应用于儿童的LED光源蓝光危害评价方法研究

郑 建 牟同升 何 涛

1(浙江大学 光电科学与工程学院，现代光学仪器国重点实验室， 杭州 310028)2(浙江省医疗器械检验院，杭州 310009)3(浙江省医疗器械安全性评价研究重点实验室，杭州 310009)

应用于儿童的LED光源蓝光危害评价方法研究

郑 建1,2牟同升1*何 涛3

1(浙江大学 光电科学与工程学院，现代光学仪器国重点实验室， 杭州 310028)2(浙江省医疗器械检验院，杭州 310009)3(浙江省医疗器械安全性评价研究重点实验室，杭州 310009)

应用对象为儿童的发光二级管(LED)光源的视网膜蓝光伤害尚未形成成熟的评价方法体系，本研究提出一种考虑了儿童自身特性的蓝光危害评价方法。通过将儿童眼睛生理结构方面的光学特性、观察光源时的心理行为特点引入到LED光源的蓝光危害评价中，以应用对象为成人的光源的光生物安全评价方法为基础，结合差异因素引入修正因子并设定评价测试条件，选取3种不同颜色典型LED光源开展对比分析测试。测试结果表明，差异因素引入对于视网膜蓝光伤害评价存在重大影响，可直接影响蓝光LED视网膜伤害光生物安全危险类别的变化；对于被测的绿光和红光LED而言，其视网膜蓝光危害的低风险类组曝辐值有400%的增幅。通过对比测试，验证了最不利观察距离对于儿童光生物安全评价存在重大影响，眼睛平均透过率因素影响相对较小。但两者的共同变化，将引起光生物安全分类或辐射值的显著变化。因此，引入儿童与成人的差异因素建立应用于儿童的视网膜蓝光伤害光生物安全评价方法是必要和可行的。

发光二极管(LED)；视网膜蓝光伤害；光生物安全

引言

随着发光二极管(light emitting diode,LED)技术的高速发展，使其具有寿命长、体积小、高亮度、低能耗等优点，并呈现出高光效、高亮度、大功率、高光通量的发展趋势，使其在日常生活中的使用越来越普遍[1]。据统计，市场上90%的光电玩具使用了LED。LED光源能量集中，在某些方面具有激光的相似特性，其光辐射对人眼的伤害不容小觑，它甚至可能对人眼造成永久性损害。当该类光源应用于儿童光电玩具、儿童台灯和照明时，由于儿童具有天然的好奇心，对光源危害性的认知能力不足，该类人群更易受到LED光辐射的伤害，因此，对应用于儿童的LED光源的光生物安全性问题应引起足够的重视。

可见光LED光源对眼睛的光辐射危害主要有视网膜蓝光危害和视网膜热危害等类型。根据国内外报道及对目前市场上LED产品的试验研究，现有LED产品在可见光和远红外波段的辐射尚不足以造成明显的视网膜热伤害。因此，不考虑视网膜热伤害和波长超过780 nm的红外辐射伤害[2]。而波长主要介于400～500 nm波段辐照后引起的光化学作用即视网膜蓝光危害，在LED光源的光辐射危害中起主要作用，且是热损害机理的数倍之多。蓝光危害可造成视网膜的退行性改变，形成光致视网膜炎,对人眼视网膜造成不可逆损伤，且能够致盲[3-4]。 因此，视网膜蓝光危害在LED光源的光生物安全评价研究中占据主导地位。

目前，对LED光源进行光生物安全评价采用我国国家标准GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》[5]，该标准等同转化自国际照明委员会CIE S009/E[6]，适用于对所有非相干宽带电光源，也包括LED但不包括激光，在200～3 000 nm波长范围光学辐射的光生物危害的评估和控制。该标准中光生物危害的分类、曝辐限值、测试条件及方法的设定主要来自于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的导则，在上述导则中评价条件和参数均针对成年人眼而设定[4]。

国际上针对应用对象为儿童的LED光源的蓝光危害评价研究也正在进行中，希望能够建立专门适用于儿童的光生物安全的评价方法和标准。英国健康防护所的专家Michael Higlett 等针对于玩具中的LED光源的光辐射安全评价开展了研究，其认为2岁及以下的儿童的晶状体的紫外透过率远高于2岁以上儿童，在蓝光波段对婴儿眼睛的光危害权重函数在靠近440 nm波段附近显著增大。考虑到对儿童的不利影响，认为在紫外和可见波段的LED光辐射曝辐限值应降低为成人的1/10[7]。

