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蓝光溢出的危害与防治 景天灯具制造

作 者:景天灯具 关注:100021 发表时间:2019-09-25 11:14:23

怎样有效定量检测和预防LED蓝光伤害 

前言:

LED灯光因其使用特性;包括其中高传输、高聚光及色彩变化等光学特性要求,其中蓝光波长是不可或缺的光色波长。近年LED新光源因蓝光芯片的产生,并配合相关的荧光材料发展成为固态白光照明用光源,除了取代生活照明需要外,3C产品及商业照明需要也几乎完全取代以往卤钨光源。根据中华医学会眼科学分会的调查:目前在中国4.2亿经常上网使用3C的民众有63.5%的民众因蓝光辐射等因素影响其视力下降;白内障、失明等分别不同程度的眼疾。此外在台湾也有类似的数据;在台湾教育部的调查在2016的学年度,发现学生裸视的不良率高达到68%,这些都疑似因蓝光产品所造成的情况。会有以上蓝光危害的照明产品目前已有建立相关「光生物伤害性的检测机制与安全规范」,但这里会介绍专业评价的工具及有效检测的硬件平台,判定相关蓝光伤害可能性危害。以居家或工作地点的条件为背景考虑,对于照明使用者与光源的相关条件下,设定照明灯光伤害的测试及认真执行安全规范,能够与IEC/TR 62778、IEC60598-1相互整合,发展蓝光危害测试及安全规范研究。

蓝光伤害的细胞组职病理机制:

>>细胞组织:

易被短波长蓝光伤害的眼部组职主要是:「黄斑部」及「水晶体」两种。主要产生的病症有:「黄斑部病变」及「早发性白内障」参考以下图1及图2

图1 http://www.dreye.net.tw/article/view/64

图2 http://blog.sina.com.cn/s/blog_e66fe5c60102vv5g.html

>>病理机制:

主要的病理伤害来自于短波长的蓝光;具直接穿透眼内水晶体对于黄斑部及视网膜产生伤害。光谱波长与能量关系:在量子力学里,普朗克-爱因斯坦关系式阐明,光子的能量与频率成正比:E = hν;其中,E是光子能量,h是普朗克常数,ν是光子频率;而频率与波长成反比,可由此推论:光谱波长越短,其能量也越高。

对于整个眼部系统对照相机的光学系统,参考下图3的说明;可以看到出来人眼水晶体组职部位功能与相机光学构架内的镜头功能相同,而黄斑部与相机内负责成像的底片功能相同。因此若以蓝光波长可直达到眼底黄斑部来看:这将会严重影响到眼部视觉图像的成像功能,并让人眼视觉成像功能受到迫害。

图3眼部组职功能与相机结构做对照,及各长短波长影响人眼的组职部位的差异

>>黄斑部病变的眼部视觉状况:

黄斑部病变或对于视力影响主要是对于眼内图像功能的破坏,这里可分为三个时期,分别是:

正常视觉期:在黄斑部未受到破坏前,其视觉图像的中心视野是在正常的状况下。

轻度受损时期:这时期的黄斑部以受到伤害,因此眼部的图像中心视野也开始产生扭曲变形。

严重受损时期:改时期可的眼部图像中心视野的部份已经无法成像,造成眼部视力严重伤害。

以下的状况可以参考以下图4的相关参考画面:

图4黄斑部病变的视觉状况;视觉成像功能已受影响及伤害。

受损生理细胞组职与光谱波长的关系:

人眼可视光的波长范围在380~780nm这一段,因此在该波段范围内为可见光辐射范围,这范围的光谱波长与人眼内对应的感光组织与细胞都会产生一定的光吸收的作用,以刺激视觉神经产生反应,人眼视黄素会针对特定光谱波长产生特定的吸收反应。在IEC62471的规范内已建立蓝光伤害光谱函数B(λ)借此函数锁定人眼蓝光伤害的主要范围,并乘以光源光谱辐射功率,可以换算其基本的伤害能量参数:蓝光伤害辐射照度(blue light weighted irradiance;EB)以下进行各种条件下的蓝光伤害,就有一个能量参数可以进行安全规范的评价:

