光源蓝光危害的测试与评估

刘 婕 庄晓波 要 华 张善端

(1复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心;2复旦大学电光源研究所，上海 200433;3上海亚明照明有限公司，上海 201801)

1 引言

目前普通照明用LED主要是通过蓝光芯片激发黄光荧光粉来发出白光的，因此在高色温的情况下，光源光谱中的蓝光波段存在一个很强的波峰。随着LED使用的日益广泛，人们开始关注其在光生物安全方面的问题，尤其是蓝光对人眼视网膜的影响。近期，国内外的权威机构、组织和专家也对LED的蓝光危害进行了各种测试和评估。

国家电光源质量监督检验中心 (上海)测试分析了27个LED光源和灯具样品，包括LED台灯、射灯、筒灯、球泡灯和平板灯［1］。结果表明，产品在正常使用时无危险类和低危险类约各占一半;而11个样品在异常使用状态下 (拆除灯具的前半透明扩散板)，10个样品为低危险类，1个为中度危险类。测试结果证实扩散板可以将灯具的亮度降低一个数量级，对减轻蓝光危害有明显的作用。

潘建根教授提出，包括LED在内的普通照明光源，只要色温正确、显色指数较高、不产生严重眩光，完全可以放心使用［2］。牟同升教授认为LED封装器件的蓝光辐亮度虽然达到了中度危险水平，但是通过合理的设计，灯和灯具的蓝光危害可以降低到无危险类或者低危险类水平，也是可以安全使用的［3］。

周太明教授认为，LED的蓝光亮度控制后是安全的，并且照明时人眼并非是盯着灯看;从光的非视觉生物效应来看，适量的蓝光有利于人体健康［4］。

包括法国国家食品环境及劳动卫生署(ANSES)［5］、美国能源部 (USDOE)［6］、欧洲光源公司联盟(ELC)和欧盟灯具制造商协会(CELMA)［7］、全球照明协会 (GLA)［8］和欧洲照明(Lighting Europe)［9］在内的国外政府机构和照明行业协会对各类灯和灯系统的光生物安全开展了深入的研究和比较测试，出版了全面的分析报告，给出了类似的明确结论:在相同色温下，LED的蓝光危害效率和其他光源是相近的，均在安全阈值之内，因此这些光源和灯具如果按照正常途径使用，对消费者是完全安全地。这些报告同时也指出，使用者应避免直视高亮度的点光源 (如LED封装器件、白炽灯灯丝、HID灯电弧和太阳)。当然，即使人们偶然看到高亮度的点光源，也会因为自身的条件反射，如本能地闭上眼睛或移开视线，来保护双眼。

本文介绍了一种利用成像亮度计来测试光源蓝光危害的方法，并且结合光源的光谱数据和最大亮度，计算出各种光源的蓝光危害效率、蓝光安全的亮度上限和照度上限。

2 蓝光危害

蓝光危害是指光源的400–500nm蓝光波段如果亮度过高，眼睛长时间直视光源后可能引起视网膜的光化学损伤。这种损伤主要分为两类:蓝光直接与视觉感光细胞中的视觉色素反应所产生的损伤，以及蓝光与视网膜色素上皮细胞中的脂褐素反应所引发的损伤。这些光化学反应都会产生大量具有细胞毒性的自由基，破坏细胞正常生长。

光源的蓝光危害可以用蓝光加权辐亮度、蓝光加权辐照度和曝辐时间来表征。根据光生物安全标准 IEC 62471［11］和 GB/T 20145［12］，光源的蓝光必须达到一定的剂量才会对视网膜产生危害。光源不同波长的光谱辐亮度与蓝光危害加权函数相乘，然后对波长积分，可得蓝光加权辐亮度。为了防止长期受到蓝光辐射而产生视网膜光化学损伤，蓝光加权辐亮度的曝辐限值需要满足如下条件:

其中LB为蓝光加权辐亮度(W·m–2·Sr–1)，Lλ(λ，t)为光谱辐亮度 (W·m–2·Sr–1·nm–1)，B(λ)为蓝光危害加权函数，Δλ为波长带宽(nm)，t为辐射持续时间(s)。

当LB＞100 W·m–2·Sr–1，最大允许照射时间

当眼睛注视光源的时间t≤104s，LB与时间的乘积不应该超过106J·m–2·Sr–1，这用于评估蓝光加权辐亮度很大的光源对于人眼视网膜的短时间照射所引起的危害。当眼睛长时间注视光源 (t＞104s)，限制LB≤100W·m–2·Sr–1，用于评估蓝光加权辐亮度较小的光源由于长时间照射所引起的视网膜伤害。

