室内空间LED照明蓝光辐射分布的测量与计算

2020-05-12杨春宇梁树英张青文

照明工程学报 2020年2期

杨春宇，何伟，梁树英，张青文

(重庆大学建筑城规学院，重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

光辐射安全是判断室内照明是否健康的重要标准之一[1]，随着发光二极管(LED)照明光源在室内空间被广泛使用[2]，它的光谱分布和能量辐射特性让人们对其健康安全性产生了担忧。与其他光源相比，白光LED照明光源产生更多的蓝光光谱[3,4]，人眼视网膜色素上皮(RPE)中的黑色素对蓝光波长有很强的吸收作用[5]，过量的蓝光辐射会破坏视网膜的细胞组织和蛋白质结构，导致感光细胞、RPE细胞和神经节细胞凋亡[6，7]。视网膜损伤程度与光谱、辐射强度、辐射时间有关[8，9]。室内LED照明在正常使用的情况下不会对人眼造成伤害[10]，2019年国际照明委员会(CIE)发表了关于蓝光危害的声明，认为在合理可预见的使用状态下，灯具是不会超出蓝光危害曝光极限的[11]。尽管CIE发表声明称蓝光对人眼是安全的，但目前缺乏关于室内照明光谱分布辐射安全的具体参数，准确评价室内照明光谱的辐射强度对于LED照明在室内的应用具有十分重要的作用。

1 蓝光危害的曝辐限值

国际电工委员会(IEC)发布的IEC 62471—2006[12]和IEC/TR 62778—2012[13]将单个光源的蓝光危害进行等级分类，用蓝光加权辐亮度LB、辐照度EB、曝辐时间t来表征。表1为不同蓝光危害等级的参数阈值。

表1 不同蓝光危害等级的参数阈值

IEC 62471—2006规定普通照明光源在产生500 lx照度的距离处(其他的在距离光源200 mm处)，通过探测器测量可视光源直射的光谱辐照度或是辐亮度[14]。IEC/TR 62778—2012推荐在200 mm、0.011 rad的条件下对光源进行测量以确定其蓝光危害等级[15]。

视网膜损伤程度取决于视网膜接收到的光照水平[9]，只要眼睛处的蓝光辐射强度不超过曝辐限值就不会引发视网膜损伤。在室内空间的照明环境中，照明距离、视线角度、光谱分布以及环境反射等因素都会影响视网膜接收到的光辐射强度。室内空间LED灯具通常安装在天花板上，眼睑对来自头顶上方的光线有极好的遮蔽作用，正常站立或坐立的人不会长时间直视照明光源，即使偶尔看到表面亮度很高的光源，人眼具有天然防御光照伤害的机制，比如通过闭眼、转移视线、瞳孔收缩和快速眼动等应激反射行为使视网膜避免受到来自强光的伤害[14]。因此，采用IEC 62471—2006的评价方法评价实际使用的室内空间照明对人眼蓝光辐射强度可能导致夸大的结果，在室内正常活动的人们眼睛接收到的辐射强度应根据实际情况准确评估。本实验在不同照明强度和照明距离下测量了LED照明的光谱功率分布，研究照明强度和照明距离与蓝光辐射分布的关系。

2 研究方法

美国国际健康建筑研究中心(International WELL Building Institute, IWBI)提出眼睛处垂直向前的光照水平可以模拟进入眼睛的光线，以在工作平面上方45 cm处(距离地面120 cm)垂直向前的光照水平作为工作空间人坐立时的角膜照度为评价标准[15]。

在实验室模拟室内空间照明环境。实验灯具为 LED灯管(有国家质检合格证书)，灯具安装在天花板位置高度。在工作桌面照度为300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx下进行照度标定，根据工作面的位置、人坐立时眼睛的位置、人站立时眼睛的位置以及头顶上方40 cm的位置(分别距离地面0.75 m，1.20 m，1.55 m，2.10 m)，设置4个光谱功率分布的实验测点，如图1所示，并通过设置遮光布帘避免其他光线的干扰。照明光源发光稳定后采用CL-500A分光辐射照度计测量不同照明条件下的光谱功率分布并分别记录，对5 000 K 色温LED照明光谱的蓝光辐射强度进行了计算和分析(其他色温的数据还在分析中)。

