Thursday, September 19, 2019

LED的藍光會損傷眼睛嗎?

LED是繼白熾燈、日光燈以及節能燈之後的一種新型光源,具有很高的發光效率,但很多人對它的發光原理與光譜特性不了解,不知道LED發出的光會不會對眼睛造成損傷,特別是網上所宣傳的LED藍光危害。

藍光的特殊性

藍光在哪裡呢?

看上面的這張“彩虹”圖吧。從左到右,依次是紫外線,可見光和紅外線。其中可見光的波長範圍是在400納米到700納米之間,而從400納米開始到500納米的波長範圍就是藍色,所以這個波段被稱為藍光。

光的基本單元叫做光子,光子的波長與頻率成反比,藍光的波長短,所以頻率高。而根據愛因斯坦與普朗克的光量子能量計算公式,我們可以知道光子的能量等於普朗克常數與光子的頻率的乘積,所以藍光的光子能量也比紅光與綠光要高一些,這使得我們可以用藍光來“激發”出其他顏色的光,比如黃光就可以被藍光“激發”出來。

OK,我們現在叉開話題來說一下天為什麼是藍的。很簡單,上圖中我們知道藍光的波長是所有可見光中最短的。而根據瑞利散射,藍光的散射強度是自身波長4次方的反比,所以在可見光中,藍光的散射是最強的。因此天空中散射的藍光遠超其它可見光,所以我們看到的天,就是藍色的了。

言歸正傳!既然藍光本來就是自然界中的一種光,那它還有毛的害處?

仔細看看所有宣傳藍光危害的資料,他們全部將矛頭指向了一種高科技:LED。對,你沒看錯,就是平時我們用的液晶顯示器、檯燈、汽車大燈、甚至手電筒裡面用的LED。

LED裡面有藍光嗎?

來看一張LED的結構示意圖。

我們使用最多的,就是這種白色的LED。那麼,家用的那種白光LED又是怎麼產生白光的呢?

上文中已經說過,藍光光子的能量高,所以用它可以激發熒光。一般用藍光LED產生的藍光打在熒光粉上產生黃光(與日光燈的原理類似,日光燈的光芒是紫外線打在日光燈管內壁上的熒光粉上發出來的)。黃光被藍光激發出來以後,它們一起從LED里射出來,我們會感覺好像是看到了白光,其實這只是藍與黃兩種顏色混合在一起的複合光而已。具體到調色上,如果你想LED更白一些,那就多提高藍光的量。如果你想LED暖一些,那就調低藍光的量。

正因為這個原理,所以很多廠家為了提高白光LED的亮度,直接提高藍光的強度,這樣黃光也會相應增加,最後形成的白光的亮度也就增加了,但這將造成我們將在後文中要闡釋的“藍光過量”問題。

藍光LED技術是在1998年才被開發出來,這個技術還得了2014年的諾貝爾物理獎。這看上去高大上的藍光LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成的。GaN芯片發藍光,波長等於465nm,波長帶寬大約是30nm。

對LED燈光譜的實際測量

下圖是不同型號的白光LED的光譜實測曲線,我們可以看到400nm到500nm之間的“藍光”有一個很強的峰。

這說明看上去發白光的LED,但實際上它的光譜里確實含有很強的藍光成分。

藍光對視網膜的影響

那麼,既然藍光是白光LED的“母親”,那麼眼睛對藍光的感受又是什麼樣的呢?

人的眼睛中用來接收光的組織叫做視網膜,如果光源中的400-500 nm藍光波段亮度過高,眼睛長時間直視光源後可能引起視網膜的光化學損傷。這種損傷主要分為兩類:藍光直接與視覺感光細胞中的視覺色素反應所產生的損傷,以及藍光與視網膜色素上皮細胞中的脂褐素反應所引發的損傷。這些光化學反應都會產生大量具有細胞毒性的自由基,破壞視網膜細胞正常生長與工作。

我們也可以換個角度來考慮藍光的危害性。人的眼睛為什麼不能接受藍光LED發出的“過量藍光”呢?因為人類是在太陽系裡進化出來的,根據黑體輻射的維恩位移定律,我們可以通過太陽表面的溫度,計算出太陽光的中心波長在550納米左右,而藍光LED中心波長是465nm,偏離了太陽光的中心波長,所以從進化論角度來說,我們人類的眼睛不能接受“過量”藍光。

我們再繼續往下看,既然說藍光有害,而且LED是目前藍光的一大光源。那我們日常生活中,接觸最多的LED設備又是什麼呢?

相信不用說大家也都明白了,我們日常生活中接觸到最多的藍光,就是來自各種液晶屏幕。從手機,到電腦,到平板再到電視機,曾經被宣傳為健康代名詞的液晶顯示器,怎麼到今天又變成了一種危害呢?

