2018年3月光源与照明2018年第1期
蓝光危害及其测量方法
郭玮宏中国科学院上海技术物理研究所（上海200083)
中国科学院大学（北京100049)
袁士东丁昆张涛中国科学院上海技术物理研究所（上海200083)
摘要：随着白光LED光源的广泛应用，蓝光危害问题也愈加受到人们关注。蓝光危害的内涵，既包括波长在400~ 500 mn的 光辐射对人体视网膜的潜在伤害，也包括蓝光所引起的非视觉生物效应。在光生物安全的相关标准中，对蓝光危害的计算方法、测 量方案和等级评价划分标准做出了指导性规定。但经过分析可知，受制于测量条件，这些规定并不适用于真实光环境中某一位置蓝 光危害的测量。因此，文章提出了基于实际光环境的蓝光危害测量方法，并对与蓝光危害问题相关的研究方向进行了总结。
关键词：蓝光危害；测量方法；光生物安全；实际光环境；LED
〇引言
随着人们生活水平的提高，照明光源的生物安全 性问题越来越受到光源生产商和消费者的重视。目前， 市场上主流白光LED光源，采用蓝色LED芯片激发 黄色荧光粉，使两种色光混合而产生白光。由于其光 谱中蓝光成分较多，由此带来的“蓝光危害”问题更 是引起了学界和商界的广泛讨论。
有研究表明，蓝光的确存在使视网膜受到损伤的 潜在可能，但只有对实际使用中的光源进行量化测量， 才能得出危害等级结论，并采取相应的防护措施。因 此，文章旨在简要介绍蓝光危害的产生机理及测量、 计算和评价方法，针对现有方法不适用于现场测量的 劣势，提出基于实际光环境的蓝光危害检测方法，同 时对蓝光危害研究中依然存在的相关问题进行梳理， 以便今后深入研究。
辐射后，引起的光化学作用导致视网膜损伤的潜能' 应当说明，蓝光危害指的是蓝光具有造成视网膜损伤 的可能性，并不意味着存在蓝光就必然对视网膜造成 伤害。实际上，是否造成损伤、造成损伤的严重程度， 是与视网膜接收到的蓝光剂量（即蓝光强度以及作用 时间的乘积）有关，而这也是蓝光危害检测和计算中 的重要参数。
广义的“蓝光危害”问题还应包括蓝光的非视觉 生物效应。蓝光的非视觉生物效应，是指人眼视网膜 第三类感光细胞（ipRGC)接收光辐射，并将信号传递 给大脑的生物钟调节器_视交叉上核（SCN)，从而帮 助人类调节生理节律和其他生物效应 '蓝光的中心
波长在450 nm左右，与人体昼夜节律响应波长接近， 因此有较强的抑制人体分泌褪黑色素的能力。褪黑色 素的减少会使人兴奋，难以入眠，长此下去会影响人 体免疫机制'
高色温LED白光光谱曲线与昼夜节律灵敏度曲线 如图1所示'由图可见，人的明视觉灵敏度曲线主 要在光谱的绿色和黄色部分，用细实线描绘；与人 体昼夜节律相关的人体褪黑色素抑制剂的分泌随光 谱的影响用虚线表示；一个典型的色温为5 500 K白 光LED光谱用粗线描绘，该光源发出光的最大光谱 能量在460 nm区域，发出蓝光，正好与昼夜节律曲 线波形相吻合。
蓝光危害之所以受到广泛重视，是因为目前被普 遍应用的白光LED是采用蓝色LED芯片激发黄色荧 光粉混合产生的。因此，这种白光LED中蓝光成分非 常丰富。随着LED的广泛普及，蓝光危害问题也越来 越受到人们重视。
1蓝光危害的概念
“蓝光危害”问题，属于光生物安全相关问题的一 种。
光生物安全是指波长在200 ~ 3 000 nm范围内的 光辐射对没有防护的人眼和皮肤在过度曝辐时可能 会引起非可逆性病变的描述m。光辐射对人体的危 害，主要包括对人体皮肤危害、对人体眼睛前表面 (角膜、结膜和晶状体）危害以及对人体视网膜危害 三种。光辐射对人体的生物反应是由多种能量传递 过程产生的，一般可大致分为光化学作用和热作用。 其中，紫外和蓝光等波长较短的光辐射主要对人体 产生了光化学作用，而红外辐射波长较长，主要起 到热辐射作用m。
蓝光危害是指人眼受到波长介于400 ~ 500 nm的
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此外，为了便于蓝光危害信息传递计算，引入一 个光辐射蓝光危害效能Xb，v的概念[1°]。它的定义是蓝 光危害量与相应光度量的比值，其公式为
_ J(|uU)，gU).dA
BfV ~ Km^x{X)-vm-dX
⑵
