Saturday, June 24, 2017

LED的蓝光会损伤眼睛吗?

LED是继白炽灯、日光灯以及节能灯之后的一种新型光源,具有很高的发光效率,但很多人对它的发光原理与光谱特性不了解,不知道LED发出的光会不会对眼睛造成损伤,特别是网上所宣传的LED蓝光危害。

蓝光的特殊性

蓝光在哪里呢?

看上面的这张“彩虹”图吧。从左到右,依次是紫外线,可见光和红外线。其中可见光的波长范围是在400纳米到700纳米之间,而从400纳米开始到500纳米的波长范围就是蓝色,所以这个波段被称为蓝光。

光的基本单元叫做光子,光子的波长与频率成反比,蓝光的波长短,所以频率高。而根据爱因斯坦与普朗克的光量子能量计算公式,我们可以知道光子的能量等于普朗克常数与光子的频率的乘积,所以蓝光的光子能量也比红光与绿光要高一些,这使得我们可以用蓝光来“激发”出其他颜色的光,比如黄光就可以被蓝光“激发”出来。

OK,我们现在叉开话题来说一下天为什么是蓝的。很简单,上图中我们知道蓝光的波长是所有可见光中最短的。而根据瑞利散射,蓝光的散射强度是自身波长4次方的反比,所以在可见光中,蓝光的散射是最强的。因此天空中散射的蓝光远超其它可见光,所以我们看到的天,就是蓝色的了。

言归正传!既然蓝光本来就是自然界中的一种光,那它还有毛的害处?

仔细看看所有宣传蓝光危害的资料,他们全部将矛头指向了一种高科技:LED。对,你没看错,就是平时我们用的液晶显示器、台灯、汽车大灯、甚至手电筒里面用的LED。

LED里面有蓝光吗?

来看一张LED的结构示意图。

我们使用最多的,就是这种白色的LED。那么,家用的那种白光LED又是怎么产生白光的呢?

上文中已经说过,蓝光光子的能量高,所以用它可以激发荧光。一般用蓝光LED产生的蓝光打在荧光粉上产生黄光(与日光灯的原理类似,日光灯的光芒是紫外线打在日光灯管内壁上的荧光粉上发出来的)。黄光被蓝光激发出来以后,它们一起从LED里射出来,我们会感觉好像是看到了白光,其实这只是蓝与黄两种颜色混合在一起的复合光而已。具体到调色上,如果你想LED更白一些,那就多提高蓝光的量。如果你想LED暖一些,那就调低蓝光的量。

正因为这个原理,所以很多厂家为了提高白光LED的亮度,直接提高蓝光的强度,这样黄光也会相应增加,最后形成的白光的亮度也就增加了,但这将造成我们将在后文中要阐释的“蓝光过量”问题。

蓝光LED技术是在1998年才被开发出来,这个技术还得了2014年的诺贝尔物理奖。这看上去高大上的蓝光LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成的。GaN芯片发蓝光,波长等于465nm,波长带宽大约是30nm。

对LED灯光谱的实际测量

下图是不同型号的白光LED的光谱实测曲线,我们可以看到400nm到500nm之间的“蓝光”有一个很强的峰。

这说明看上去发白光的LED,但实际上它的光谱里确实含有很强的蓝光成分。

蓝光对视网膜的影响

那么,既然蓝光是白光LED的“母亲”,那么眼睛对蓝光的感受又是什么样的呢?

人的眼睛中用来接收光的组织叫做视网膜,如果光源中的400-500 nm蓝光波段亮度过高,眼睛长时间直视光源后可能引起视网膜的光化学损伤。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所产生的损伤,以及蓝光与视网膜色素上皮细胞中的脂褐素反应所引发的损伤。这些光化学反应都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。

我们也可以换个角度来考虑蓝光的危害性。人的眼睛为什么不能接受蓝光LED发出的“过量蓝光”呢?因为人类是在太阳系里进化出来的,根据黑体辐射的维恩位移定律,我们可以通过太阳表面的温度,计算出太阳光的中心波长在550纳米左右,而蓝光LED中心波长是465nm,偏离了太阳光的中心波长,所以从进化论角度来说,我们人类的眼睛不能接受“过量”蓝光。

我们再继续往下看,既然说蓝光有害,而且LED是目前蓝光的一大光源。那我们日常生活中,接触最多的LED设备又是什么呢?

相信不用说大家也都明白了,我们日常生活中接触到最多的蓝光,就是来自各种液晶屏幕。从手机,到电脑,到平板再到电视机,曾经被宣传为健康代名词的液晶显示器,怎么到今天又变成了一种危害呢?