图5蓝光伤害光谱函数B(λ)

光谱辐射定性与定量判定:

这部份主要以物理单位作为判定与分析的基础。

图6各式光源的光谱分布图。

图6各种光源于可见光光谱范围内的变化范围

2.定量分析:主要是以绝对光谱辐射的光功率密度量(Irradiance,Watt/m2)为定量光功率辐射的量化参数。

定量关键技术

风险指示单位:这部份主要是以对人眼细胞组织的光危害,做为其判定的基础,整合以上光谱辐射的关系,可将伤害的程度作出定义。

能量(E)x时间(T)=伤害(H)

能量的部份已可以用光谱数据做好物理性的定量,可以很清楚的表达能量强弱大小,但是在实际应用上不是很容易了解,该光源能量大小、而清楚表达该光源的危险性。因此客观的时间参数,就很容易让使用人清楚一个危害的程度,透过时间累积越长,伤害造成的可能性也就随之增高,因此这里会建立一个最大时间的临界点参数tmax要在100秒以下,属于危险性较高的光源,若是在100秒以上,其危险性较低。因此若蓝光伤害的功率大小是个固定的常数;很清楚这里可以可以看出:「时间(T)」会是造成「伤害(H)」的最重要因素。这两者参数之间是个非常清楚的正比关系,如下图7:

所以在蓝光伤害的风险检测评价使用时间的长短变化作为对应风险大小的

图7蓝光功率固定下时间与伤害可能性是成正比的状况

此外可参考以下IEC TR 62778的风险群组的叙述方式,如下表1:

表1蓝光伤害的风险群组表

其中配合的在tmax临界时间参数设定,能量单位是要达到蓝光伤害辐射照度(blue light weighted irradiance;EB)是:

EB=1 W/m2

当EB > 0.01 W/m2的光源,

其tmax = 100 / EB(秒)

以时间tmax作为一个当量的指数,对危害高低是一个很明确的指标,因此若是当EB=1 W/m2的时候其tmax刚好等于100(秒)这就是以照射处曝光100秒做为其临界值的原因。

光谱测试技术路线

测试实验规划:

实验上规划主要是以分光光谱系统(MK350S Premium)。做为侦测光辐射的定量与定性的装置。

1.测试平台:

本次测试主要是以工作区域灯光为主,因此整个测试的环境条件会考虑以下两个条件:

>>灯光的光度单位量:光源的光度单位常在光源的使用上有明确的不同,目前我们常用光度量有亮(辉)度及照度两种,在此单位定义下;工作区域在常规使用的光度,都是以照度为主,因为灯光主要是用在工作区域的照明及空间照明,因此这里评价就不使用亮(辉)度作为灯具的光度单位量。

>>灯光现场使用距离与人眼关系:IEC TR62471的定义里只有针对使用在普通照明的灯源,有定义其200mm测试距离条件下,已500 Lux的光度做为其临界测试值。这适用工作灯光的条件;因为普通一盏灯光在200 mm的距离条件下,其光照度都有在500 Lux左右。当然照度的大小跟距离平方成反比变化,因此工作空间在正常标准的使用距离,有可能在200 mm的条件下使用。因此以其该工作区域所使用的正常条件下测试。其照度是否有达到500 Lux以上?若测出该光源是在500 Lux以下。其安全性并没有太大的评价必要。距离的控制也可将该光源的蓝光伤害降低,参考以下图8:

图8蓝光伤害会与光源的距离平反成反比状况

2.光源样品:

根据灯具的特性,其定性的伤害的最大因子会来自光源本身的光谱与

蓝光伤害的关系,同样的在其不同的灯源产生的光谱与蓝光伤害光谱函数

B(λ)会有光谱波长对应的的关系,参考下图9:

