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白光LED的光生物作用特性[1]

2013-4-1  来源:全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会、国家灯具质量监督检验中心、国家电光源质量监督检验中心(上海)、上海时代之光照明电器检测有限公司、中国照明学会灯具专业委员会 上海 201114  作者:陈超中 施晓红 刘磊  有284369人阅读

本文从光生物安全的基本概念入手,阐述了白光LED对皮肤和眼睛的光生物作用和光生物安全标准的发展历史。重点介绍了蓝光对视网膜的视觉危害与对司辰节律的影响,对司辰节律的影响往往没有被重视。对LED蓝光危害与对司辰节律的影响提出了应对的措施,包括室内灯具和室外灯具应关注的要点。本文倡导应树立正确的LED照明的节能理念。

  蓝光危害是光生物危害的一种,光生物安全研究的内容是光辐射与生物机体的相互作用。光辐射被定义为波长从100nm到1mm的电磁辐射。但是由于空气对于200nm以下的光具有强烈的吸收,而3000nm以上的光能量太低对人体的影响几乎可以忽略,因此一般考虑的光辐射范围为200-3000nm。

  一、白光LED的构成

  白光LED是发出白色光的发光二极管,白色光由多种不同波长的光叠加而成,白光LED是可以用于一般照明的LED。

  由于可以从LED得到日光色,因此它能用于照明。由多种颜色的光混合而成白光可由多种办法得到,其中由三种颜色的光混合而成是常用的方法。当前用氮化镓基的LED获得白光主要有两种方法:一种是蓝色LED与YAG黄色荧光粉的组合(见图1);另一种是红/绿/蓝(RGB)三色LED的组合(见图2)。

  为了得到稳定、可靠和简单的白光,目前最常用的方法是用发蓝色光的LED芯片激发荧光粉,LED辐射出波长为450nm左右的蓝光,蓝光在这一过程中被分成两部分,一部分蓝光激发荧光粉发出波长为570nm左右的黄绿光,另一部分蓝光透射出来与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生白光。

  白光LED色度学参数主要有色温与显色性。根据荧光粉的配比和成分,白光LED能提供色温在2700K~6500K之间冷白、中性、暖白的全系列色温范围。显色性是白光LED作为普通照明光源另一个重要指标。室内照明白光LED要求的显色指数在80及其以上。

  白光LED的一个能效指标是光效,即光源发出的光通量与其自身所消耗的电功率之比,单位为lm/W。

  高色温的LED白光也称富蓝白光,有丰富的蓝光。光效较高。低色温的LED白光,由于蓝光大都已经转化为波长更长的黄绿光和红光,所以光效较低。

  二、光生物安全的基本概念

  由于光辐射会被人体组织吸收,并且能有一定深度的穿透(紫外穿透深度为几个微米,而红外的穿透深度为几个毫米),因此人的皮肤和眼睛是暴露在光辐射之下的。曝辐射的生物反应是由于多种能量传递过程产生的,一般可大致的分为光化学作用和热作用。由于短波区域的光子能量最高,光化学反应在短波区域起主要作用,而在长波区域则是热作用占主导地位(见图3)。

  1、光化学作用机理

  在光化学作用中,一些特定波长的光会激发细胞分子中的电子,从而导致那一区域的化学键的断裂和重组。这可能对双螺旋链接的DNA有直接的影响,光辐射有可能导致DNA的破坏,另外,还将产生高活性基团。这些基团将与DNA反应从而导致结构重组,或者与细胞如视网膜的感光细胞反应导致细胞功能的降低或坏死。重要的是对于DNA的破坏如果无法修复的话,有可能会导致癌症。

  2、热作用机理

  热反应的机理则是因为某些部位吸收了光,使得局部的温度上升。这将导致蛋白质变性或细胞热损伤。

  3、光化学作用与热作用机理的差异

  热反应在整个波段导致的伤害是一致的,而光化学伤害则强烈的取决于波长,这一特性将用伤害加权函数来表示(见图4),该函数取某一波长导致一定反应所需剂量(或能量)的倒数并最终归一化。

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