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別再空喊藍光防護,年輕人要懂點科學

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-04 10:34   來源:云知光  作者:蔡建奇  瀏覽次數:427
   伴隨半導體照明技術的快速發展,以 LED 光源為核心的照明和顯示產品已在市場上得到快速普及,如果說在蠟燭、油燈、白熾燈乃至節能燈時代,人類對于光的需求和控制尚只能以照亮、看清為基礎,LED 的出現,讓我們不需再被動適應地削足適履,而可以自主設計各種我們所需要的光譜能量分布(SPD)、調整各種我們所需要的光強,從而自主創造出滿足我們人類需求的光——正是基于這些技術的實現,以人為本的照明——健康照明成為全球關注的重點。
 
  針對健康照明基礎研究的簡要探討
 
  與傳統照明更多地聚焦于產品物理性能不同,健康照明的研究是以光對人的影響研究――光致人體生物機理影響為基礎,在傳統照明基礎上集合了醫學、生物醫學工程、人因學、人工智能等多學科跨領域研究,以定量化的光生物影響機理為準繩,利用生理指標與物理指標的匹配模型通過智能控制的手段設計并實現以人為本的照明。
 
  眼睛、大腦和皮膚是光對人體影響的主要器官,目前已明確的對人體產生影響的燈具指標包括光譜能量分布、色溫、顯色指數、照度、亮度、頻閃、眩光以及配光曲線,根據其對應關系我認為可以總結為五大研究重點:
 
  其一是光譜能量分布對于人的視覺、非視覺、腦功能、皮膚及代謝系統的關聯機制研究,通過這一研究我們可以精準地研發設計出“健康”光譜,確定有益的色溫變化范圍,匹配適應的顏色質量系統。
 
  其二是在此研究基礎上以日常人體受光照的器官的有效接觸面積為對象,研究人體光生物周期最佳曝光量,通過這一研究我們可以根據人體特點設計出滿足健康需求的、集合了光譜能量分布+ 色溫+ 光強等多指標的時間周期變化曲線。
 
  其三是從光的方向性特性出發,以視覺影響為主要方向,研究漫射、直射、反射、偏振對于光環境的影響,從而在水平均勻度和垂直均勻度上提升環境空間的光分布,在有效降低眩光的同時滿足人的視覺和腦力負荷需求。
 
  其四是針對頻閃——占空比問題,研究頻閃對于視覺系統和腦功能的影響,確定滿足人體健康需求且兼顧性價比要求的頻閃指標。
 
  其五就是在以上四個方面研究的基礎上,針對不同場景、模式等需求,以光生物機理研究為基礎實現對人體危害最小的光誘導和光脅迫的功能。
 
  想實現這個目標需要以科學、務實的態度,通過大樣本量的人因實驗、動物實驗乃至細胞分子學實驗才能真正有效解讀出光對人體生物機理的短、中、長期影響。
 
  藍光的光生物影響簡述
 
  通常我們將波長范圍在(400-500)nm 的光線稱為藍光輻射,其對人體的生理影響主要包括人眼和皮膚兩個方面:
 
  對人眼的影響

  ① 對人眼視覺的影響
 
  眼睛是人最重要的感覺器官之一,它的構造十分復雜,且自身修復能力較弱,容易受到光學輻射傷害,導致光損傷。通常將光損傷分為三類:熱損傷、機械損傷和光化學損傷。
 
  其中熱損傷是指由光輻射所產生的熱量導致溫度上升使得眼組織內的各種蛋白質成分發生變性而產生的損傷,多數由紅外輻射導致;
 
  機械損傷則是指人眼在極短的時間內接受強光照射使得眼組織在沖擊下發生瞬間的變化而產生的機械性的損傷;
 
  光化學損傷則是一定光強下、特定光譜的光輻射在與人眼中的細胞和蛋白質產生光化學反應造成的損傷,如黃斑變性和白內障等。在視網膜光損傷中,化學反應起著相當重要的作用,目前廣泛熱議的藍光對人眼可能造成的損傷就屬于光化學損傷。
 
  我們的研究發現人眼對(400~440)nm 波段范圍內的藍光輻射耐受較低,其中尤以 430nm-440nm 附近的損傷耐受閾值最低,其耐受的等效照度約等于280 lx,而在445nm 以上波段,人眼視網膜的耐受閾值呈大幅度上升,等效照度超1500 lx以上。
 
 
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  我們日常生活中所用到的 LED 光源多是以(450-500)nm 為峰值光譜的白光 LED,在常規照明條件下,其照度一般不超過1000 lx,對其光譜能量分布進行分析可以發現其中波長在440 nm 以下的輻射能量一般占總輻射能量的25% 以下(低于人眼視網膜的耐受閾值),因此我們常規使用的以(450-500)nm 為峰值光譜的LED 照明光源對人眼的短期損傷基本是不存在的。
 
  國際照明委員會(CIE)于今年3月份發表了關于藍光危害的立場聲明,在聲明中明確指出:LED 等白光燈具,通常會包含與藍光危害相關的光。看起來“偏冷光”的燈或高色溫的燈,相對于“偏暖光”或低色溫的燈而言,可能包含更多藍光成分。
 
  常規照明中白熾燈和 LED 燈中,相同色溫的燈具其藍光危害曝光極限是相同的。實用評估表明,在合理可預見的使用狀態下,燈具是不會超出藍光危害曝光極限的。此外,這種燈具的藍光曝光程度經常是低于觀視藍天時的曝光程度的。
 
