建筑室内环境LED光照蓝光危害的测量与分析*

何 伟 杨春宇 梁树英

0 引言

建筑室内环境与人的健康密切相关[1-2]，包括通风量、自然采光、人工照明、温度和声学等室内气候参数对人的活动起着重要作用[3]，其中光是影响室内环境最重要的因素之一。光是一种电磁辐射，辐射的光谱根据波长不同可以分为紫外线（100～400 nm）、可见光（400～760 nm）和红外光（760～10 000 nm），角膜组织和天然晶状体能保护眼睛避免受到紫外线的损伤，剩余的在400～1 400 nm之间的波长能够辐射到视网膜上[4]，其中对视网膜最有害的部分是400～500 nm的波长，这部分波长被称为蓝光。建筑室内照明环境使用的发光二极管（light emitting diode, LED）光源富含蓝光光谱，灯具发出的蓝光波长以光粒子的形式被人眼视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium, RPE）中的黑色素吸收，进入到眼睛的蓝光辐射达到一定能量时可能会对视网膜造成损伤[5-7]，长时间在不合适的光照环境下工作或学习可能会导致视力功能受损，还可能导致白内障的形成和老年黄斑变性等眼部疾病[8-10]。

蓝光光谱普遍存在于人类生活环境中，在非视觉效应方面具有广泛的有益作用，蓝光辐射只有当强度累积到一定的剂量才会对视网膜产生实质的伤害。建筑环境的光照安全取决于眼睛接收到的光照水平（视网膜辐照度），建筑室内空间LED照明辐射安全受到广泛关注，在评估室内照明环境中的光辐射安全性时，应该考虑LED照明光源在建筑中的实际使用情况，建筑空间的照明环境是否对视网膜具有潜在危害与人们如何使用光源有很大关系。

1 现行蓝光危害评价标准

目前，蓝光辐射的评价方法主要是根据国际电气协会发布的IEC 62471—2006灯和灯系统的光生物安全（Photobiological safety of lamps and lamp systems）[11]，我国现行的GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》是转化自该标准。现行的蓝光危害评价标准是针对灯具光源的，根据不同曝辐限值划分为不同危害等级，表 1 为不同蓝光危害等级的参数阈值。在计算蓝光辐射强度时，现行标准是在照明光源产生500 lx照度的距离或在距离光源200 mm处测量可视光源直射的光谱后计算蓝光加权辐照度或辐射度。

表1 不同蓝光危害等级的参数阈值Tab.1 parameter thresholds of different blue light hazard levels

在评价建筑室内环境蓝光危害时必须始终考虑照明光源在建筑空间中的实际使用情况。室内照明LED灯具通常是安装在天花板上，在正常合理的使用情况下，人眼不会长时间直视照明光源，并且照明灯具到眼睛的垂直距离远远大于200 mm。照明光源的蓝光辐射能量不会完全进入人们的眼睛，眼睛接收到的光是视野中环境的反射光，其辐射水平很大程度上与视线角度和视野中的环境反射有关，因此按照现行光生物安全评价标准对室内照明环境的光谱辐射进行评价夸大了蓝光危害。在室内正常活动时，人们眼睛接收到的辐射强度应根据实际情况准确评估，本实验测量了建筑室内LED照明不同照度下不同视线方向的环境反射光谱和光源直接辐射光谱，通过计算环境辐射光谱强度和光源直接辐射强度，研究建筑室内环境蓝光辐射强度并讨论室内空间LED照明蓝光辐射的安全性。

