围做积分处理，将其结果再与公布的辐亮度限值做比较。
目前我国是单独采用非官方标准的GB/T 20145—2006/CIE S009/E ：2002，其把蓝光对于视网膜的危害分为4个类别(如表1中所示)。但是标准中还未涉及光源的色温问题，我们在实际的运用中必须考虑LED灯色温的影响，光源光谱和使用距离的影响。
4.LED灯危害分析
在自然界的太阳光中也存在蓝光成分，只是蓝光成分在整个光谱中有适当的比例。需要把LED 中蓝光能量控制在一个适当的比例。并且蓝光危害的问题并不是LED 灯特有的，之前的一些灯具都存在这个问题(如图11所示) ，荧光灯光谱都是分立的发光光谱，如果辐照度控制不好危害相对于LED灯具更大。
目前市场上的LED 灯都是采用蓝光的芯片发出蓝光激发黄色YAG 粉来调和成白光。其质量的好坏基本上能从LED灯具的光谱上、灯的蓝光辐照度值和色温中看出。
根据俞安琪对目前市场上一些LED 灯具的测试结果，可以看出总体上目前市场的灯在正常使用情况下是在无危险和低危险档的，低危害类正常是100s曝光时间内不会对人眼造成伤害，这个曝光时间对于人来说安全，但是在拆卸下防护罩之后测量结果显示辐亮度增加了一个数量级，因此只要我们在不拆卸灯的防护罩的情况下使用时不会造成危害，对于LED灯的危害还应该考虑在合适的场合使用相适应色温的LED灯具，目前市场上的LED 灯具在正常使用情况下都在安全范围以内。
光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。
色温低则光谱中红色成分多，相反则蓝色光偏多。也即是平常说的暖色光是色温在3300K以下，暖色光与白炽灯相近，红光成分较多，能给人以温暖，健康，舒适，比较想睡的感受。适用与家庭，住宅，宿舍，宾馆等场所或温度比较低的地方。冷色光则是色温在5300K以上，其中蓝色成分偏多。
日常的生活中早晨和傍晚的光偏暖色光，中午光偏冷白光。所以根据“中国科协第249次青年科学家论坛”会议及国际新的研究，灯具富蓝化会影响人的作息规律。因此高色温的LED灯具不适合用于室内照明应该尽量用色温偏低的灯具。
目前市场上的LED 灯具质量参差不齐，质量好的产品色温低，蓝光能量偏低，质量差的LED 产品色温高，蓝色成分多(如图12和图13)，因此在选择照明LED时，应该根据不同的用途选择不同规格的灯具。
选用LED灯具时还应考虑照明距离的影响，不同距离其灯具的辐照度不同，即根据照明距离选择合适的LED 灯具，因为测试LED 灯具的主要指标是辐照度，而辐亮度与人眼离光源的距离和所张开的立体角有关系，如台灯、用LED 作为背光的手机屏等使用时离人眼很近(光谱如图14，图15所示) ，因此这些灯的标准与安装在天花板上的LED 灯具标准不一样，应该更加严格。
5.结论
总体上目前国内的LED灯具都是在安全许可范围内，在正常使用情况下不会对人眼造成伤害，并且LED灯具相比于传统的照明光源在某些方面还表现出了很大的优势：
(1)LED 灯具已经能做到显色指数80以上，并且光效达到100lm·W- 1以上，色温在3000K，表现出了比普通白炽灯和荧光灯更好的照明和节能效果。
(2)LED 灯具有低功耗节能、光效高、寿命长的特点，使得其使用成本相对减小。
(3)搭配灵活可以选择不同的瓦数，同时LED 灯具抗震，所需电压、电流小，且为直流驱动，发热小，安全适合于危险场合和偏远山区电力资源紧缺地方照明。
(4)在路灯方面采用一二次混合配光技术可以使点光源扩展成面光源，能有效的消除眩光现象，让出行驾车更安全，且寿命长便于维护。
要正确理解所谓蓝光泄露问题，由于蓝光是白光的一部分，每天阳光中的蓝光比例也是在变化中的，因此单纯的想消除蓝光是不现实的，只需要把蓝光能量控制在安全的范围内。
室内应该选择在蓝光危害分类为低危害和无危害，色温在4000K以下，显色指数80以上的LED灯作为室内照明灯具。并应注意特殊人群(如小孩)的保护，避免长时间直视LED灯。
光化学反应过程与光辐射剂量有很大关系，即低剂量、长时间辐照和高剂量、短时间辐照效果是否相同还需要做进一步的研究，同时制定相关的安全标准。
同时还应该增加LED 灯具距离影响的研究，根据几种实际使用距离情况对LED灯具进行安全性研究及制定相关标准。最后应该模拟自然光进行LED灯具的配光设计，在不同场合配备不同的灯具。
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本文作者：申崇渝， 徐征， 赵谡玲， 黄清雨
作者单位： 北京交通大学发光与光信息技术教育部重点实验室，北京交通大学光电子技术研究所