  ②藍光對人眼非視覺的影響
 
  藍光的非視覺效應是指藍光對人體生物鐘、睡眠質量、警覺性和情緒等產生的影響。日有四季交替,月有陰晴圓缺,就是在這樣的日月變化中形成了我們的生理節律。
  研究發現(450-480)nm 波段范圍內藍光輻射對褪黑素的分泌有抑制作用。褪黑素(melatonin,MT) 是一種主要由松果體分泌的吲哚胺類激素,可以控制人體的睡眠。
 
  因此 LED 照明光源中的藍光成分可以通過抑制褪黑素的分泌,對人體的生理節律產生影響,但這種非視覺效應影響與光強呈正相關,可能存在觸發光強閾值。
 
  對皮膚的影響
 
  皮膚作為人體最大的器官,時時刻刻處于光照環境下,日光輻射所導致的皮膚損傷所涉及的范圍廣泛, 包括急性的曬傷反應,局部及系統性免疫抑制,長期慢性反復接受日光輻射所致的皮膚光老化及皮膚的惡性腫瘤等。
 
  有研究稱藍光照射會使皮膚產生氧化應激反應,和煙草、空氣污染、紫外輻射一樣會對皮膚產生負面影響。為了定量評價藍光輻射給皮膚帶來的危害,本課題組通過 HFF-1 人皮膚成纖維細胞 / HaCaT 細胞(人永生化表皮細胞)的細胞活性檢測實驗對皮膚的藍光光損傷展開了研究,實驗中采用峰值為420nm、輻照度為 15W/m2 的藍光光源對細胞進行持續3 小時的照射后,對其細胞活力進行檢測。
 
  與此同時,利用黑色素細胞(A375)培養基對光致色素沉積的問題展開了研究。實驗結果發現(400-440)nm 波段范圍內的藍光輻射會導致皮膚光老化和色素沉積。
 
  適宜人眼的光照需求探討

  1 照度
 
  照度是指單位面積上所接受可見光的光通量,用來表示光照的強弱和物體表面積被照明程度的量,單位為勒克斯(lx),是用來進行光學性能評估的重要指標。
 
  在現有的國標中,對于桌面水平照度的要求基本為> 300lx,該指標是基于ISO 8995-1:2002《工作場所照明要求第一部分:室內照明》的照度要求。但是不可忽視的是 ISO8995-1 對于照度的要求是基于白種人即高加索人種的生理特征制定的,而屬于東亞蒙古人種的中國人群在生理特征上與高加索人種存在著顯著的差異,高加索人種的瞳孔大小約為6mm~8mm,而中國人的瞳孔大小約為3mm~5mm,此外作為黃種人的中國人色素耐光性遠高于白種人的色素耐光性,因此我們眼瞳孔的入光量相較于白種人的需求更高。
 
 
 
  我們的研究發現,500 lx~750 lx 的桌面照度是最適于中國人眼的生理特性的。視覺的形成過程是人眼在接收到視覺信號后,在視網膜成像,刺激視網膜上的感光細胞,產生神經沖動,沿著視神經傳到大腦皮層的視覺中樞,經視皮層識別和處理。
 
  視疲勞源自視覺信息處理期間視覺系統各器官的協同性功能響應,當視覺成像不清晰時,大腦會發出指令通過視神經控制睫狀肌進行調節。進行視覺作業時,照度/ 光強的不均勻會導致人眼需要進行額外的調節,使人眼視疲勞加劇,因此桌面照度的水平均勻度應不低于0.8。
 
  2 亮度
 
  亮度是指單位面積上的發光強度,單位是坎德拉/ 平方米(cd/m2),是包含光強度和光方向的光度學指標,指人眼從一個方向觀察光源,在這個方向上的光強與人眼所“見到”的光源面積之比, 因此,相較于照度而言,亮度更能準確地反應光照入眼的情況。
 
  在實驗中我們發現當桌面亮度大于80cd/m2 以上時,人眼的視覺健康舒適度更優。視覺作業時的觀看角度是多種多樣的,為了有效地緩解視疲勞,保障視覺健康,應保證亮度的均勻度不低于0.8。
 
  3 色溫范圍
 
  當某一光源的色品與某一溫度下的完全輻射體(黑體)的色品完全相同時,該完全輻射體(黑體)的絕對溫度為此光源的色溫度,單位為開爾文(K)。色溫對于人體的影響主要跟作業效率相關,看起來“偏冷光”的燈或高色溫的燈相對于“偏暖光”或低色溫的燈而言可能會含有更多的藍光成分,可以更好地保證工作、學習時的效率和警覺性。
 
  但過高色溫如 6000K 以上,在高照度的情況下,可能存在440nm 以下的藍光輻射過高,對人眼產生光損傷,因此建議選擇色溫為 4000K~6000K 的照明燈具。
 
  健康照明作為一個新興的研究領域,目前我國與國際先進水平的差距微乎其微,通過嚴謹、科學、求真、務實的研究的不斷努力,我國有望在這一新興領域實現彎道超車,逐步實現我們所希望的——降低視覺疲勞、抑制近視發育、防止眼底損傷、調整生理節律、減緩皮膚老化、提升鈣質吸收、改善代謝循環等各種以人為本的需求。
 
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