LED蓝光危害研究

赵介军，乔 波，过 峰

(1.无锡出入境检验检疫局，江苏 无锡 214101；2.杭州浙大三色仪器有限公司，浙江 杭州 310030)



LED蓝光危害研究

赵介军1，乔 波2，过 峰1

(1.无锡出入境检验检疫局，江苏 无锡 214101；2.杭州浙大三色仪器有限公司，浙江 杭州 310030)

随着人们对于照明产品光生物效应的关注，LED照明产品的光生物辐射安全问题，尤其是视网膜蓝光危害已成为人们对于LED产品望而却步的一个重要原因。通过研究LED的蓝光危害，分析了LED蓝光危害产生的原因和可能对人体造成的伤害。并通过实验调研市场上LED照明产品的蓝光危害现状，阐述了如何正确的使用LED产品，从而有效避免蓝光辐射危害。

蓝光危害；视网膜；LED；光生物安全

引言

随着人们对于健康的关注和对于光生物辐射效应的认识，与我们日常生活息息相关的照明产品的光生物辐射安全的关注度一直居高不下。全球大量的光生物学、医学研究表明，现代照明光源具有与人体生物特征不一致、不和谐的效应，对人类的健康构成了新的威胁。儿童近视、视力退化、夜视力差、失眠、肥胖、荷尔蒙下降、生殖功能减退、乳腺癌、脱发、抑郁症等，都与用“光”有密切关系。与此同时，LED照明产品借助产业资本和政府补贴政策的双重推动，以其节能、环保、寿命长、体积小等特点得以迅速发展，并逐步开始进入室内照明。

在此背景下，人们对于LED照明产品的光生物辐射效应的关注与重视达到了前所未有的高度。那么，LED照明产品究竟会对人体造成何种伤害？

1 蓝光光生物效应

蓝光危害是由波长介于300nm与700nm的辐射照射后引起的光化学作用，通常会存在导致视网膜损伤的潜能。如果照射时间超过10s，这种损害机理起主要作用，而且是热损害机理的数倍之多。

1.1 LED蓝光的产生

白光LED技术可通过多种方式予以实现(如图1所示)，主要有两种：一是利用蓝光技术与黄色荧光粉配合形成白光；二是多种单色光混合得到白光[1]。由于不同色彩LED的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此多色混合白光LED的制作方式复杂，成本较高。生产厂商普遍采用第一种技术。

图1 白光LED技术Fig.1 Technology of white LED

目前主流采用的GaN芯片，辐射谱的中心波长为450nm～470nm，辐射谱带的半宽度为30nm。当辐射谱激发YAG黄色荧光粉并且混合了蓝光后，就会形成如图2所示的典型白光LED光谱。从图2中可以看出，不同色温LED的发射光谱与激发黄色荧光粉的发光光谱的比例不同。高色温LED光谱中蓝光所占的比重明显高于低色温的LED。目前普遍认为4000K以上的高色温白光LED会对人体造成光生物辐射的潜在危险。特别是当LED用于室内照明时， 由于与人体的接触时间较长，建议采用2700K～3000K且显色指数为80以上的低色温LED。但是，由于低色温LED的光效较低。所以，照明产品生产厂家为了追求光效和显色指数，通过会提高产品的色温，致使市场中存在较多高色温、高显色指数的产品。同时，为了追求高利用率的LED产品，出现了越来越多的大功率、高亮度的LED产品。这些产品通过增加二次光学设计元件，增加了光源的功率与亮度，但越来越窄的光束角和越来越亮的LED，也使得潜在的光生物辐射危害悄然增加[2～3]。

图2 典型白光LED光谱Fig.2 Spectrum of typical white LED

2.2 蓝光与人体健康

蓝光作为白光LED中不可或缺的组成部分，可以穿透人眼的晶状体到达视网膜，而对视网膜造成光化学损害。日本研究发现，所有大于20J·cm-2的蓝光辐射，会导致明显的眼底变化。而且人眼的晶状体从形成开始，是伴随着人的年龄增长而逐渐发育完全的。所以，发生蓝光危害的最大风险在婴幼儿时期。此时，还未发育完全的人眼晶状体对于短波光谱辐射的透过率很高，是成年人眼的数倍，短波的蓝光更容易通过此类人的晶状体达到视网膜，从而会加速视网膜黄斑区细胞的氧化。成年人眼晶状体虽然对蓝光具有较低的透过率，但长时间暴露在蓝光下仍然会造成视网膜的退行性改变，形成光致视网膜炎[4]。