此外，在最新版的《ICNIRP非相干可见及红外辐射曝辐限值导则》中也指出， 成年之前的儿童的眼睛光危害曝辐限值随不同的光谱透过率和敏感性而修改[8-9]。

本课题研究LED的光生物安全性评价基于如下基本理念：模拟人眼在合理可预见的最不利条件下使用LED光源的情况，只有在该情况下是安全的，那么才是安全的。研究立足于将儿童眼睛生理结构上的光学特性(主要为眼睛的平均光谱透过率)、最不利应用距离(主要由眼睛聚焦近点)以及儿童观察光源时的心理行为特性的差异纳入到应用对象为儿童的LED光源的光生物安全评价中，提出纳入上述差异后进行修正的评价方法，并就此开展对比测试和分析，验证方法的必要性和合理性。

1 方法

1.1 GB/T 20145标准中的蓝光危害评价方法

标准中关于视网膜蓝光危害的评价规定如下：为了防止长期受到蓝光辐射的视网膜产生视网膜光化学损伤，光源的光谱辐亮度与蓝光危害函数B(λ)加权积分后的能量，即蓝光加权幅亮度LB不应超过标准规定的限值，其公式如下：[5]

(1)

(2)

式中：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。

通过测量并按照式(1)或式(2)计算待评价光源的蓝光加权辐亮度值，并将其与视网膜蓝光危害曝辐限值的比较，确定光源的的危险分类。表1给出了蓝光危害各危险类的曝辐限值、视网膜蓝光危害分类以及划分为不同危险类别的条件。

表1 视网膜蓝光危害光生物安全分类[5]Tab.1 Classification of photobiological safety

1.2 应用对象为儿童的LED光源的蓝光生物安全性评价差异因素的引入

分析儿童与成人眼睛的差异因素，是建立应用于儿童的LED光源蓝光危害评价方法的关键。

1.2.1 儿童眼睛最不利观察距离

在光生物安全评价中，视网膜光伤害与视网膜上聚焦像的大小密切相关，而聚焦像大小主要与观察距离有关。对于成年人而言，人眼能够聚焦的最小距离为10～20 cm。因此，GB/T 20145标准中选取了20 cm(即20岁左右正常成人的明视距离)作为测试时的观察距离。

考虑儿童眼睛的屈光调节能力明显强于成人(见表2)，其可以在视网膜清晰聚焦成像的最近距离，即近点距可达7 cm，同时考虑到好奇心以及缺乏闪避等自我保护行为，对于儿童其最不利条件下的应用距离建议设定为7 cm，而不是激光光源评价时选取的10 cm[10]，也不是照明光源选取的20 cm的最不利条件距离。

1.2.2 儿童眼睛平均光谱透过率

人眼各组织的光辐射损伤主要由吸收进入人眼后到达各组织(角膜、晶状体、视网膜等)的有害光辐射引起，而最终到达视网膜的光辐射伤害，则来自于入射光辐射被视网膜前的眼组织吸收后透射的部分。不同年龄段人眼的平均透过率是存在明显差异的(见图1)，例如儿童与成人眼睛在300～350 nm及425～500 nm波段的吸收率存在差异，这将影响最终到达视网膜产生蓝光危害的辐照量。

表2 不同年龄人员的近点距和眼睛极限调焦能力[11]Tab. 2 Near point distance and far point distance for different ages[11]

图1 不同年龄人群人眼平均透过率[12]Fig.1 Human lens average transmittance[12]

基于上述分析，在光生物安全评价过程中，视网膜前的眼组织可以等效为透过率为T(λ)的“滤光片”。眼睛这个光学系统可等效为由光源+滤光片(眼球组织)+光电接收器(视网膜)组成的模型，如图2所示。

图2 眼睛光辐射伤害等效模型Fig.2 Equivalent model of Eye for Optical radiation hazard

在进行应用于成人的LED光源评价时，“滤光片”的透过率为Tadult(λ)，此时的光辐射安全评价就可理解为：光源→透过率为Tadult(λ)滤波片→视网膜，相应地，当光源应用对象为儿童时，理解为：光源→透过率为Tchild(λ)滤波片→视网膜。

因此，建立应用于儿童眼睛光生物安全评价的方法时，将儿童与成人眼睛平均透过率相除形成修正因子Tchild(λ)/Tadult(λ)纳入其中。此时，要对应用于儿童的LED光源蓝光危害安全性评价方法进行修正：一是测试条件修正，测试距离，70 mm，其他测试条件同GB/T 20145标准；二是视网膜蓝光危害加权光谱辐亮度公式修正。

根据前述儿童与成人眼睛平均透过率差异，定义如下修正因子：

(3)

