LED 的光安全性和光生物效應

楊春宇，張志遠，黃 彥，馬俊濤，段 然

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

LED 燈是繼白熾燈、日光燈以及節(jié)能燈之后的一種新型光源，由于其具有極高的發(fā)光效率，近些年，市場正以驚人的速度日益擴大。LED 不僅在照明領域發(fā)展迅速，另一方面，隨著人們對光生物效應領域的不斷研究，研究者們發(fā)現，LED 由于其獨特的光譜特性和所含的藍光成分，能對人體的激素分泌和生理節(jié)律調節(jié)產生作用。因此，具有特定功能的LED 產品逐漸在生物、醫(yī)療領域嶄露頭角。人們用這種LED 產品調節(jié)生理節(jié)律，治療抑郁，提高工作學習效率。盡管擁有以上種種優(yōu)點，但LED 確是一把雙刃劍，過量的LED 輻射對人眼視網膜可造成永久的不可逆的損傷。因此，在對LED 的應用研究中，研究者應綜合考慮LED 的光安全性和光生物效應，利用LED 對光生物效應有利的影響，并避免過劑量使用造成的對人體的不可逆損傷。

1 白光LED 的發(fā)光原理

在LED 家族中，沒有純白光的LED。實際上，純光LED 主要為“RGB”這3 種顏色，其中R 就是red，表示紅光;G 表示green，即綠光;而B 表示blue，就是藍光。其中，藍光LED 技術是在1998年v才被開發(fā)出來，由GaN 芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。這個技術還因此獲得了2014年v諾貝爾物理獎。在這3 種顏色的LED 中，藍光LED 能量最高。GaN基芯片發(fā)藍光，波長λ 等于465 nm，波長帶寬約為30 nm。我們將波長400～500 nm 之間的光稱為藍光。如圖1 所示，藍光的波長短，頻率高。根據愛因斯坦與普朗克的光量子能量計算公式，光子的能量等于普朗克常數與光子頻率的乘積，所以藍光的光子能量比紅光和綠光要高，這使我們可以用藍光來“激發(fā)”出其他顏色的光，比如黃光。

圖1 可見光光譜

LED 產品中的白光又是如何產生?如上文所說，藍光光子的能量高，用它可以激發(fā)熒光。一般用藍光LED 產生的藍光激發(fā)熒光粉產生黃光(原理類似于紫外線激發(fā)日光燈管內壁上的熒光粉發(fā)光)。黃光被藍光激發(fā)出來以后，它們一起從LED 里混合出射，我們會感覺好像是看到了白光，實際上這是藍與黃兩種顏色混合在一起的復合光。

基于這個原理，市面上常見色溫(2 700～6 500 K)白光LED 或其他白色系色溫LED，實質上是由藍光和黃光的不同能量配比調和而成。圖2 是實測的各色溫LED 的光譜能量分布。從圖2 中可以看出，由于是藍光激發(fā)，各色溫LED 在400～500 nm 藍光區(qū)間形成了一個陡峭的峰值。色溫越高，白光亮度越大，藍光的能量也就相應加大。

圖2 不同色溫LED 的光譜能量分布

2 藍光對人眼視網膜的損害

視網膜是人眼睛中用來接收光的組織，如圖3 所示。由上圖LED 的光譜能量分布可知，在400～500 nm藍光區(qū)域會產生一個陡峭的峰值，如果光源中的400～500 mm 藍光波段能量過高，眼睛長時間直視光源會引起視網膜的光化學損傷。

圖3 人眼球構造

這種損傷主要分為兩類:藍光直接與視覺感光細胞中的視覺色素反應產生的損傷;藍光與視網膜色素上皮細胞(PRE 細胞)中的脂褐素反應所引發(fā)的損傷。這些光化學反應會產生大量具有細胞毒性的自由基，破壞視網膜細胞正常生長與工作。

3 LED 的光安全性評定

目前，國際上有關LED 安全性的標準有CIE S009/E:2002 和IEC60825。我國現行GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》即是采用的CIE標準。該標準對LED 造成的人眼光化學危害、視網膜藍光光化學損傷的曝輻限值作出了規(guī)定。