2 蓝光辐射安全的评价与测量

国际标准化组织IEC TC76于2006年根据CIE S: 009技术报告，制订了IEC 62471“灯和灯系统光生物安全”国际标准，规定了视网膜蓝光的光化学损伤。IEC随后也专门针对灯具和光源的蓝光危害制订了IEC 62778技术报告。我国也陆续完成了半导体发光二极管的器件和模块的要求与等级分类方法和测试方法标准的制订。标准中根据危害程度不同分为四个等级，RG0“免除类”、RG1“低危险”、RG2“中度危险”和RG3“高危险”。对于达到RG0“免除类”的LED产品，正常人眼可以长时间(10000秒)直视，而不会造成视网膜光化学伤害。

对于蓝光危害的测量，通常采用测量被测样品辐亮度的方法予以实现。当被测样品为小光源时(对边角小于0.011弧度)，可以采用测量辐照度的代替方法。辐亮度通常采用点成像辐射亮度计和面成像辐射亮度计(例如CCD相机)测量。在新制定的半导体发光二极管测试方法中，建议采用光谱辐亮度方法进行测量，辐射亮度计的光谱范围应覆盖300nm～700nm。如果采用CCD面成像辐亮度测量方法，辐亮度值需进行光谱系数校正。当采用不同曝光时间进行测量时，响应的线性需作校正。同时，成像辐射亮度计的测量视场应该与辐射危害分类等级相对应的视场角(如100毫弧度、11毫弧度等)一致，接收孔径为7mm。对于在不同距离测量时，成像辐射亮度计的视场角和接收孔径应保持不变。

3 蓝光危害调研实验

3.1 实验样品与装置

通过在超市、市场、网购等途径，随机选取了市售的常见类型和规格LED灯样品共9只，进行了样品的蓝光辐射测量与评价。测试样品如表1所示。

表1 实验样品Table 1 Test sample

实验装置采用由杭州浙大三色仪器有限公司生产的光生物安全辐射测试系统。该系统主要由光谱辐射分析仪、视网膜亮度计和校准源组成，结构如图3所示。为了能够有效测量被测样品对人眼造成的潜在危险，实验使用的视网膜亮度计采用了完全模拟人眼光学系统的测量结构，包括模拟人眼瞳孔的φ7mm光阑，模拟视网膜成像的200万像素CCD相机。同时，有效模拟人眼观察光源不同持续时间所对应的1.7mrad、11mrad和100mrad的视场角变化，并在测量距离改变过程中测量视场角保持恒定[5]。

图3 光生物辐射安全实验装置结构图Fig.3 Structure of the experimental device

3.2 实验结果

根据IEC 62471标准定义的测试方法和安全等级分类方法，对9个被测分别进行了测试，并根据测试结果对其进行了光生物辐射安全的危险等级分类。结果如表2所示。

表2 样品测试结果及危险等级分类Table 2 Sample test results and risk level classification

在光生物辐射安全测试中，被测样品最终的危险等级是依据所有危害类型中，危险等级最高的一项来进行评定的。对于24号和25号被测样品来说，虽然其他5个危害类型的危险等级均为RG0，但由于蓝光危害为RG2，则该被测样品最终的危险等级仍然会被归为RG2。

结合表1和表2可以看出，在测试的9只LED灯具中，LED球泡灯、LED PAR灯、LED灯管、LED壁灯和筒灯都划分为无危险等级；LED投光灯和LED射灯被划分为低危险；2只LED手电筒则被划分为中度危险等级。蓝光危害潜在风险的存在，致使ES、EUVA、LR、LIR和EIR均处于无危险等级的被测样品最终的危险等级被评定为低危险或者中度危险。这说明蓝光危害对LED产品的光生物安全危险等级的评定具有至关重要的作用。同时，蓝光危害的风险可能会随着样品光束角的减小而增高。