故蓝光危害评价视网膜加权辐亮度修正为

(4)

1.3 实验设计

1.3.1 实验条件的设定

鉴于GB/T 20145标准中的评价方法的规定比较全面，此处不再赘述。本实验中采用的评价方法与标准中方法的改进之处，在于最不利观察距离的选择和儿童与成人眼睛透过率差异的引入，其他条件及影响因素均保持不变。为了对比测试的需要，实验按表3所示的4组测试条件组合进行。

表3 测试条件分组Tab.3 Test conditions

1.3.2 实验思路及样品选择

在本实验中，对于同一待测样品，分别根据上文规定的测试条件进行对比测量，以条件1测试获得的光源曝辐值及分类结果作为基准，其他条件下的结果与之进行比较，按如下方法分析：一是测试条件的改变，对于LED光源蓝光危害加权辐亮度量值和安全分类类别的影响；二是比较纳入考虑的差异因素对于LED光源的光辐射安全评价的影响程度。

为便于分析测试结果，定义用于表征其他测试条件下相对于条件1的曝辐量的相对变化量，有

(5)

式中，Lr1为条件1下的测试结果，Lrn为条件n下的测试结果。

本实验选择了蓝光、绿光、红光3种不同颜色的典型LED光源进行测量，同时也考虑了样品光辐射危害值处于安全分类边界附近，测试设备采用的光生物辐射安全测试系统见图3，初始设定参数适用于应用对象为成人的LED光源的蓝光危害评价。当进行应用对象为儿童的LED光源评价时，需通过更换成像亮度计的镜头使其聚焦范围扩展到7 cm(即最不利应用距离)，测得的光谱辐亮度根据式(1)、(2)，纳入透过率差异的修正因子t(λ)，从而计算获得针对儿童计算蓝光加权辐亮度LB，该加权辐亮度与对应的曝辐限值比较获得其对应的光危险分类。

图3 光生物辐射安全测试系统Fig.3 Optical radiation safety evaluation system

2 结果

2.1 被测LED光谱分布、亮度分布及分类结果

图4给出了蓝色LED光源在20和7 cm处测试的光谱分布、亮度分布及分类结果。从结果可以看到，由于LED光源的光谱分布(见图4(a))仅取决于自身发光特性，在不同距离不影响其光谱分布；其亮度分布随测试距离不同，分布存在明显差异；当最不利应用距离从20 cm调整为7 cm时，直接导致同一光源的安全分类发生变化(“低风险”到“中度风险”)，说明最不利应用距离的改变，将直接影响光源的分类结果。图4(a)表示了被测的蓝色LED光源的光谱分布，峰值说明该LED辐射光谱的辐照度峰值位于450 nm附近，其能量主要集中在该峰值波长附近，分布在400～520 nm附近，即该LED光源发射的是蓝色光。

图4 被测蓝色LED光源的光谱分布、亮度分布和分类结果。(a)20和7 cm处光谱分布；(b)20 cm(左)和7 cm(右)处亮度分布；(c)20 cm(左)和7 cm(右)蓝光危害分类结果Fig.4 The distribution of spectral and radiance, classification result.(a)Spectral distribution with distance at 20 cm and 70cm；(b)Distribution of radiance with distance at 20 cm(left)and 70 cm(right)；(c)Classification result with distance at 20 cm(left)and 70 cm(right)

2.2 视网膜蓝光伤害加权辐亮度值LB测量结果

表4给出了在4种条件下的视网膜蓝光伤害的RG0、RG1和RG2分类测试值及分类结果。

表4 蓝光伤害加权辐亮度测试结果及分类Tab.4 LB results of different conditions and classifications

在视网膜蓝光评价中，蓝色、绿色、红色LED的RG0、RG1、RG2测量结果表明，随着条件1～4的变化，其视网膜辐亮度值均一致正向增大，但以蓝色增幅尤为明显。

被测蓝光LED在测试距离发生变化(即采用儿童最不利观察距离)时，其安全分类发生重大改变。分析同一样品在不同测试条件下的辐亮度值变化发现，测试距离的变化带来的影响最显著。

3 讨论

3.1 最不利应用距离对光生物安全分类的影响

被测蓝光LED在按照成人应用目的试验条件下进行的蓝光危害评价时，被认为是属于危害等级RG1(低危险组)；而在纳入儿童的差异因素后(尤其是采用70 mm作为最不利应用距离)，其危害等级上升为RG2(中度危险组)。被测的绿光LED和红光LED在考虑差异因素后，虽未导致其本身安全分类变化，但在RG1(低危险组)的分类测试时，其加权辐亮度值增幅达400%甚至更大，其安全风险显著增大。