图1 立面空间光谱测量实验测点布置Fig.1 Layout of experimental measuring points for spectral measurement of facade space

3 实验结果及分析

3.1 蓝光辐射强度的计算

图2是不同照明距离下眼睛位置处5 000 K LED照明的光谱功率分布，从图中可以看出随着照明距离的减小(距离地面越大)眼睛接收到的光谱辐射强度越大，照明距离没有明显改变眼睛位置的光谱分布形状，眼睛接收到的光谱辐射强度随着照明距离的变化等比例变化。图3是不同照明强度下眼睛位置5 000 K LED照明的光谱功率分布，随着照明强度的增大，眼睛位置处的光谱辐射强度增大，光谱的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波长占比越大。

图2 不同照明距离眼睛位置的光谱能量分布Fig.2 Spectral energy distribution at different illumination distances

图3 不同照明强度眼睛位置的光谱能量分布Fig.3 Spectral energy distribution with different illumination intensity

根据IEC 62471—2006蓝光辐射计算方法，蓝光辐射对视网膜产生的光化学损伤可以通过蓝光加权辐照度EB进行评估，室内空间不同位置眼睛处的蓝光加权辐照度EB，是该点位置的光谱辐照度Eλ与蓝光危害函数B(λ)加权积分后的能量，可以通过式(1)计算得出该视点蓝光加权辐照度。

(1)

式中Eλ是某波长光谱辐照度，单位W·m-2·nm-1；B(λ)是蓝光危害加权函数，可通过查询IEC 62471—2006第4.3.3条获得；Δλ是光谱的波长带宽，单位nm。

3.2 数据分析和讨论

通过式(1)计算出不同照明距离和照度下眼睛位置5 000 K LED照明的蓝光加权辐照度，结果见表2，通过软件进行数据拟合和图表分析，结果见图4。

表2 5 000 K LED照明蓝光加权辐照度

表2中，de是测点位置距离地面的距离，单位是m，Ev是工作桌面的水平照度，单位：lx。

图4 不同照明距离和照明强度下眼睛位置的蓝光加权辐照度Fig.4 Blue light weighted irradiance at different illumination distances and intensity

从图4和表2可以看出，室内照明光源对眼睛的蓝光辐射强度随着照明距离的减小而增大，即眼睛位置距离照明光源越近，眼睛接收到的蓝光辐射强度越大。总的来说，人在正常坐立的情况下，眼睛位置的蓝光辐射强度处于较低的水平，在300 lx桌面照度下，蓝光加权辐射强度仅为0.041 W/m2，桌面照度为3 000 lx时，蓝光辐射强度为0.36 W/m2，均远远低于IEC 62471—2006规定的1 W/m2蓝光辐射的安全限值，属于无危险级别。站立时眼睛接收到的蓝光辐射强度比坐立时更大，在300 lx桌面照度时为0.052 W/m2，在3 000 lx桌面照度时为0.48 W/m2，仍处于蓝光辐射的安全限值内。对于特定的建筑空间，通常灯具安装完成后照明距离是确定的，照明距离对于眼睛的蓝光辐射强度影响不会变化。

在光照强度方面，当桌面照度为300 lx时，人坐立眼睛位置的蓝光辐射强度为0.041 W/m2，桌面照度增加到3 000 lx时，人坐立眼睛位置的蓝光辐射强度增大到0.36 W/m2，照明强度的增加会导致蓝光辐射强度的显著增大。当桌面照度为3 000 lx，在不直视光源的情况下，人站立时眼睛位置的蓝光辐射强度也不超过0.48 W/m2，属于安全限值内。总的来说，在正常情况下人们在室内坐立或走动，只要不长时间直视光源，室内5 000 K色温LED照明对眼睛的蓝光辐射强度均在安全限值内。