4 结论

蓝光危害已经成为人们日益关注的照明安全问题。此次调研的市售LED产品，也基本覆盖常用的室内照明产品。从测试结果来看，现阶段市场上的LED产品，总体上还是符合光生物安全标准的。

但是当前的LED产品还未形成规范有序的市场秩序，鱼龙混杂、以次充好的产品仍然存在。为了促进LED照明产业的进一步发展与升级，必须尽快完善标准，发展和改进LED照明技术，规范LED的市场。同时，LED产品制造商也有责任通过标识的方式指导用户正确使用照明产品，例如不能擅自更改产品的外形结构，拆除灯具的配件、罩壳等，也不能更改它们的用途，在安装上要严格按照要求来安装灯具。对于窄光束的LED产品应有不能用眼睛直视光源的警示。照明产品生产厂家要严格执行标准中标记的要求，对一些需要标记的产品进行警告标记或提醒提示。

[1] Steranka F M, Bhat J, Collins D， et al. High Power LEDs-Technology Status and Market Applications[J].Phys. Stat.Sol.,2002,194 (2):380-388.

[2] IEC.IEC 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance on manufacturing requires relating to non-laser optical radiation safety[S].IEC,2009.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准的管理委员会. GB/T 30117.2灯和灯系统的光生物安全 第2部分：非激光光辐射安全相关制造要求指南[S].北京：中国标准出版社，2013.

[4] 乔波, 程丽玲. 光生物辐射危害解读[J]. 照明工程学报, 2013, 24(增刊): 61-65.

[5] 过峰, 乔波, 赵介军. 光生物辐射安全测量技术[J]. 照明工程学报, 2014,25(4):45-49.

国际照明委员会第28届大会 (CIE 2015)征文通知

国际照明委员会第28届大会(CIE 28th Session)将于2015年6月28日—7月4日在英国曼切斯特市曼切斯特大学举行。同时，联合国大会已宣布2015年为国际光年，曼切斯特作为CIE大会举办地，必将是全球的聚会。组委会现向全世界范围内从事光与照明相关工作的人员征集论文。

提交论文的要求是：未在正式刊物发表过的研究工作和成果报告及科技论文；内容在国际照明委员会7个分部和技术委员会范围之内，包括颜色和视觉、光和辐射的测量、室内照明与设计、交通运输照明和光信号、室外照明及应用、光生物和光化学、图像技术等。

衷心邀请我国照明领域从事科研、教育和生产单位的广大照明科技工作者积极关注和参与这一盛事，并请按照征文的要求提交原创英文科技论文摘要。论文摘要提交截止日期是2014年12月1日，录用通知发放日期是2015年2月15日前。另外，组委会要求收到文章录用通知的作者于2015年3月31日前注册参会，否则文章取消录用。

有关会议的具体详细内容请登陆CIE官方网站的会议页面http://session2015.cie.co.at/。

目前大会的论文摘要在线提交系统已经开通，请登录以下链接查看有关的论文格式要求和摘要提交流程http://session2015.cie.co.at/abstract_submission。

Research of LED Blue Light Hazard

Zhao Jiejun1, Qiao Bo2, Guo Feng1

(1.WuxiEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,Wuxi214101,China;2.SENSINGInstrumentsCo.,Ltd.,Hangzhou310030,China)

LED lighting products with its beneficial characteristics, such as energy saving, environmental protection, long life, small size, and etc, have gradually entered people’s life. People started to care about the photobiological effects of lighting products. The photobiological radiation safety of LED lighting products, especially the retinal blue light hazard has become an important reason why people do not choose LED products. This paper analyzed the reasons and their possible harms to the human body which may be caused by LED blue light hazard. And by performing research on current situation of LED lighting products blue light hazard in market, it described how to properly use LED products so as to effectively prevent blue light hazards.

blue light hazards; retinal; LED; photobiological safety

江苏出入境检验检疫局《LED照明电器光生物安全的研究》课题项目(计划编号：2013KJ14)

TB17

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.016