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今天,好好聊聊健康

2019-03-15 文章来源:ledinside 阅读原文

科学研究发现,光作为人体昼夜节律系统主要驱动力之一,无论是自然的太阳光还是人造光源,都会引发一连串的生理节律反应。光通过视觉和非视觉作用,不同程度地影响着人体健康。因此,倡导“健康”,提高光品质及舒适性具有非常重要的现实意义。

所谓健康,就是通过,改善并提高人们工作、学习、生活的条件和质量,促进心理和生理健康。

太阳光谱是最健康的光谱。太阳光谱主要包括紫外、可见及红外光谱。紫外线具有杀菌消毒的作用.可以杀灭螨虫等微生物或病原体,促进维生素D合成,对佝偻病和软骨症有预防和治疗作用,还能预防老年人骨质疏松症,有消炎止痛、促进局部血液循环、调节免疫力等作用;红外线在人体组织代谢、血液循环、人体免疫功能增强等方面具有很好的治疗作用;同时对于肌肉痉挛、肌肉劳损、软组织损伤、身体组织消肿有治疗作用。

所谓健康主要是指用于的人造光源光谱应尽可能近太阳可见光谱(即仿自然光),必须满足场所的功能性要求和人们的心理要求。既要求灯光的舒适度,又要在色温、亮度、光与影的和谐度方面满足人们的心理情绪。在高显色指数的基础上,减少蓝光(R12)的相对能量,以防止蓝光危害;增加红光(R9)的相对能量,以促进人体的身心健康。

一组自然可见光谱

01 蓝光问题

据官方数据统计,我国7-12岁、13-15岁、16-18岁学生患有眼疾概率分别为45.71%、74.36%及83.28%,青少年眼疾发病率已超越日本成为世界第一大国。

人们普遍将原因归为两方面,一是孩子功课压力大,过度用眼;二是长时间对着手机和平板电脑这类电子产品。两方面因素造成了青少年眼部疲劳,致使眼睛调节能力下降,进而诱发眼部疾病。

根据国际委员会CIE于2002年发布的研究报告(CIE S 009/E:2012):蓝光可以引起视网膜的光化学损伤,主要集中在视网膜色素内表皮细胞,并在视网膜上形成弧光和盲点。眼睛之所以能看到东西是因为视网膜上分布有视杆细胞和视锥细胞,其中视网膜轴向末端有个地方叫黄斑中心凹,这里是视力最敏锐、视觉细胞最丰富的区域,而之所以呈现黄色是因为其富含叶黄素。正常情况下,随着年龄增长,黄斑凹老化引起视觉衰退。

但长期处于蓝光射下,过量的蓝光直进入视网膜并产生大量自由基,造成黄斑凹加速氧化,最终导致黄斑凹处的视觉细胞大量死亡,而这种损伤是无法自行修的。

2018年4月,西班牙巴塞罗那全球健康研究所(ISGlobal)公布,夜间蓝光射的时间越长,人们的身体节律就越会被打破,从而导致乳腺癌和前列腺癌的发病率升高。这项研究结果“评估了在西班牙人工夜间曝光与乳腺癌和前列腺癌风险之间的关系。必须强调:任何波段的光谱只要超量都是有害的。

图1 人眼结构图

02 蓝颜色的光=蓝光成分?

以下四张光谱图从左到右依次是可见自然光、钨丝灯(白炽灯)、荧光灯、LED灯。

图2 不同光源光谱分布图

四种光源的颜色依次为自然光、暖色、白、冷白。可以看出,即使是日常白炽灯发出的暖色光也一样含有蓝光成分。蓝光成分普遍地存在于各类灯具和光源中,区别的只是蓝颜色的光不怎么含有其他颜色的成分。而且白光LED是靠蓝光激发荧光粉发出黄红光,然后融合本身的蓝色光一起形成白光,因此其蓝光成分的比例相对较其他类别的光源更集中。

03 健康的人造光源选择

图3是《IEEE PAR 1789-2015 危险性评估草案LED闪烁的潜在健康影响》中光源频闪对观察者造成危害的分级图,绿色部分为不可察觉区(无危害区),黄色为低风险区,白色为有害区。人眼可以辨别的极限频率大概是60Hz,也就是说靠视觉难以区分60Hz、100Hz和3000Hz发光频率。大量研究指出,长时间暴露在有危害的光源频闪环境中,轻则眼部疲劳视力衰退,重则头晕恶心神经系统受损。

由于白炽灯和荧光灯都是直工作在工频下,因此其发光的频率大概在100Hz前后(波形见图4),对该频率下波动深度无危害的上限标准规定为3.3%。仅依靠钨丝发热的白炽灯或者荧光粉余晖的荧光灯都是很难满足这个要求。

非调光时,LED是恒流驱动,不存在频闪问题;调光时可通过PWM等控方式,将频闪控在3.3%以下,达到频闪安全。所以,频闪危害对传统光源是个老大难问题,而对LED产品来说基本没有频闪危害问题。