视网膜受辐照面积会影响曝辐限值的计算。该面积可以和表观光源的对边角α联系起来。静止眼睛的视网膜能分辨的最小角度αmin=0.0017rad.当t＞0.25s，由于人眼存在频率为几Hz的快速眼动，导致点光源的图像散布于视网膜上的一个区域，所形成的角度被定义为有效对边角 αeff。当 t＞100s时，快速眼动使小光源在视网膜上的成像区域进一步增大。因此测量蓝光加权辐亮度时，当t＜100s，αeff=0.011rad;t＞10000s，αeff=0.1rad;100 ＜ t＜10000s，

对于对边角α＜0.011rad的小光源，可根据辐亮度和视网膜有效对边角，推导出基于光谱辐照度的蓝光加权辐照度的曝辐限值:

式中EB为蓝光加权辐照度 (W·m–2)，Eλ(λ，t)为光谱辐照度 (W·m–2·nm–1).标准规定EB在照度为500lx处测量，这个照度是普通照明应用的典型值。当 EB＞0.01W·m–2，最大允许照射时间

表1为蓝光危害等级对应的蓝光加权辐亮度LB、辐照度 EB、曝辐时间 t和有效对边角 αeff的阈值。

表1 不同蓝光危害等级的参数阈值［11，12］Table 1 Threshold parameters with different levels of blue light hazard

3 蓝光安全的亮度和照度上限

根据标准所规定的蓝光危害辐亮度和辐照度上限［11，12］，结合光源的光谱信息，可计算得到光源的蓝光安全辐亮度上限Lem和辐照度上限Eem:

此外，为了分析光源的光谱对光度量和蓝光危害度量的贡献，可以定义光度辐射的蓝光危害效率［13，14］

其中KB，v为蓝光危害效率 (W·klm–1)，Km=683 lm·W为光谱光效率的最大值。蓝光危害效率的物理意义是光源光谱中的蓝光含量，它等于千流明光通量中的蓝光加权辐射功率。

而在实际中，光度量往往比辐射度量应用更加广泛。因此，我们也可以利用公式 (10)和 (11)得到光源的蓝光安全的亮度上限 Lvm和照度上限Evm:

如果光源的实测亮度或照度小于Lvm或者Evm，那么该光源分类为0类危害，是蓝光安全的，在短至200mm的距离长时间直视光源也不会产生危害。

4 实验原理

如上所述，为了评估光源的蓝光危害，我们需要得到光源的辐亮度或辐照度。因此，我们首先用光谱仪 (远方，PMS－80)测试光源的相对光谱功率分布，用成像亮度计 (Radiant Zeamax，PM－1613F－1)得到光源的最大亮度，两者结合计算出光源的光谱辐亮度;然后，由蓝光危害加权函数计算不同光源的蓝光危害效率和蓝光加权辐亮度。实验流程和光源亮度分布如图1和图2所示。

图1 实验流程图Fig.1 The diagram of experiment process

图2 光源的亮度分布图Fig.2 Luminance distribution of light sources

在本次实验中，我们分别对色温2700–6500K的10款荧光灯，以及色温3000–6000K的24款LED进行了测试评估。

5 结果和讨论

图3所示为各种光源的蓝光危害效率，可见在色温相同的情况下，不管是热辐射光源、荧光灯、金卤灯还是LED，它们都具有相似的蓝光危害效率，即色温是影响光源蓝光危害效率的主要因素。这是因为显色指数＞80且色坐标在黑体线附近时，光源的光谱组成是类似的。因此，对这些数据进行了一元线性回归，得到了一条如图3所示的光源蓝光危害效率随色温变化的直线。

该直线适用于评估普通照明用光源的蓝光危害效率。

图3 各种光源在不同色温下的蓝光危害效率Fig.3 The blue light hazard efficacy for different light sources with different CCTs

图4 光源蓝光安全亮度上限和实测亮度Fig.4 The upper limit and measured luminance with blue light safe

图4中的绿色点线代表理论计算的蓝光安全亮度上限，而蓝色数据点代表实测的光源亮度。不难看出，所有的被测荧光灯的实测亮度都小于100kcd·m–2，因此它们都是蓝光安全的。但是，当光源的色温接近6500K的时候，光源的实测亮度接近理论计算的蓝光安全亮度上限。同时，对于LEDs的测试结果表明，色温为6000K的LEDs，其实测亮度略高于理论计算的蓝光安全亮度上限。因此，在室内使用这一类光源时，我们应该尽量避免对其长时间注视。

图5 光学透镜LEDs射灯的蓝光安全亮度上限和实测亮度Fig.5 The upper limit and measured luminance with blue light safe for LEDs with optical lens