2 实验方法

在实验室模拟室内L ED照明环境，实验灯具为色温5 000 K的LED灯管（有国家质检合格证书），灯具安装在天花板位置，在室内空间布置有工作桌、白墙和窗户。根据美国“国际WELL建筑研究院”（International WELL Building Institute,IWBI）发布的WELL建筑评价标准，使用仪器在眼睛处垂直向前测量的光可以模拟进入到眼睛的光线。坐立和站立是人们在室内环境活动的两种典型工况，测量实验分别以工作平面上方45 cm和85 cm处（距离地面120 cm和160 cm）垂直向前的光照水平作为人坐立和站立时的眼睛照度，模拟进入到人眼睛的照度和光谱。实验条件设置为7种不同照明强度（300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx），每一次测量工作前采用CL-500A分光辐射照度计对工作桌面照度值进行标定。在测量实验开始时，选取坐立和站立工况下眼睛视线方向常见的桌面、白墙、窗户的环境区域，采用CL-500A分光辐射照度计和分光辐射亮度计CS-2000测量了不同照度条件下的环境（白墙、桌面和窗户）反射进入到眼睛的光谱和光源直接辐射光谱，测量设备如图1所示。采用CL-S10W软件分别记录每个测点的照度值、亮度值、色温、光谱功率分布等参数，采用EXCEL软件进行数据处理和分析。

图1 室内照明环境主要测量设备Fig.1 main measurement equipment for indoor lighting environment

图2是不同光源的光谱功率分布，可以看出相对于其他光源，在相同色温下LED光源的蓝光光谱更多。图3是不同照明强度下眼睛位置的光谱功率分布，随着照度的增大，眼睛位置处的光谱辐射强度增大，光谱功率分布的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波长占比越大。图4是在眼睛位置处环境的反射光谱功率分布，从图4中可以看出，与光源直接辐射光谱相比，不同视线角度眼睛接收到的环境光谱差别很大。

图2 建筑环境不同照明光源的光谱分布曲线Fig.2 spectral distribution curves of different lighting sources in architectural environment

图3 不同照明强度的光谱能量分布Fig.3 spectral energy distribution of different lighting intensity

图4 不同视线角度环境的光谱能量分布Fig.4 spectral energy distribution at different line of sight angles

室内环境中在不直视光源的情况下，光源发出的光不是直接进入到人眼，而是通过眼睛视线方向的物体表面反射进入到人眼，光源直接辐射强度要比实际进入到眼睛的辐射强度大得多。建筑室内空间的反射光谱与物体材料反射比有关，人在建筑空间会接收到环境反射的不同强度的光辐射。

3 实验结果及分析

3.1 蓝光辐射强度计算

根据GB/T 20145—2006第4.3.3条表2评价宽波段的光源对视网膜危害的光谱加权函数，分别计算出光源发射光谱和不同视线方向眼睛接收到光谱的蓝光加权辐照度EB。不同波长光谱对视网膜的蓝光危害作用程度不同，蓝光加权辐照度EB是可见光范围内（380 nm～780 nm）每个带宽波长光谱辐照度Eλ 与蓝光危害加权函数B(λ) 的积分作用的总和，计算方式如下。

式中：

图5 视网膜危害的光谱加权函数B(λ)和R(λ)Fig.5 spectral weighting functions B(λ) and R(λ) for retinal hazards

将建筑空间中照明光源辐射到的蓝光加权辐照度作为基准，通过人眼视野中环境反射进入到人眼的光谱辐射强度会有不同程度的衰减，由于视野中环境材质反射系数不同，视线角度不同人眼接收到的光辐射强度就有差别。图6和图7分别为观察者坐立时和站立时建筑空间照明在不同视线方向上进入到眼睛的相对辐射强度，为了方便对比，将人眼实际接收到的光辐射强度与光源发射光谱的蓝光加权辐照度比值作为讨论参数。

图6 坐立时眼睛处的蓝光辐射强度Fig. 6 blue light radiation intensity of the eyes while sitting

图7 站立时眼睛处的蓝光辐射强度Fig.7 blue light intensity of the eyes while standing

3.2 讨论

从图6和图7中可以看出，无论观察者是坐立或是站立状态，在观察者眼睛位置处的环境反射光谱与光源发射光谱的蓝光辐射强度相比大幅度减小，均不超过光源发射光谱的蓝光加权辐照度的20%，也就是说在建筑空间中活动的人只要不直视光源，其视线方向进入到眼睛的光辐射强度远远低于照明光源本身的蓝光辐射强度，因此，建筑LED照明对人眼睛的潜在危害大大减小。

