LED照明中蓝光的光生物安全问题[1]

　　引 言

　　节约能源是未来面临的重要问题。LED作为1种新型绿色照明光源，必然是未来发展趋势。但是，在LED开发过程中，照明设计人员对各种色光作用于人的视觉产生的一系列心理、生理等诸方面效应缺乏了解，以致带来光生物安全方面的问题。

　　1 LED照明色空间的不均匀问题

　　1.1 过多蓝光的问题

　　现今大多数照明用白光LED采用蓝光芯片，其直接发出蓝光，蓝光激发YAG黄色荧光粉后，一部分转化成黄光，与蓝光一道合成白光。与三基色荧光粉发光合成的白光不同，同样的相关色温和色坐标，LED的发射光中含有比三基色荧光灯多得多的蓝光。首先，我们看一下LED的输出光谱。

　　目前主流GaN芯片的阻挡层及辐射光谱参数为：阻挡层电势：2.62～2.74V，相应的辐射光子能量：2.62～2.74eV，辐射谱中心波长：450～470nm，相应视见函数分别为：0.091～0.038，辐射谱带半宽度：30nm。

　　当辐射谱激发YAG黄色荧光粉混合了蓝光，形成图1的发射光谱。图中左峰为LED发射光谱，右峰是1个450nm激发黄色荧光粉的发光光谱。黄色荧光粉不容易吸收蓝色光子。如果按照450nm激发YAG的技术，要产生200lm/W的光效，转换效率需达到60%。而目前普通水平的转换效率只有20%～30%。因此，大量蓝光就存在于LED的输出光谱中了。

　　各国照明组织一致认为，4 000K以上高色温白光LED对人的生物安全和健康会带来一定危害。根据全球照明协会白皮书(White Paper of the GLA)对相似色温的LED、CFL和白炽灯光谱中蓝光成分的分析可以看到，LED的蓝光成分数倍于荧光灯和白炽灯，而且还只是4 000K色温的LED(见图2)，6 500K蓝光LED的蓝光强度会更大;而且这还是在全球面求积分的条件下的数据。由于LED通常是窄光束，在投射区域光线特别集中，局部的蓝光强度甚至可达同色温荧光灯的10倍以上;同时也可以看到，色温2 700K且显色指数80以上的高显色白光LED的蓝光辐射量比产生同样光通量的荧光灯还要少。所以，色温2 700～3 000K且显色指数80以上的低色温LED可以放心地在室内使用。但这仅仅是作者的理论概念，实际上，简单地以降低色温的方法来抑制蓝光是不科学的，会牺牲光效和显色指数。缺乏红光和绿光，显色指数只能达到62～63，增加红光和绿光的比例又势必会增加成本，无疑对开发LED室内照明产品有一定影响。要想在室内照明领域得到与荧光灯一样的照明效果，不能为降低成本而增加LED光源的生物安全风险。遗憾的是，我国没有任何LED开发公司对此作过风险评估。

　　1.2 不均匀色空间的产生

　　从普通LED发出白光的光谱可以看出，这种方法输出白光的突出问题是，LED有光环效应，在某些场合不受欢迎。这归结于LED发出定向光，由黄色荧光粉转换，存在朗伯(Lambertian)行为，也就是白光LED空间颜色均匀性问题(如图3)。从法线方向上发出的蓝光最强，而被粉所吸收和最少。从目前的测量方法看，我们在对LED光源进行测量时，所得到的显色指数只是色空间的平均显色指数，同样，得到的相关色温值也只是光空间的平均色温。这样的色空间分布势必会影响我们对物品真实颜色一致性的准确判断。

　　2 蓝光的光生物学危害

　　2.1 目前的普遍共识

　　虽然LED的发展势头很好，但是其对人的健康、视力和生物效应是必须考虑的。尤其是过多的蓝光用于室内照明，会对人的生理、心理和视神经等产生一系列影响，这一结论早已被照明技术和光生物研究人员所接受。

　　照明，从目前研究结果来看，可以产生3种效应：一是视觉效应，以光的明度和颜色让我们认识世界，感知周围物体以利于分析判断;二是心理效应，同样是明度和色度可使人产生轻重、远近、冷暖、好恶的感觉，同时，不同的色光也影响我们的心情;三是生物效应，可以控制我们的生物钟，这就是为什么冬天会起床比较晚、夏天起床比较早的缘故。在可见光产生的光生物学效应方面，当数蓝光最大。最普遍的共识是，当蓝光很强时人就没有睡眠的欲望;相反，蓝光很弱时则有利于人的睡眠。蓝光辐射的峰值波长与视网膜蓝光伤害特征曲线和人体非视觉感光曲线有比较大的重合。因此，在室内采用白光LED时，有人担心会伤害视网膜、扰乱生物钟。

　　2.2 蓝光是1种褪黑激素抑制剂

　　褪黑激素(Melatonin)是人脑部深处像松果般大小的“松果体”分泌的1种胺类激素，以前有人叫它“松果体素”。褪黑激素是迄今发现的最强的内源性自由基清除剂，它参与抗氧化系统，防止细胞产生氧化损伤，在这方面，它的功效超过了已知的所有体内物质。最新研究证明，褪黑激素是内分泌的总司令，它控制体内各种内分泌腺的活动。褪黑激素的作用主要有以下两个方面：

　　(1)保护细胞防止病变。由于褪黑激素很容易进入细胞，因此，可担任保护细胞核DNA的任务。如果DNA受到损害就可能导致癌变。

　　(2)褪黑激素的分泌是有昼夜节律的。夜幕降临后，光刺激减弱，松果体合成褪黑激素的酶类活性增强，体内褪黑素的分泌水平也相应增高，在凌晨2～3时达到高峰。夜间褪黑激素水平的高低直接影响睡眠质量。随着年龄增长，松果体萎缩直至钙化，造成生物钟的节律性减弱或消失，特别是35岁以后，体内自身分泌的褪黑激素明显下降，平均每10年降低10%～15%，导致睡眠紊乱以及一系列功能失调。褪黑激素水平降低、睡眠减少，是人类脑衰老的重要标志之一。

　　由于白光LED中大量的蓝光对褪黑色素的抑制，显然会对健康产生不良影响。