說這看了半天,你丫也沒說藍光有啥危害啊!確實,我到現在確實不知道藍光有啥危害。找遍了網上很多的相關報道,他們的報道大部分都引用了下面這一段:

“據英國《每日郵報》報道,西班牙馬德里康普頓斯大學的西利亞·卡桑斯·雷蒙斯博士的研究表明,由於LED燈所發出的光為短波高能量光源,在可見光光譜上為藍、紫光,長時間暴露在這種光線之中有可能對人們的視網膜造成損害。”

這能說明啥問題啊?這不跟沒說一樣嗎?算,我們還是自力更生吧,咱們自己搜資料找論文,去看看這個被他們說的跟激光炮一樣的藍光,到底是怎麼干瞎我們的眼睛的。

藍光損傷視網膜的原理

首先來看看人眼的構造,我們這裡要注意的是視網膜。

OK,這是一截視網膜結構的示意圖。注意兩個名詞:桿細胞、錐細胞。這是視網膜上最重要的兩種細胞,沒有它們的話,我們可就真瞎了。

這就電子顯微鏡下的視網膜圖像,是不是很刺激?當然這裡不容易分辨出來視桿細胞和視錐細胞,我們還是將它們倆分別拎出來單獨說道說道吧。

這是兩種細胞不同的分工。那藍光主要影響誰呢?那些雜誌和門戶網站上探討藍光危害的文章里可沒說。但是,好在已經有相當一部分科學家開始這項研究了,初步的研究成果,就是藍光會影響到視桿細胞的正常工作。

OK,我們再接着往下看,看一個正常的視桿細胞是怎樣工作的。

在開始分解視桿細胞的工作流程之前,我們先看一張圖。這是視桿細胞的示意圖,上面紅色的棒狀物體,叫做膜盤,而它上面存滿的紅色東西,叫做視紫紅質。記住這個名字,這會是我們這篇文章中最重要的一個名詞。

現在我們假如視網膜正在工作,上面的一張圖就是視網膜。在視網膜的中央幾乎全部都是負責在光線亮度良好情況下工作的視錐細胞,而兩側越往外則負責光線較差的暗視覺下工作的視桿細胞,眼睛根據外界的亮度,來調配兩種細胞的工作狀態。

下面,我們開始進入視桿細胞的辦公室,來看看它是怎麼工作的。

這個循環大家仔細看看,應該能理解吧?我們在黑暗環境下能看到物體,就是靠視桿細胞不斷的生成視紫紅質,然後視紫紅質不斷的與光子產生光化反應,從而我們才能在黑暗的環境中看見事物。

這裡有兩個重點,第一個重點是視紫紅質對光線非常的敏感,甚至一個光量子就能夠引起它的光化反應。這個反應是在瞬間發生的,視紫紅質也會在一瞬間就分解掉了。這個時候視桿細胞要想再生成視紫紅質,就得依靠血液中的維生素A,並將維生素A利用一種特異的酶來轉化為11-順型視黃醇,然後再合成視紫紅質。所以,第二個重點就是缺乏維生素A的人,基本上都是夜盲症患者。

那麼,如果在這個過程中,藍光出現了呢?

實際生活中,不管我們是躺在被窩裡玩手機,還是端坐在辦公桌前用電腦辦公,LED光源的藍光會持續不斷的轟擊我們的視桿細胞。於是科學家們就發現了一個現象,在視紫紅質分解之後,它分解後產生的物質會吸收330-420納米波段的紫光和藍光。但是400納米以下的紫外光線,人眼是看不到的。所以,這也就是為什麼說藍光會導致視網膜損傷的原因所在。

這其中,進入眼睛的藍光會通過一個光致逆轉的作用,將原本已經分解的視紫紅質直接還原成正常功能的視紫紅質, 而不再遵循正常的視紫紅質合成過程。由此,視桿細胞的活力被大大提升,人眼捕獲光子的能力也大大提升。

但是,這個提升有好處嗎?在進一步的試驗中,我們又發現了一種新的現象:細胞凋亡。隨着人眼對光子捕獲能力的增強,當人眼感受到的光照度達到380kj/平方米時,感光細胞的凋亡程序被啟動,視網膜損傷造成。

所以,藍光對於視網膜的損傷,可以簡單的用這個流程來概括:過量藍光進入視網膜,引發視網膜感光能力大幅提升,當視網膜捕獲的光子達到一定的量之後,視網膜細胞開始死亡,從而造成視網膜損傷。

除了視網膜,藍光還會害了誰?