说这看了半天,你丫也没说蓝光有啥危害啊!确实,我到现在确实不知道蓝光有啥危害。找遍了网上很多的相关报道,他们的报道大部分都引用了下面这一段:

“据英国《每日邮报》报道,西班牙马德里康普顿斯大学的西利亚·卡桑斯·雷蒙斯博士的研究表明,由于LED灯所发出的光为短波高能量光源,在可见光光谱上为蓝、紫光,长时间暴露在这种光线之中有可能对人们的视网膜造成损害。”

这能说明啥问题啊?这不跟没说一样吗?算,我们还是自力更生吧,咱们自己搜资料找论文,去看看这个被他们说的跟激光炮一样的蓝光,到底是怎么干瞎我们的眼睛的。

蓝光损伤视网膜的原理

首先来看看人眼的构造,我们这里要注意的是视网膜。

OK,这是一截视网膜结构的示意图。注意两个名词:杆细胞、锥细胞。这是视网膜上最重要的两种细胞,没有它们的话,我们可就真瞎了。

这就电子显微镜下的视网膜图像,是不是很刺激?当然这里不容易分辨出来视杆细胞和视锥细胞,我们还是将它们俩分别拎出来单独说道说道吧。

这是两种细胞不同的分工。那蓝光主要影响谁呢?那些杂志和门户网站上探讨蓝光危害的文章里可没说。但是,好在已经有相当一部分科学家开始这项研究了,初步的研究成果,就是蓝光会影响到视杆细胞的正常工作。

OK,我们再接着往下看,看一个正常的视杆细胞是怎样工作的。

在开始分解视杆细胞的工作流程之前,我们先看一张图。这是视杆细胞的示意图,上面红色的棒状物体,叫做膜盘,而它上面存满的红色东西,叫做视紫红质。记住这个名字,这会是我们这篇文章中最重要的一个名词。

现在我们假如视网膜正在工作,上面的一张图就是视网膜。在视网膜的中央几乎全部都是负责在光线亮度良好情况下工作的视锥细胞,而两侧越往外则负责光线较差的暗视觉下工作的视杆细胞,眼睛根据外界的亮度,来调配两种细胞的工作状态。

下面,我们开始进入视杆细胞的办公室,来看看它是怎么工作的。

这个循环大家仔细看看,应该能理解吧?我们在黑暗环境下能看到物体,就是靠视杆细胞不断的生成视紫红质,然后视紫红质不断的与光子产生光化反应,从而我们才能在黑暗的环境中看见事物。

这里有两个重点,第一个重点是视紫红质对光线非常的敏感,甚至一个光量子就能够引起它的光化反应。这个反应是在瞬间发生的,视紫红质也会在一瞬间就分解掉了。这个时候视杆细胞要想再生成视紫红质,就得依靠血液中的维生素A,并将维生素A利用一种特异的酶来转化为11-顺型视黄醇,然后再合成视紫红质。所以,第二个重点就是缺乏维生素A的人,基本上都是夜盲症患者。

那么,如果在这个过程中,蓝光出现了呢?

实际生活中,不管我们是躺在被窝里玩手机,还是端坐在办公桌前用电脑办公,LED光源的蓝光会持续不断的轰击我们的视杆细胞。于是科学家们就发现了一个现象,在视紫红质分解之后,它分解后产生的物质会吸收330-420纳米波段的紫光和蓝光。但是400纳米以下的紫外光线,人眼是看不到的。所以,这也就是为什么说蓝光会导致视网膜损伤的原因所在。

这其中,进入眼睛的蓝光会通过一个光致逆转的作用,将原本已经分解的视紫红质直接还原成正常功能的视紫红质, 而不再遵循正常的视紫红质合成过程。由此,视杆细胞的活力被大大提升,人眼捕获光子的能力也大大提升。

但是,这个提升有好处吗?在进一步的试验中,我们又发现了一种新的现象:细胞凋亡。随着人眼对光子捕获能力的增强,当人眼感受到的光照度达到380kj/平方米时,感光细胞的凋亡程序被启动,视网膜损伤造成。

所以,蓝光对于视网膜的损伤,可以简单的用这个流程来概括:过量蓝光进入视网膜,引发视网膜感光能力大幅提升,当视网膜捕获的光子达到一定的量之后,视网膜细胞开始死亡,从而造成视网膜损伤。

除了视网膜,蓝光还会害了谁?