图9各式光源光谱及色温与蓝光伤害光谱函数B(λ)对应关系图

基本上所有的灯源都有对人眼都有不同程度大小的蓝光伤害,参考上图

主要是因为人眼在对光色的反应有一组蓝光光度的视觉反应函数

(CIE Z)而刚好这蓝光光度的视觉反应函数(CIE Z)又与蓝光伤害光谱函数B(λ)又有绝大部份的重迭,但人眼是属于观察者,伤害的部分是来自光源。因此我们这里将蓝光伤害与人眼视觉反应整合成光辐射的蓝光危害性能(KB,V)由此方式,可以经由在同样的发光流明或照度的效率下,去评价不同光谱特性光辐射的蓝光危害性能(KB,V)会因为该光源的光谱与蓝光光度的视觉反应函数(CIE Z)与蓝光伤害光谱函数B(λ)分布大小不同,产生的伤害的效率也会不同,由此可以参考下列图10:

图10蓝光光度的视觉反应函数(CIE Z)与蓝光伤害光谱函数B(λ)分布

透过图10的结构可以将两组参数相互结合为:

更进一步可以将蓝光伤害辐射照度(blue light weighted irradiance;EB)及视觉的照度参数导入可以推算:

KB,V = EB / E(Lux,光照度)

将蓝光伤害与人眼视觉反应整合成光辐射的「蓝光危害性能(KB,V)」此方式,可经由同样的发光流明或照度效率下,评价不同光谱特性光辐射蓝光危害性能(KB,V)该光源光谱视觉反应函数(Photopic;Y)与蓝光伤害光谱函数B(λ)分占比,伤害光谱效率也不同,由此可以参考以上图10:

使用可KB,V可以有效的分析各种光源光谱辐射,对人眼的蓝光伤害的效率高低,方便在使用高蓝光效率的灯种时候,使用者会容易特别注意其使用的安全性。

2.测试参数整合:

经过以上各项参数的评价,这里将其相关的数据透过MK350S Premium的测试;有效将其蓝光伤害的各项指数快速的反应在其显示画面的数据上,参考下图11

图11以MK350S Premium针对蓝光伤害所做的测试分析显示画面

此外这三项的测试参数分别对于蓝光有不同面向的意义这里可以参考以下的说明结构图12

图12各项蓝光伤害检测的参数及其有效的定义

简单来说这三者参数,刚好符合产业的构架完整需要:

>>Eb测试参数:可针对LED元件及其它光源元件生产者的元件辐射功率,参考蓝光伤害定量大小的数据。

>>KB,V测试参数:对于照明灯具生产者或是其他照明灯具集成商,协助判定产品带来的蓝光伤害的可能性有多少?作为改善建议值或是转知消费者;明白蓝光伤害的可能性。

>>Risk Group测试参数:由灯具生产者提供或由照明规划设计人员在现场测试做提供;告知消费者风险危害的程度,并对此作好必要的使用安全性认知与了解。这部份可以参考以上表1蓝光伤害的风险群组表内,各风险群组所对应的tmax范围,作为灯具产品安全的使用依据。

国际通用行业规范作为蓝光伤害测试依据

蓝光安全规范:

光生物性安全规范:IEC 62471此规范主要定义光谱辐射的单位、发光条件及特定细胞组织的光辐射加权伤害,如B(λ)、EB等函数。

蓝光视觉安全规范:IEC TR 62778以IEC 62471的定义为基础构架下,以人眼蓝光伤害为目标,配合实际灯具与人眼的相关时空条件,建立相关安全规范。

海峡两岸对于蓝光伤害所带来的人民健康的风险危害都有一致的认同因此针对此项检测分别参考IEC62471的内容制定以下相关的光生物性安全规范

表2两岸及全球关于光生物性安全规范的相关商品的豪行业检测标准

蓝光伤害变化因素分析:

就以上说明蓝光视觉的安全规范来看;用在一般室内照明及商业照明上已有足够的条件可以配合,工作区域灯光使用的环境条件下,以上的规范是否完全可以一体适用?不论如何所有的光源跟人眼的关系,是有以下共通的环境条件做判定:

1.人眼关系:照明用光源伤害较小直视型(显示或指示)光源伤害能力较高

2.时间长短:时间越长蓝光伤害风险越高

3.使用距离:距离与蓝光伤害可能性成反比

4.色温高低:色温越高每单位流明内蓝光伤害占比(KB,V)越高

5.光谱辐射:蓝光光谱波段占比越高(KB,V)其蓝光伤害光谱范围越大

以上五种条件基本上就有两种与光谱辐射大小有直接的关系,其它的第1项与第3项是主要是针对光源跟空间几何的关系。比较单纯线性的参数就是第2项的时间参数、我们可以归纳成以下的图标:

图13整体蓝光安全规范测试需要注意的相关参数

可就以上所归纳的五项参数,交互在照明上灯具注意其照明灯具的特性,以此做为降低蓝光伤害的方法。

无论如何:防护人眼因光源造成的伤害;最重要的工作是在于如何做好主动检测,因此检测并判定有害蓝光,才是能降低蓝光伤害的首要的工作。目前3C商品常見的藍光傷害解決方式:

在3C商品的LED藍光元件是市場上做最大的使用群,目前有根據LED光譜的特性,主動將藍光光譜的部份作降低(參考以下圖)這是目前大

图14主动针对蓝光光谱做相对调整降低蓝光危害之光谱比例图标

部份厂商采取的方式,但可惜的是这样的方式未必有效解决伤害的问题,反而让使用者在使用产品上产生许多的不便,如下列:

>3C产品常用方式

>容易影响显示色温白平衡

>光度容易一起下降

>偏蓝色系的光色容易显示异常

>相对性产生改变未能确实的蓝光定量参数的显示

这样的方式可以解决蓝光伤害的问题,但也衍生其它原本没有的问题。这里若能主动加上检测状况的告知,就能让使用者自行判定蓝光风险的程度,做好该有蓝光防护策略。

结论:

蓝光带给人眼的伤害,已是全球需要共同面对的健康议题。这是全球人类因工业产品「电视」发明以来,又再一次眼睛健康受到威胁。而这一次的威胁较第一次电视发明的威胁更大;主要的因素是在于:这次蓝光与我们相处的时间更长,更是无所不在。

在世界卫生组职(WHO)多次提出的警讯,如下表3的内容来看:在2006年后蓝光LED产品的快速普及下,人类眼睛的健康状况已经是不能忽视的健康危害问题。若是不尽快的改善,未来的威胁持续不断,人类社会将会付出一笔更大的经济损失如;保险支出、医疗照护、生产工作力大幅下降等具体的经济损失,不论在卫生及经济的层面上来看,都是必须要尽快处理的问题。

表3 WHO针对蓝光与辐射威胁提出有关的人眼健康警告

面对这样分布到处的蓝光伤害,在没有办法完全隔绝的情况下;目前最好的方式就是:「主动学会如何与蓝光相处减少伤害」这里有以下两点原则:

1.看的到的伤害,就不容易造成伤害。

2.主动侦测蓝光。胜过被动性的防护。

因此可以知道,若要将蓝光伤害转成显性可见的状况,最好的方式就是主动侦测,让蓝光伤害无所遁形,可参考下图:

图11有害蓝光主动侦测与被动防护的差异

因此相关的3C产品厂商、照明元件生产者及其他提供照明设计的设计师,都是责无旁贷的;需要主动依照蓝光测试标准做好相关的测试,并告知消费者需要注意的地方。这样做,一来可以了解产品的规格,二来也顾到消费者的健康,并得到消费者的长期产品安全信任。这样双管齐下的策略就会让原本因威胁的损失转化成健康的经济成长,由此危机化为蓝海商机。


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