對曝輻限值的確定，標準中規(guī)定光源的光譜輻亮度與藍光危害函數加權積分后的能量，即藍光加權輻亮度LB不應該超過如下限值，見式(1)、式(2)。

式中:Lλ(λ，t)——光譜輻亮度，單位為W·m-2·sr·nm-1;

B(λ)——藍光危害加權函數;

Δλ——波長帶寬，單位為nm;

t——輻射持續(xù)時間，單位為s。

藍光加權函數B(λ)如表1 所示。

表1 光源對視網膜危害的光譜加權函數

由上文公式可知，曝輻限值實際上是藍光加權輻亮度在時間上的積分，為了便于理解，標準還給出了恒曝輻的加權輻亮度與時間的對應關系，如圖4 所示。

圖4 恒曝輻的加權亮度對時間的曝輻限值

4 LED 對人體的光生物效應

人造光源的發(fā)明，打破了人類日出而作，日落而息的生物節(jié)律，使人們可以自主地決定自己的作息時間。隨著科技發(fā)展和社會生產力的提高，照明進入到人們工作生活的各個領域，人類的工作效率和生物作息發(fā)生了極大變化。同時，人們不再滿足于光對視覺功能的需求，而是轉為研究光對于人體健康和舒適的更深層次需求。于是，光對人體所產生的生物效應越來越被研究者關注和重視。藍光對人體激素分泌和生物節(jié)律所產生的影響便成為近來光生物領域的研究熱點。

傳統(tǒng)研究認為，光之所以能被人眼所感知，主要是取決于視網膜上的錐狀感光細胞和柱狀感光細胞。其中，錐狀細胞對波長為555 nm 的光最敏感，人們將之稱為明視覺;而柱狀細胞的最大靈敏度發(fā)生在波長為507 nm 時，稱之為暗視覺。這是過去我們對光與人類視覺系統(tǒng)的所有認知。2002年v，美國Brown 大學的David Berson 教授發(fā)現，在人類視網膜中存在一種新的感光細胞，即第三種感光細胞(神經節(jié)細胞)，它對光的最大靈敏度在波長460 nm 附近，即藍光LED所對應的波長區(qū)域，如圖5 所示，它能夠直接作用于下丘腦的松果體，影響人體的生物節(jié)律和激素分泌。

圖5 三類視覺效應的光譜靈敏度分布

如今人們迫于生活壓力，越來越多的人工作時間變得不規(guī)律，這種長期的或間歇性的日夜顛倒工作時間導致人們工作效率低下，反應遲緩，神經衰弱等疾病，更有甚者影響正常的生理周期。應用藍光照明能刺激視網膜上的神經節(jié)細胞，抑制褪黑色素的分泌，使體內皮質醇的濃度增高，使原來的不適狀態(tài)得到明顯改善。2004年v，Cajochen 發(fā)現用460 nm 單色光照射2 h 后比555 nm 單色光照射后有更明顯的抑制褪黑色素作用，同時還會提高警覺反應，增加體溫心率，并降低皮膚末梢區(qū)域的溫度。另外，CIE 最新研究結果顯示，缺少藍光的光脈沖照射雖然能抑制褪黑色素分泌，但是可能引起生物鐘偏移。因此，與其他眾多光源相比，LED 更適合調節(jié)生理節(jié)律。因為傳統(tǒng)光源不容易得到相對集中的藍光光譜，并需要避免過量的熱輻射。

由上可以看出LED 對人體光生物效應的作用。因此，結合安全性考慮并采取科學適當的應用方式是非常必要的。

5 小 結

LED 與其他傳統(tǒng)光源不同，是一種全新的極具發(fā)展?jié)摿Φ墓庠?，LED 光生物安全和光生物效應，也成為一個被廣泛關注的問題，既是一種機遇，又是一種挑戰(zhàn)。對LED 光生物安全性的正確評價，與它的光生物效應相互促進，相輔相成。

［1］GB/T 20145—2006/ CIE S009/E:2002《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》

［2］W.Horak，R.Neuhaus.Proceeding of CIE“ Expert Symposium on LED”，2004，5

［3］George C.Brainard，etc.Light and Health:Photoreception for biological，behavioral and therapeutic responses in Humans.Proceeding of CIE 2007，D6-2

［4］Horak，Werner.Comparison of the optical radiation safety requirements for Light Emitting Diodes.Proceeding of CIE 2007，D6-30