1.LED照明色空間的不均勻問題

 

　　現今大多數照明用白光LED采用藍光芯片，其直接發出藍光，藍光激發YAG黃色熒光粉后，一部分轉化成黃光，與藍光一道合成白光。與三基色熒光粉發光合成的白光不同，同樣的相關色溫和色坐標，LED的發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為：阻擋層電勢：2.62～2.74V，相應的輻射光子能量：2.62～2.74eV，輻射譜中心波長：450～470nm，相應視見函數分別為：0.091～0.038，輻射譜帶半寬度：30nm。

 

　　當輻射譜激發YAG黃色熒光粉混合了藍光，形成一個發射光譜。黃色熒光粉不容易吸收藍色光子。如果按照450nm激發YAG的技術，要產生200lm/W的光效，轉換效率需達到60%。而目前普通水平的轉換效率只有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。根據全球照明協會白皮書（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據。由于LED通常是窄光束，在投射區域光線特別集中，局部的藍光強度甚至可達同色溫熒光燈的10倍以上；同時也可以看到，色溫2700K且顯色指數80以上的高顯色白光LED的藍光輻射量比產生同樣光通量的熒光燈還要少。所以，色溫2700～3000K且顯色指數80以上的低色溫LED可以放心地在室內使用。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的，會犧牲光效和顯色指數。缺乏紅光和綠光，顯色指數只能達到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LED室內照明產品有一定影響。要想在室內照明領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光源的生物安全風險。遺憾的是，我國沒有任何LED開發公司對此作過風險評估。

 

　　1.2 不均勻色空間的產生

 

　　從普通LED發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有光環效應，在某些場合不受歡迎。這歸結于LED發出定向光，由黃色熒光粉轉換，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，所得到的顯色指數只是色空間的平均顯色指數，同樣，得到的相關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.藍光的光生物學危害

 

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

 

　　照明，從目前研究結果來看，可以產生3種效應：一是視覺效應，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，同樣是明度和色度可使人產生輕重、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，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。在可見光產生的光生物學效應方面，當數藍光最大。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、在室內采用白光LED時，有人擔心會傷害視網膜、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”。褪黑激素是迄今發現的最強的內源性自由基清除劑，它參與抗氧化系統，防止細胞產生氧化損傷，在這方面，它的功效超過了已知的所有體內物質。最新研究證明，褪黑激素是內分泌的總司令，它控制體內各種內分泌腺的活動。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。如果DNA受到損害就可能導致癌變。

 

　　（2）褪黑激素的分泌是有晝夜節律的。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，體內褪黑素的分泌水平也相應增高，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量。隨著年齡增長，松果體萎縮直至鈣化，造成生物鐘的節律性減弱或消失，特別是35歲以后，體內自身分泌的褪黑激素明顯下降，平均每10年降低10%～15%，導致睡眠紊亂以及一系列功能失調。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，顯然會對健康產生不良影響。

 

　　2.3 藍光會使眼睛內的黃斑區毒素量增高

 

　　這項研究源于2010年美國眼科學研究院的報告。報告認為，藍光可以穿透晶狀體到達視網膜，對視網膜造成光化學損害，加速黃斑區細胞的氧化。因此，藍光被研究證實是可以照射到視網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險發生在嬰幼兒時期。因為在0～2歲年齡段，約70%～80%的藍光會照射到視網膜；在2～10歲年齡段，約60%～70%的藍光會照射到視網膜。長時間暴露在藍光下會造成視網膜的退行性改變。

 

　　藍光的危害在臨床上表現為許多眼科疾病，如年齡相關性黃斑變性（AMD），這也是全球主要的不可逆性致盲眼病之一。世衛組織（WHO）愛眼協會公布：2006～2008年因藍光、輻射每年導致全球超過30000人失明，并在2009年底發出橙色預警：“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。”

 

　　中華醫學會眼科學分會數據顯示，中國有63.5%的網民因藍光、輻射有視力下降、白內障、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：“當不合適的光持續照射我們的眼睛，會引起功能失調，尤其是LED燈、電腦屏幕等發出的含有大量不規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膜，對視網膜造成光化學損害，直接或間接導致黃斑區細胞的損害。”

 

　　2.4 藍光可導致白內障術后的眼底損傷

 

　　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，白內障手術后病人失去了這些天然屏障，藍光將直達視網膜，進而損傷視網膜色素上皮細胞，嚴重影響眼底健康。

 

　　2.5 藍光可引發視覺模糊

 

　　藍光射入眼底經過聚焦后，焦點沒有落在視網膜上，而是落在視網膜與晶狀體之間。這就增大了光線在眼內聚焦的色差距離。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）等對視力產生危害的真相。

 

　　2.6 藍光容易引發眩光

 

　　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，設計不良的燈具在使用中會產生強烈的眩光引發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，很容易引發交通事故。對此，國家交通部還曾發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%，更大的危害就是產生眩光。于是照明專家不禁提出疑問：這樣的照明設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的高壓鈉燈節能的依據嗎？對于目前不理智地開發LED照明，有專家甚至指出：政府大量盲目的資助，對LED的不理智開發起了推波助瀾的作用，對已經發熱的頭腦起到進一步加熱的作用，大量民間投資盲目跟風，造成更加巨大的損失，反復的十城萬盞LED道路照明項目，使照明界陷入一片混亂，急功近利的戰略思維危害了LED的正常發展。

 

　　3.LED光生物安全的思考

 

　　LED照明開發方面出現的一系列光生物安全問題，是由于不能理智、科學地用光引起的。比如強烈的高色溫白光，用于室外環境照明，只要設計合理就問題不大；但用在室內就不適合。現在應該盡快拿出產品的技術標準和使用規范，不能為了行業發展和商業利益而犧牲消費者的健康。目前，銷往歐洲的LED產品，需要按照IEC/EN62471進行風險評級，自鎮流LED燈的CB認證必須包含IEC62471（《關于藍光對光源和燈具的危害評估的應用》）和IECTR62471-2（《燈和燈系統的光生物安全》）執行光生物安全測試。我國這方面的工作剛剛起步，這類產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，我們應盡快制定LED用于室內照明的光生物安全方面的標準，以引導LED產品進行相關的測試。這些測試項目應該包括：

 

　　（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。對光的要求應按照道路照明設計標準（CJJ45-91）規定的標準設計，超標準的設計施工會帶來能源的浪費和光污染。

 

　　按照CJJ45-91標準要求，道路照明設計要避免眩光，對于亮度在20000坎德拉/平方米以下的光源，應采用半透明漫反射，改善燈具發光面，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，規定快速路、主干路必須采用截光型、半截光型燈具；次干路應采用半截光型燈具；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，由這種眩光引發的交通事故可能會增加。

 

　　4.結束語

 

　　白光LED存在大量藍光，需要考慮其生物安全性。在使用節能光源LED的同時，應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。