LED 的光安全性和光生物效应

杨春宇，张志远，黄 彦，马俊涛，段 然

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

LED 灯是继白炽灯、日光灯以及节能灯之后的一种新型光源，由于其具有极高的发光效率，近些年，市场正以惊人的速度日益扩大。LED 不仅在照明领域发展迅速，另一方面，随着人们对光生物效应领域的不断研究，研究者们发现，LED 由于其独特的光谱特性和所含的蓝光成分，能对人体的激素分泌和生理节律调节产生作用。因此，具有特定功能的LED 产品逐渐在生物、医疗领域崭露头角。人们用这种LED 产品调节生理节律，治疗抑郁，提高工作学习效率。尽管拥有以上种种优点，但LED 确是一把双刃剑，过量的LED 辐射对人眼视网膜可造成永久的不可逆的损伤。因此，在对LED 的应用研究中，研究者应综合考虑LED 的光安全性和光生物效应，利用LED 对光生物效应有利的影响，并避免过剂量使用造成的对人体的不可逆损伤。

1 白光LED 的发光原理

在LED 家族中，没有纯白光的LED。实际上，纯光LED 主要为“RGB”这3 种颜色，其中R 就是red，表示红光;G 表示green，即绿光;而B 表示blue，就是蓝光。其中，蓝光LED 技术是在1998年v才被开发出来，由GaN 芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。这个技术还因此获得了2014年v诺贝尔物理奖。在这3 种颜色的LED 中，蓝光LED 能量最高。GaN基芯片发蓝光，波长λ 等于465 nm，波长带宽约为30 nm。我们将波长400～500 nm 之间的光称为蓝光。如图1 所示，蓝光的波长短，频率高。根据爱因斯坦与普朗克的光量子能量计算公式，光子的能量等于普朗克常数与光子频率的乘积，所以蓝光的光子能量比红光和绿光要高，这使我们可以用蓝光来“激发”出其他颜色的光，比如黄光。

图1 可见光光谱

LED 产品中的白光又是如何产生?如上文所说，蓝光光子的能量高，用它可以激发荧光。一般用蓝光LED 产生的蓝光激发荧光粉产生黄光(原理类似于紫外线激发日光灯管内壁上的荧光粉发光)。黄光被蓝光激发出来以后，它们一起从LED 里混合出射，我们会感觉好像是看到了白光，实际上这是蓝与黄两种颜色混合在一起的复合光。

基于这个原理，市面上常见色温(2 700～6 500 K)白光LED 或其他白色系色温LED，实质上是由蓝光和黄光的不同能量配比调和而成。图2 是实测的各色温LED 的光谱能量分布。从图2 中可以看出，由于是蓝光激发，各色温LED 在400～500 nm 蓝光区间形成了一个陡峭的峰值。色温越高，白光亮度越大，蓝光的能量也就相应加大。

图2 不同色温LED 的光谱能量分布

2 蓝光对人眼视网膜的损害

视网膜是人眼睛中用来接收光的组织，如图3 所示。由上图LED 的光谱能量分布可知，在400～500 nm蓝光区域会产生一个陡峭的峰值，如果光源中的400～500 mm 蓝光波段能量过高，眼睛长时间直视光源会引起视网膜的光化学损伤。

图3 人眼球构造

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产生的损伤;蓝光与视网膜色素上皮细胞(PRE 细胞)中的脂褐素反应所引发的损伤。这些光化学反应会产生大量具有细胞毒性的自由基，破坏视网膜细胞正常生长与工作。

3 LED 的光安全性评定

目前，国际上有关LED 安全性的标准有CIE S009/E:2002 和IEC60825。我国现行GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》即是采用的CIE标准。该标准对LED 造成的人眼光化学危害、视网膜蓝光光化学损伤的曝辐限值作出了规定。