3.2 平均透过率改变对儿童眼睛光安全的影响

在仅将儿童眼睛与成人眼睛的平均透过率差异因素纳入考虑后进行视网膜蓝光危害评价时，3种颜色的LED光源的危害分类等级没有发生变化，但相较于条件1的结果而言，蓝色和绿色LED光源辐亮度值均有10%-20%的变化，红色变化不超过5%，这说明仅透过率变化时，对LED光源的蓝光危害加权辐亮度值影响较小，但对于辐射值处于分类曝辐限值附近的，该变化可能引起分类结果的变化。

3.3 光生物安全与被测光源颜色存在一定关系

对于不同颜色的光源在同等的对比测试条件下，其视网膜蓝光伤害加权辐亮度值的变化幅度并不一致，揭示了视网膜蓝光伤害与光源颜色(即光谱分布)存在一定的相关性。

3.4 儿童眼睛差异因素纳入后的结果讨论

通过在不同条件下进行同一LED光源的视网膜蓝光危害的对比测试和分析表明，儿童眼睛聚焦能力及心理特点引发的最不利观察距离的变化和眼睛的平均透过率差异，对应用于儿童的LED光源的视网膜蓝光危害评价产生重大影响，并可能导致按照成人应用时的评价认为是安全的，对儿童应用可能是不安全的或风险成倍地显著增大。从影响因素的对比测试看，儿童与成人眼睛的平均透过率差异对视网膜蓝光伤害评价的影响较小。

4 结论

本研究通过对儿童与成人在眼睛生理光学特性和心理行为特性差异的分析，并将该差异纳入到LED光源的视网膜蓝光危害评价中，提出经过修正后的评价方法建议，通过选取蓝、绿、红三色LED光源进行对比测试实验，反映了“最不利观察距离”因素在儿童的光生物安全评价中影响显著，且可导致光源本身安全分类的改变，而“眼睛平均透过率”因素影响相对较小。但两者的共同变化，将显著引起光安全分类或辐射值的重大变化，通过对比测试试验也验证了建立应用于儿童的光生物安全评价方法的必要性和可行性。

综上所述，为确保儿童使用LED光源时的光生物安全性，应基于儿童与成人群体的生理和心理行为特性差异来修正评价方法，建立专用于儿童的视网膜蓝光危害光生物安全评价方法。

[1] 梁澄波,周海波,王刚,等.玩具LED光辐射测试中关键参数对检测结果的影响[J].检验检疫学刊，2015,25(1)：9-12.

[2] 赵英,周钢,牟同升.LED光辐射安全标准解读[J].信息技术与标准化. 2014，11：21-22.

[3] 赵介军,乔波,过峰.LED蓝光危害研究[J].照明工程学报，2015,26(1):84-85.

[4] ICNIRP.Guidelines on limits of exposure to laser radiation of wavelengths between 180 nm and 1,000 μm [J]. Health Phys,2013, 105(3):271-295.

[5] GB/T 20145-2006 灯和灯系统的光生物安全性 [S].

[6] CIE S009/E:2002 Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems [S].

[7] Higlett MP， O’Hagan JB， Khazova M. Safety of light emitting diodes in toys[J].Journal of Radiological Protection, 2012, 32(32):51-72.

[8] ICNIRP. Guidelines on limits of exposure to incoherent visible and infrared radiation[J]. Health physics,2013, 105(1):74-96.

[9] Soderberg PG. Optical radiation and the eyes, with special emphasis on children[J]. Prog Biophys Mol Biol, 2011,107:389392.

[10] GB 7247.1—2012 激光产品的安全 第1部分设备分类、要求 [S].

[11] 李晓彤, 岑兆丰.几何光学相差光学设计[M]. 杭州：浙江大学出版社，2003:188-189.

[12] IESNA. The IESNA Lighting Handbook[M]. New York: IESNA, 2000:3-5.

Evaluation on Blue Light Hazard Photobiological Safety of LED Light Sources for Children Applications

Zheng Jian1,2Mou Tongsheng1*He Tao3

1(DepartmentofOpticalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)2(ZhejiangInstituteforthecontrolofMedicalDevice,Hangzhou310009,China)3(KeyLaboratoryofMedicalDeviceSafetyEvaluationinZhejiangProvince,Hangzhou310009,China)

light emitting diode(LED); retinal blue light hazard; photobiological safety evaluation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 04.014

2015-01-30， 录用日期:2016-05-10

TH74

D

0258-8021(2016) 04-0487-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zhj-shmt@163.com