当然,上面我们只是简单的说了一下蓝光在进入人眼之后的影响。那么,除了视网膜之外,蓝光还会害了谁呢?目前看到的资料,除了视网膜损伤之外,蓝光还会对另外一种人体物质有着一定的影响,这就是褪黑素。

什么是褪黑素?褪黑素是人脑松果体产生的一种激素,目前已知的作用是促进睡眠、调节时差等功能,说白了就是人体的生物钟。

那为什么蓝光也会影响它呢?这里说一下视网膜的功能,除了感受光线之后,视网膜也能感受昼夜的变化等,并通知生物钟。目前知道的生物钟的感光色素有视蛋白、隐色素和黑色素。其中隐色素属于蓝光感受器裂解酶家族,有学者在试验中将白鼠剔除任何一种隐色素之后,白鼠的生物钟均不正常。

现在有实验证明,在360纳米到660纳米波段的光线中,处于500纳米波段的蓝绿光线对于松果体分泌褪黑素的影响最大,同时它也是人类最强大的生物时钟同步器,在光线不足的条件下,人的生物钟不能同步,造成生理和神经系统紊乱,例如:过分警觉、睡眠障碍、情绪变化、记忆力减退、体温波动。而临近波段的蓝紫光,则会干扰人眼对蓝绿光的吸收。由于这两种波段的光线是同时发出的,因此,这也能解释为什么在睡前玩手机或者平板电脑,会造成睡眠质量不高甚至难以入睡的原因。

所以现在我们也看到有较高端的住房设计,已经开始综合考虑住宅室内的光环境设计。而有的眼镜镜片,甚至已经做到了可以过滤蓝紫光线而透过蓝绿光线,当然这样的产品依然是少数。

蓝光这么NB,难道就没人管管吗?

说到底,蓝光还是有危害的。那,为什么我们在台灯、显示器、电视或者平板电脑手机上,都看不到蓝光危害的标识呢?我想这和蓝光危害才刚刚被发现,有着一定的关系吧。

在2012年,国际电工委员会才将LED灯具的蓝光危害纳入了它的安全要求,从而让蓝光危害成为了灯具必须考量的参数之一。

在国际电工委员会(IEC)的标准中,是这样对光生物安全的规格划分等级的。

可以看到,这仅仅是针对灯具的。而针对诸如液晶显示器、液晶电视等LED产品,并没有相适应的规定。而我们看到的情况,却是各路液晶面板厂商提升液晶亮度方面,不遗余力。

而在蓝光强度以及由此带来危害的测量方法上,各种论文各种资料层出不穷。但是这也说明了一个问题,那就是目前还没有一个通用的标准,基本就是各村用各村的高招。

其实我们想知道的很简单,比如上面图片中的亮度,会有损伤我们的视网膜吗?不知道!因为没有标准,也没有可以参照的规格。就像很多LED行业内的人士在谈到蓝光危害时,一般都会表示蓝光有危害的说法是正确的,但不是说LED对人眼就一定有损害,只不过是说它的可能性比较大。

百度了一圈,发现很多LED厂商已经对自己的产品做了说明,但是说法却有点千篇一律的意思,无非是白光LED光源的蓝光含量不高于相同色温下荧光灯和金属卤化物灯等传统光源及日光;白光LED光源在人眼视网膜上的蓝光辐照量与荧光灯和金属卤化物灯等传统光源类似,属于0类和1类的安全照明产品等等。

而且,看有报道说,在今年某新光源&新能源照明论坛上,与会专家达成共识:蓝光是白光的基本成分,与日光和传统光源一样,白光LED也含有蓝光。适量的蓝光不仅为保证光源的显色性能所必需,还能对人的生理节律有调节作用。

一面是医学上在揭示着蓝光的作用,一方面是各路专家拍胸脯表示LED无害。与之对应的,则是各种标准的执行不力甚至标准缺失。

那,蓝光危害,你信吗?蓝光无害,你信吗?

生活中LED蓝光过量的检测标准

一般来说,正规厂家经过国家质检上市的产品,不会存在蓝光过量的隐患。 但有一些LED灯的生产商并不注意控制蓝光的强度,他们所生产的LED灯具中蓝光是“过量”的,对眼睛存在蓝光辐射损害。

生活中,可以发出蓝光的光源有很多——浴霸、平板显示器、LED霓虹灯、荧光灯、液晶显示器、ipad、大屏手机等都有背景光源,它们都含有短波蓝光。如果蓝光是“过量”的,都会影响视网膜,所以应避免用眼睛直视光源,并且要注意使用时间,每隔20-30分钟闭目休息一会儿。

如果你担心购买的LED灯或者其他电器存在“蓝光过量”的问题,可以根据《中华人民共和国国家标准GB/T 20145-2006 / CIE S 009/ E:2002 (灯和灯系统的光生物安全性)》来判断LED灯的蓝光是不是过量——该标准给出了蓝光在特定的空间角度下的光通量的上限。

链接:
http://m.cnbeta.com/view_421143.htm
http://www.pcpop.com/doc/0/975/975327.shtml

One comment

  1. 感觉好高级的样子,但是这些应该都没有长时间看电脑而的疲劳对眼睛的伤害对比吧!

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