此外，我们还对7盏LED射灯进行了测试，这些射灯利用光学透镜聚光，没有扩散板。实验结果如图5所示。这些未安装扩散板的射灯，它们的实测亮度远远大于0类蓝光危害的亮度上限，达到了1类危害。如色温6000K的灯，其亮度为2.4–5.5Mcd·m–2，已处于1类蓝光危害的亮度区间内(0.11–11.2Mcd·m–2)。这种射灯仍属于可以安全使用且无需特别标示的类别，如果应用于室内照明，要注意避免长时间直视。

由于光源的蓝光危害实际上与其光谱分布特性有关，所以荧光灯和LED的蓝光安全亮度上限反比于光源的色温，即光源的色温越高，其蓝光安全亮度上限越低。光源的蓝光安全照度上限也同样存在这样的规律，如图6所示，其中测试的有效对边角为0.011rad。

图6 光源蓝光安全照度上限Fig.6 The calculated upper limit and measured illuminance of light sources

6 结论

当前LED技术在节能、环保和控制等方面具备诸多优势，但是由于其蓝光激发荧光粉的机理，致使人们对于其在室内使用方面还存在着种种顾虑。理论计算表明，LED的蓝光危害效率与热辐射光源和气体放电光源相比没有区别。蓝光危害与色温有关，但主要取决于光源的亮度。对带扩散板的LED光源和灯具，其蓝光加权辐亮度与荧光灯相差不大，属于0类危害，是蓝光安全的产品。对带透镜的高色温LED射灯，在室内近距离使用时其蓝光加权辐亮度属于1类危害，应该避免长时间直视。

随着LED芯片光效的继续提高，LED封装器件的亮度已超过 11Mcd·m–2［5］，达到了 2 类危害水平。因此，采用高亮度LED封装器件制造光源和灯具时，应该根据不同的应用场合限制产品的亮度和照度，并对这些产品的蓝光安全进行评估和测试，以保证消费者的使用安全。对室内普通照明，如果能够将LED的最大亮度或者照度控制在一个安全的范围内，如100kcd·m–2或者1000lx以内，那么这些产品就不存在蓝光危害，人们可以放心使用。

［1］俞安琪.LED照明产品蓝光危害的检测分析和富蓝化的分析及建议［J］.上海节能，2013，(1):29－34.

［2］潘建根.理性看待LED光生物安全问题［J］.半导体照明，2013，(4):64－67.

［3］牟同升.照明产品的光辐射安全性和国际标准的进展［C］//2013中国 (上海)国际半导体照明应用技术论坛论文集.上海:2013中国上海国际半导体照明应用技术论坛，2013.

［4］周太明.绿色照明、SSL及LED蓝光危害之我见［J］.半导体照明，2013，(2):48－56.

［5］ANSES.Health effects of lighting systems using lightemitting diodes(LEDs)［R/OL］.Maisons－Alfort，2010.［2013－07－26］.http://www.anses.fr/Documents/AP2008sa0408EN.pdf.

［6］US DOE.Solid－State Lighting Technology Fact Sheet:Optical Safety of LEDs［R/OL］.US Department of Energy，2013.［2013－08－03］.http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/opticalsafety_fact－sheet.pdf.

［7］ELC ＆ CELMA.Optical safety of led lighting［R/OL］.2011.［2013－07－26］.http://www.celma.org/archives/temp/CELMA－ELC_LED_WG(SM)011_ELC_CELMA_position_paper_optical_safety_LED_lighting_Final_1st_Edition_July2011.pdf.

［8］GLA.Optical and photobiological safety of LED，CFLs and other high efficiency general lighting sources［R/OL］.Global Lighting Association，2012.［2013－07－26］.http://www.globallightingassociation.org.

［9］LightingEurope.Guide on photobiological safety in general lighting products for use in working places［R/OL］.LightingEurope，2013.［2013－08－03］.http://www.lightingeurope.org/uploads/files/LE_Photobiological_Safety_Feb2013.pdf.

［10］ICNIRP.Guidelines on limits of exposure to broad－band incoherent optical radiation(0.38 to 3 μm)［J］.Health Physics，1997，73(3):539－554.

［11］IEC 62471－2006 Photobiological safety of lamps and lamp systems［S］.

［12］GB/T 20145－2006灯和灯系统的光生物安全性［S］.

［13］潘建根.客观看待光辐射安全 (光生物安全)和光辐射安全的客观测量［C］//海峡两岸第十八届照明科技与营销研讨会论文集.贵阳:海峡两岸第十八届照明科技与营销研讨会，2011:229－247.

［14］Zheng J，Li J K，Mou T S.Blue light hazard evaluation based on the luminance of light sources［C/OL］//Proceedings ofthe 2011 InternationalLaser Safety Conference(ILSC 2011).San Jose，California，USA:2011:250－253.［2013－05－13］.http://www.lia.org/store//ILSC2011_1201.