另一方面,由于LED的易调光性及可在一个灯具中集成多种芯片,因此可实现更好的色彩还原,减少视觉疲劳。所以LED相对传统光源在频闪危害的控、色彩还原度等方面更具优势,同时也更节能环保。因此,只要设计合理、科学,作为健康的人造光源,LED将是最佳选择。

图3 IEEE PAR 1789-2015 频闪危害分级图

图4 传统光源频闪波形

04 健康LED产品标准

健康是一个及其杂的系统,直至目前国家并没有关于健康的确指标,健康还在前进、探索阶段。

目前市场上的健康产品不少,但质量参差不齐,更多是商家促销的噱头,市场较为混乱,急需一个权威、统一、模板性作用的健康标准,引导健康行业的良性发展。虽然健康标准的定并非易事,但其重要性不可忽视。

随着产业的不断发展,每项技术在能效和光的品质方面都各有所长,但不变的是标准的重要性,因为环境的质量、性能和安全性,甚至于我们的生活质量,都取决于标准。

目前主要参的是:前面提到的CIE S 009后来被国际电工委员会IEC采纳了,变成了IEC 62471:2006 灯与灯系统的光生物安全,这个便是关于光生物安全的第一部国际技术法规。然后这个IEC 62471:2006被欧盟采纳并加严了部分要求后变成了EN 62471:2008,并在EC/244/2009 EUP指令中要求强执行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 蓝光危害项目,并强执行。国内参IEC 62471:2006发布了GB/T 20145-2006,其次GB 7000.1-2015也参IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。

图5 光源的视场角示意图

技术法规(标准): IEC/TR 62778:2014 沿用了IEC 62471:2006的测试原理和基本方法,对蓝光危害划分为光谱辐度和光谱辐亮度两个大类。度就是视光源为一个点光源测定其投射到单位面积上的能量;亮度是把人眼作为一个点去直视光源,测定光源单位面积的能量。以下是IEC 62471:2006中给出的蓝光危害的限值。

可以看出,标准对其结果分成三个等级,即豁免级、低风险和中风险。其中GB 7000.1-2015规定了灯具产品的蓝光危害不可超过低风险,而且儿童可移式灯具及电源插座夜灯这两个类别产品的蓝光危害更是不能超过豁免级。

表1  IEC 62471:2006 限值要求

下图是同等功率的不同色温LED光源的光谱分布,可以看到色温高(颜色偏冷)的LED蓝光成分(大概430nm到490nm这部分)要远远高出色温低的(颜色偏暖)。IEC推荐的不同色温和光度低风险以下的组合数据:2350K、4000K以及6500K的推荐光度依次为不高于40Mcd/m2、8.5 Mcd/m2、5 Mcd/m2的亮度和4000Lx、850Lx、500Lx的度。也就是说色温越低,允许的光度越大。

结合辨识度、色彩还原和能效等综合因素,推荐选择色温介于3500K-5000K、书桌度介于300Lx-1000Lx、室内度介于100Lx-350Lx的灯具产品。其中色温产品外包装一般有标示,度值可通过安装高度、拟使用的面积和使用产品总功率来粗略计算。例如,13W的LED台灯发光面距离桌面400mm高度时正下方度值约为1000 Lx,那么如果打算选购类似高度的LED台灯产品,其功率就应该介于7W-13W之间。

而安装高度增加一倍,度衰减4倍。客厅面积50平方,高度大概3.5米,那么算上墙面的等效面积大概就是100多平方,要达到100Lx的度水平,就需要100m2×100 Lx=10000 lm的光通量,那么按LED一般的能效水平100 lm/W,那么就需要安装总功率约合100W的灯具产品。

图6 光谱分布随色温变化图

图7 IEC推荐的低风险蓝光危害色温与亮度组合

图8 IEC推荐的低风险蓝光危害色温与度组合

最后,就是尽可能选择带光线扩散板(透陶瓷片或乳白色磨砂罩)的灯具产品。下面有一组比对数据可以看到,同一样品编号白黑两组测试数据分别代表带有磨砂罩和去掉磨砂罩时的结果。可以看到去掉磨砂罩后,蓝光辐亮度普遍上升了10倍到100倍之间。

表3  去掉磨砂罩前后蓝光危害的比对图

05 目前技术存在的问题

图9 各类光源光谱图

LED光源是一种具有环保、节能、长寿命等特性的绿色光源。同时,LED相对传统光源在频闪危害的控、色彩还原度等方面更具优势。因此,LED正在逐步取代日光灯和节能灯。

然而,目前白光LED主要通过蓝色LED+黄色荧光粉来形成。白光LED的光谱范围较窄,尤其是短波蓝光区域的能量比较集中,与太阳光谱实际相差很大,还有显的眩光效应,使得LED光源对人体长时间射会产生不利影响。现有的点胶与封装工艺存在光衰减风险;又因其散热性差,不能适应大功率要求。