在正常情况下灯具安装在天花板上，在建筑空间中工作或学习的人不会直视光源，采用针对照明光源蓝光辐射安全的标准来评价室内照明空间蓝光危害，夸大了LED照明蓝光对人眼睛的危害。对于建筑室内空间环境，考虑到照明在实际应用中的情况，视线角度对于评价室内照明环境的光辐射安全是至关重要的。在建筑空间内正常活动时，人眼视野范围内环境的反射光进入到视网膜，其光谱和光辐射强度与光源本身的发光特性有很大差别。笔者的研究结果显示，在垂直方向上进入到眼睛的蓝光辐射强度不会超过光源辐射强度的20%，在人们不会长时间直视光源的情况下，室内照明环境眼睛实际接收到的辐射强度远小于光源本身的辐射强度。建筑室内空间照明环境中的蓝光光谱辐射对人并非只有危害，蓝光光谱在非视觉效应方面对人体生理健康有重要作用，比如抑制褪黑素分泌[12-13]，提高警觉性和注意力[14-15]、改善情绪[16]等（图8）。根据建筑空间照明与人的实际应用情况，准确评价建筑空间照明环境的光辐射安全对于光环境应用非常重要，夸大LED光源对人的潜在危害可能会导致LED被限制使用，导致LED光源在控制和科学技术应用方面的优势被损害，对于营造舒适、健康的建筑光照环境不利。

根据相关规范和标准，民用建筑室内人工照明常用的照度标准值为300 lx～500 lx，建筑室内人工照明不会使用特别高的照度和色温值，但近来有研究表明室内照明采用高照度可以改善人们在室内空间的活动。通过实验测量了晴天室内采光窗边天然光和5 000 K LED光源的光谱能量分布，当照度为3 000 lx时，5 000 K LED光源的蓝光辐射强度为室内天然采光蓝光辐射强度的65.9%，其蓝光危害程度比室内建筑采光小（图9）。建筑室内空间的照明很少能达到3 000 lx，在不直视光源的情况下，建筑室内5 000 K LED照明的蓝光辐射强度在安全限值内，色温低于5 000 K LED照明在室内正常情况下不会超出蓝光曝辐限值，不存在蓝光危害。对于长时间处于高照度或高亮度的建筑空间，或者眼睛在高照度直接照射的情况下，仍可能存在对视网膜潜在危害的风险。

图8 光谱视觉和非视觉作用相对灵敏度曲线Fig.8 relative sensitivity curves of spectral visual and non-visual effects

图9 5 000 K LED光源与晴天天然光光谱能量分布Fig.9 5 000 K LED light source and natural light spectrum energy distribution in sunny days

4 结论

建筑室内空间的光照环境与人的健康、舒适紧密相关，建筑空间使用LED光源进行照明已经非常普遍[17]。富含蓝光光谱的白光LED照明在非视觉效应方面具有广泛的有益作用，同时基于计算机技术、通信技术、智能技术的LED照明可以根据人需照明进行智能控制，打造符合节律的健康光照环境。在评价建筑空间LED照明的光辐射安全时，应该根据实际的应用情况和人在空间的活动特性进行准确评价，考虑人们在室内空间的视线角度和环境反射光谱。本研究测量了不同照度条件下人视野中的环境反射光谱和光源直接辐射光谱，将其进行对比分析，结果表明在实际应用中，建筑空间LED照明的环境反射光谱比光源直接辐射要小得多，室内空间人眼睛实际接收到的蓝光辐射强度远远低于光源直接辐射的强度，不足以造成对视网膜的损伤。对于主要发出蓝光的光源，长时间在高强度照明的直接照射下仍可能存在对视网膜的潜在危害。