对曝辐限值的确定，标准中规定光源的光谱辐亮度与蓝光危害函数加权积分后的能量，即蓝光加权辐亮度LB不应该超过如下限值，见式(1)、式(2)。

式中:Lλ(λ，t)——光谱辐亮度，单位为W·m-2·sr·nm-1;

B(λ)——蓝光危害加权函数;

Δλ——波长带宽，单位为nm;

t——辐射持续时间，单位为s。

蓝光加权函数B(λ)如表1 所示。

表1 光源对视网膜危害的光谱加权函数

由上文公式可知，曝辐限值实际上是蓝光加权辐亮度在时间上的积分，为了便于理解，标准还给出了恒曝辐的加权辐亮度与时间的对应关系，如图4 所示。

图4 恒曝辐的加权亮度对时间的曝辐限值

4 LED 对人体的光生物效应

人造光源的发明，打破了人类日出而作，日落而息的生物节律，使人们可以自主地决定自己的作息时间。随着科技发展和社会生产力的提高，照明进入到人们工作生活的各个领域，人类的工作效率和生物作息发生了极大变化。同时，人们不再满足于光对视觉功能的需求，而是转为研究光对于人体健康和舒适的更深层次需求。于是，光对人体所产生的生物效应越来越被研究者关注和重视。蓝光对人体激素分泌和生物节律所产生的影响便成为近来光生物领域的研究热点。

传统研究认为，光之所以能被人眼所感知，主要是取决于视网膜上的锥状感光细胞和柱状感光细胞。其中，锥状细胞对波长为555 nm 的光最敏感，人们将之称为明视觉;而柱状细胞的最大灵敏度发生在波长为507 nm 时，称之为暗视觉。这是过去我们对光与人类视觉系统的所有认知。2002年v，美国Brown 大学的David Berson 教授发现，在人类视网膜中存在一种新的感光细胞，即第三种感光细胞(神经节细胞)，它对光的最大灵敏度在波长460 nm 附近，即蓝光LED所对应的波长区域，如图5 所示，它能够直接作用于下丘脑的松果体，影响人体的生物节律和激素分泌。

图5 三类视觉效应的光谱灵敏度分布

如今人们迫于生活压力，越来越多的人工作时间变得不规律，这种长期的或间歇性的日夜颠倒工作时间导致人们工作效率低下，反应迟缓，神经衰弱等疾病，更有甚者影响正常的生理周期。应用蓝光照明能刺激视网膜上的神经节细胞，抑制褪黑色素的分泌，使体内皮质醇的浓度增高，使原来的不适状态得到明显改善。2004年v，Cajochen 发现用460 nm 单色光照射2 h 后比555 nm 单色光照射后有更明显的抑制褪黑色素作用，同时还会提高警觉反应，增加体温心率，并降低皮肤末梢区域的温度。另外，CIE 最新研究结果显示，缺少蓝光的光脉冲照射虽然能抑制褪黑色素分泌，但是可能引起生物钟偏移。因此，与其他众多光源相比，LED 更适合调节生理节律。因为传统光源不容易得到相对集中的蓝光光谱，并需要避免过量的热辐射。

由上可以看出LED 对人体光生物效应的作用。因此，结合安全性考虑并采取科学适当的应用方式是非常必要的。

5 小 结

LED 与其他传统光源不同，是一种全新的极具发展潜力的光源，LED 光生物安全和光生物效应，也成为一个被广泛关注的问题，既是一种机遇，又是一种挑战。对LED 光生物安全性的正确评价，与它的光生物效应相互促进，相辅相成。

［1］GB/T 20145—2006/ CIE S009/E:2002《灯和灯系统的光生物安全性》

［2］W.Horak，R.Neuhaus.Proceeding of CIE“ Expert Symposium on LED”，2004，5

［3］George C.Brainard，etc.Light and Health:Photoreception for biological，behavioral and therapeutic responses in Humans.Proceeding of CIE 2007，D6-2

［4］Horak，Werner.Comparison of the optical radiation safety requirements for Light Emitting Diodes.Proceeding of CIE 2007，D6-30