尽管目前一些企业已经建立自己的标准,如具有确指标,确保无蓝光、无眩光、无频闪等。其显色指数、色温、度、亮度等指标都符合GB/T 20145-2006、GB 7000.1-2015的要求,但没有任何一个标准,具有绝对的权威性,可保证产品按此标准生产出来,就一定是健康产品。

上述图谱也说,虽然市场商用灯具大多满足前面所提到的指标值,但是现有日光灯和LED灯大多有显的蓝光,光谱都显偏离自然光谱,并不是健康产品。

判断一个灯具是否是健康产品除了显色指数、色温、度、亮度、频闪、眩光等指标外,一个极其重要的判据应该是该产品的光谱图与可见自然光光谱图的吻合度。因为即使该产品的光谱图显偏离自然光谱,其显色指数、色温、度、亮度、频闪、眩光等技术指标也可以达到要求,但显偏离可见自然光光谱的产品,并不是真正的健康产品。

可以认为产品光谱图与自然光谱吻合度大,又满足上述指标要求的产品应该是健康产品。随着行业对健康光环境认识的深入,相信未来会有更加完善的标准出现。

06 健康技术的发展趋势

2018年3月,第十届法兰克福国际灯光及建筑物技术与设备展(Light+Building 2018)中一大亮点为COELUX的灯具系统(图A),采用了LED 光源,并使用含有产生瑞利散射的二氧化钛纳米颗粒的透聚合物,来模仿大气层分解不同波长的光,从而达到逼真的太阳光效果。

2018年5月波士顿Tech Jam展会上,欧司朗首次展出人因(HCL)技术(图B),成为展会上的焦点之一。“人因” 其实就是仿自然光技术,技术关键就是提供高效稳定的仿自然光光源。

2018年6月21日,韩国LED 公司Mimi结合首尔半导体的最新光半导体技术和东芝材料公司的“TRI-R技术”,开发一种太阳光光谱的技术的新一代光源(图C)。它能优化RGB(红、绿、蓝)三原色的平衡,类似于太阳光的光谱,并把LED中众所周知影响生理效应的蓝光降低到近太阳光的水平。 SunLike这种新一代LED技术已经被应用于家庭,为消费者提供健康。在2018年的爱迪生奖颁奖典礼上,SunLike被列为“十大必看产品”,其技术得到了全球专家的认可。此外,2018年3月,它还获得了德国电子零件杂志Elektronik”的年度产品金奖。

2018年6月,佛山国星光电采用长波紫光芯片和特殊荧光粉技术,全光谱系列LED光谱近太阳光(图D),颜色品质逼近太阳光,光谱覆盖400-780 nm波段,可实现高品质的太阳光式,且紫光波段比标准参考光源低,减少了低能波段(400-440 nm)对视网膜的损伤,是更健康、更舒适的人工太阳光。

上海师范大学项目组基于发光陶瓷与多光色LED合芯片光源设计的结合,得到光谱更近可见自然光的LED健康器件:以商品透氧化铝陶瓷为基片,采用陶瓷釉工艺,以多种LED发光材料、介质及基础釉料配成发光釉料,通过静电喷涂、丝网印刷等工艺涂布在透陶瓷基片上,低温烧结,不要求还原气氛,得到发光陶瓷。再组装LED芯片,成为LED用发光陶瓷品。这种方法的特点是:工艺设备简单;节能环保;透陶瓷的加工尺寸和力学性能有保障。

另外,加工工艺对材料的发光性能影响小,也有利于后续LED芯片组装及应用。改变荧光粉的组成及发光层的厚度,可以调节出光效率和光谱特性。多光色LED合芯片光源的设计;确保芯片功率和光谱匹配。合芯片光源可以共激发发光陶瓷并可调器件的光色性。

结合上述发光陶瓷与合光源,采用倒装的方式组装合LED芯片,得到光谱更近可见自然光(图A)的LED健康器件,色温5127K(图B),显色指数Ra达到98(图C),发光效率95Lm/W,光谱覆盖400-720 nm波段,蓝光成分比自然光降低,减少了蓝光波段(400-440 nm)对视网膜的损伤;光谱的舒适度、色温、亮度、光与影的和谐度等方面更容易满足人们的心理情绪,优化了自然光光谱,真正实现仿自然光LED健康。

用上述类似的技术,以玻璃、透塑料片为基板,用硅胶作为粘结剂,涂覆多种LED发光材料,得到发光玻璃及塑料发光片,再组装多光色合LED芯片,同样得到仿自然光LED健康器件。

使用本方法备的LED器件,保持LED节能、环保的特点。可以减少蓝光,光谱均衡、连续。同时,由于发光陶瓷具有很好的导热性能及光散射作用,光源实际为面光源,大大减少了眩光效应,利用这一技术还可满足大功率的应用需求。该技术不需点胶工艺,可以大大降低光衰减风险,同时可增加荧光粉的用量和选择范围。该备方法工艺简单,生产周期短,成本低,适合规模生产。该技术的中国专利申请已受理。(文:余锡宾,张晓,周孟洋/上海师范大学)

 

 

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