式中，6认）为光源辐射的光谱功率分布函数， V a)为光谱视觉功率函数，反n为辐射的光谱光视效 能最大值，明视觉条件下反n=683 1m/W[11]。
通过简单的推导可知LB=KB，V*LV，利用此公式可 以简化L的计算。3蓝光危害的测量
蓝光危害的测量，主要是对光源辐亮度和光谱进
2蓝光危害的计算
对蓝光危害进行分析和表征的相关物理量，主要
包括蓝光加权辐亮度“、蓝光危害效能&，¥等[78]。
辐亮度夂，单位W^m^sr1，是一个描述辐射强 度的量，表示单位投影面积、单位立体角内的辐射通 量。辐亮度按照每单位波长进行划分，即可得到光谱 辐亮度光源不同波长的光谱辐亮度与蓝光危害 加权函数相乘，然后对波长积分，可得蓝光加权辐亮 度/^单位…^^匕蓝光加权辐亮度公式間为
Lb=ZLa. B (X) -AX
(1)
行测量。其中，光谱测量比较简单，可采用光谱仪进 行测量。对于辅觉度，一^般采用有效辅射觉度成像法进行测试[12]。
式中，蓝光危害加权函数B认）如图2所示。
图3 辐亮度测量标准方法示意图[12]
如图3所示，有效辐亮度成像法的测试即测试有 效视场角心f内的平均亮度，由光阑孔径D限值接收的
600
700
光能，由光圈F视场角，最后被积分球接收。这 样的测试系统可以满足以下要求：
(1) 将光源成像到探测器上；(2) (3)
具有一个圆形视场光阑，形成平均视场为心f 具有一个圆形入射光瞳（孔径光阑），同辐照
波长/nm
图2 蓝光危害加权函数B 00示意图
蓝光加权辐亮度L的大小，与光源的蓝光危害等 级划分有关，见表1。
表1
蓝光危害等级及对应的蓝光加权辐亮度
蓝光加权辐亮度/ (W • m2 • sr_1)
<100
100-10 00010 000 - 4 000 000>4 000 000
危害等级豁免级低危害
中度危害高危害
的角度范围；
度测量中一样是一个平均光阑。
对于小的角度，成像系统中探测器直径与焦距之 间的关系为
d=a • H
(3)
由此得到蓝光危害的测量系统示意图，如图4所 示，分别测量辐亮度夂和光谱，计算得到光谱辐亮度
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再计算得到蓝光加权辐亮度最后根据“与某 危害等级的蓝光危害曝辐限值进行比较，确定光源或 光源系统的蓝光危害等级。
图4 蓝光危害测量基本流程
在蓝光危害的标准测量方法中，对测量视场、测 量距离、测量角度和孔径光阑大小做出了相应规定如 下：
(1)视场角：1.7mrad、llmrad、lOOmrad;
⑵测量距离：距离灯具200 mm处或产生500 lx 照度处；
(3)测量角度：最大辐亮度方向；⑷孔径光阑：7 mm。4基于实际光环境的蓝光危害测量方法
由前述可知，在蓝光危害的实验室测量方法和测 量过程中，有着种种条件，这是为光源和光源系 统的测量提供统一标准，因此这种也是有实际意 义的。不过，这种测量方法主要应用于实验室和检测 机构中，对光源的蓝光危害进行测量虽能够满足科学 研究的需要，却难以扩展到生活场景中，因此，该蓝 光危害测量标准方法具有局限性。这种局限性在于：
(1) 在实际使用中，很多场景并不是用户处于照 度500 lx的光源下或在距离灯具200 mm的地方，因
此其测量值对于空间任意位置不具有直接参考意义；
(2)
对于由多个光源组合的灯具，在测量距离增 加时，进入视场的光通量也会增加，因此对于距光
源任意距离的辐亮度，不能简单用平方反比定律来 推算[13];
(3)
由最大辐亮度值计算得来的蓝光危害等级，以推导出一个安全使用的临界距离，这种方法意味着 以灯具为中心的某距离内，将全部被视为存在某等级
蓝光危害的可能区域，但是对于非均匀发光的灯具， 显然会在非最大辐亮度方向上产生过大的估计[14];
(4)
在实际使用中，待测光源的使用场景可能会 存在背景光源，因此其光谱应为待测光源和背景光源 的混合光谱，而不仅仅是待测光源光谱，背景光源的 存在对蓝光危害加权辐亮度的计算结果有影响。