當然,上面我們只是簡單的說了一下藍光在進入人眼之後的影響。那麼,除了視網膜之外,藍光還會害了誰呢?目前看到的資料,除了視網膜損傷之外,藍光還會對另外一種人體物質有着一定的影響,這就是褪黑素。

什麼是褪黑素?褪黑素是人腦松果體產生的一種激素,目前已知的作用是促進睡眠、調節時差等功能,說白了就是人體的生物鐘。

那為什麼藍光也會影響它呢?這裡說一下視網膜的功能,除了感受光線之後,視網膜也能感受晝夜的變化等,並通知生物鐘。目前知道的生物鐘的感光色素有視蛋白、隱色素和黑色素。其中隱色素屬於藍光感受器裂解酶家族,有學者在試驗中將白鼠剔除任何一種隱色素之後,白鼠的生物鐘均不正常。

現在有實驗證明,在360納米到660納米波段的光線中,處於500納米波段的藍綠光線對於松果體分泌褪黑素的影響最大,同時它也是人類最強大的生物時鐘同步器,在光線不足的條件下,人的生物鐘不能同步,造成生理和神經系統紊亂,例如:過分警覺、睡眠障礙、情緒變化、記憶力減退、體溫波動。而臨近波段的藍紫光,則會干擾人眼對藍綠光的吸收。由於這兩種波段的光線是同時發出的,因此,這也能解釋為什麼在睡前玩手機或者平板電腦,會造成睡眠質量不高甚至難以入睡的原因。

所以現在我們也看到有較高端的住房設計,已經開始綜合考慮住宅室內的光環境設計。而有的眼鏡鏡片,甚至已經做到了可以過濾藍紫光線而透過藍綠光線,當然這樣的產品依然是少數。

藍光這麼NB,難道就沒人管管嗎?

說到底,藍光還是有危害的。那,為什麼我們在檯燈、顯示器、電視或者平板電腦手機上,都看不到藍光危害的標識呢?我想這和藍光危害才剛剛被發現,有着一定的關係吧。

在2012年,國際電工委員會才將LED燈具的藍光危害納入了它的安全要求,從而讓藍光危害成為了燈具必須考量的參數之一。

在國際電工委員會(IEC)的標準中,是這樣對光生物安全的規格劃分等級的。

可以看到,這僅僅是針對燈具的。而針對諸如液晶顯示器、液晶電視等LED產品,並沒有相適應的規定。而我們看到的情況,卻是各路液晶面板廠商提升液晶亮度方面,不遺餘力。

而在藍光強度以及由此帶來危害的測量方法上,各種論文各種資料層出不窮。但是這也說明了一個問題,那就是目前還沒有一個通用的標準,基本就是各村用各村的高招。

其實我們想知道的很簡單,比如上面圖片中的亮度,會有損傷我們的視網膜嗎?不知道!因為沒有標準,也沒有可以參照的規格。就像很多LED行業內的人士在談到藍光危害時,一般都會表示藍光有危害的說法是正確的,但不是說LED對人眼就一定有損害,只不過是說它的可能性比較大。

百度了一圈,發現很多LED廠商已經對自己的產品做了說明,但是說法卻有點千篇一律的意思,無非是白光LED光源的藍光含量不高於相同色溫下熒光燈和金屬鹵化物燈等傳統光源及日光;白光LED光源在人眼視網膜上的藍光輻照量與熒光燈和金屬鹵化物燈等傳統光源類似,屬於0類和1類的安全照明產品等等。

而且,看有報道說,在今年某新光源&新能源照明論壇上,與會專家達成共識:藍光是白光的基本成分,與日光和傳統光源一樣,白光LED也含有藍光。適量的藍光不僅為保證光源的顯色性能所必需,還能對人的生理節律有調節作用。

一面是醫學上在揭示着藍光的作用,一方面是各路專家拍胸脯表示LED無害。與之對應的,則是各種標準的執行不力甚至標準缺失。

那,藍光危害,你信嗎?藍光無害,你信嗎?

生活中LED藍光過量的檢測標準

一般來說,正規廠家經過國家質檢上市的產品,不會存在藍光過量的隱患。 但有一些LED燈的生產商並不注意控制藍光的強度,他們所生產的LED燈具中藍光是“過量”的,對眼睛存在藍光輻射損害。

生活中,可以發出藍光的光源有很多——浴霸、平板顯示器、LED霓虹燈、熒光燈、液晶顯示器、ipad、大屏手機等都有背景光源,它們都含有短波藍光。如果藍光是“過量”的,都會影響視網膜,所以應避免用眼睛直視光源,並且要注意使用時間,每隔20-30分鐘閉目休息一會兒。

如果你擔心購買的LED燈或者其他電器存在“藍光過量”的問題,可以根據《中華人民共和國國家標準GB/T 20145-2006 / CIE S 009/ E:2002 (燈和燈系統的光生物安全性)》來判斷LED燈的藍光是不是過量——該標準給出了藍光在特定的空間角度下的光通量的上限。

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

One comment

  1. 感覺好高級的樣子,但是這些應該都沒有長時間看電腦而的疲勞對眼睛的傷害對比吧!

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