总而言之，蓝光危害的标准检测方法，是以“光 源或灯具”为核心。对某一光源本身的蓝光危害特性 进行测量和评价，进而用于指导人们在不同的条件下 进行使用。而为了克服上述蓝光危害标准检测方法的 局限性，笔者所在研究团队提出一种基于实际光环境 的蓝光危害测量方法。这种方法是以“光”为核心， 不再针对某一灯具进行测量和评价，而是以光环境 整体进行测量和评价。通过对蓝光加权辐亮度的空 间分布特性和光谱特性进行研究，建立基于真实光 环境的蓝光危害检测方法，结合对蓝光危害的专业 检测仪器，实现能够对任意位置的蓝光危害情况进 行评价的目的。5蓝光危害研究方向总结
在蓝光危害的研究中，光度学上的理论研究、测 量方法和安全标准都已发展得相对成熟，但仍有可以 补足之处，尤其是针对led的应用上。同时，非视觉 生物效应的发现，改变了传统照明质量的评价方法， 形成由单一的视觉效果到视觉效果与生物效应结合的 双重评价。这不仅需要观念上的改变，更需要进一步 实验研究来确定评价指标并指导照明设计标准的修订。 除了前述的基于实际光环境的蓝光危害测量方法，在 蓝光危害的相关问题中，还有一些有待于深入探讨的 研究方向。
(1)
现有标准中一些安全范围仅仅针对最普通的
人群，针对儿童、老人以及一些特殊场合（如需要高 亮度作业的工厂或医院等场合）的光生物安全标准并 没有指导性的文件。特别是蓝光危害对儿童的影响极
大，有必要针对此种情况进行安全标准的制定。
(2) 光化学危害取决于剂量，从光度学计算的角 度上说，低强度的长期照射与高强度的短期照射造成 的伤害是一样的，但从对人体的生理影响上，低剂量 长时间辐照和高剂量短时间辐照效果是否相同还需要 做进一步的研究。
(3)
目前，光度学系统可以较好地评价绝大部分
照明的视觉功能。然而，与光生物效应相关的参数评
价，如对人体健康、情绪、舒适度和警觉性的评价， 在目前光度学评价体系中几乎空白。如何定量地去进 行研究，是一个值得努力的方向。例如，接收蓝光照 射的多少与褪黑激素抑制剂的分泌有关，褪黑激素与
人的生理节律有关，但直接定量研究接受多少蓝光照 射会导致生理节律发生怎样的改变，这样的研究几乎 没有。
(下转第21页）
可 2018年3月光源与照明2018年第1期
(2) 采取了热排气技术，在封屏后光源温度还在 经过反复验证，最终确定了各参数，使光源满足光强
和有效散射角等技术指标的要求。同时，为减缓高温 下钨丝材料的蒸发，有效地保证特种光源的寿命时间 和光强指标，文章进行了封屏工艺技术和排气工艺技
200弋以上时就进行排气，因为此时光源经过封屏退 火长时间的高温加热后，附着在玻璃表面的水蒸气等 杂质气体少，更利于排除光源内部残留的水蒸气等杂 质气体，以确保充气前光源内的真空度要求。
(3)
术攻关，采用了高纯度的氩氮混合气体作为特种光源
采用充气清洗技术，在正式充人气体前先充 的工作保护气体。最后，考虑到特种光源应用的环境
极为恶劣，采用透明屏封闭式结构，选取膨胀系数小 的钨组玻璃DW-211作为玻壳材料，这种玻璃的软化 温度在600冗以上，工作温度在300 T以上，热稳定 性大于230弋，能实现与金属引出线的封接，满足了 光源高可靠性要求。
入髙纯气体，然后将气体排出，这样重复几次，可以 大大降低光源内残留气体中杂质气体的含量。即为了 消除光源内部因高温引起的氧化，在充入工作气体前 先通过氢气纯化装置，直接充入一定量的氢气，再让 灯丝在纯氢气条件下工作一段时间，用氢气还原氧化 的灯丝部件，然后再排出氢气。
(4)
参考文献
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纯化装置' 将水和氧的含量降到1 ppm以下，对充 人的工作气体进行纯化以进一步提髙纯度。充人气体 的压力大小也是很重要的一方面，通过工艺摸索，充
气压力在0.065 MPa左右较好。3结论
运用专用设计软件对玻壳进行设计，用灯丝设计 软件对灯丝参麵行设计，并对灯芯结构进行了设计，
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(上接第7页）
(4)现有的蓝光危害研究主要集中在光源和光源 系统方面，而从实际角度出发，研究目前在手机和平
板电脑等移动终端非常普及的情况下，其应用LED背 光显示屏对青少年眼睛的影响，尤其是其中蓝光的影 响，似乎是一个比较有趣的研究方向。
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