Jak diody LED wpływają na widzenie?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

W artykule omówiono warunki powstawania nadmiernej dawki światła niebieskiego przy oświetleniu LED. Wykazano, że oceny bezpieczeństwa fotobiologicznego, przeprowadzone zgodnie z GOST R IEC 62471-2013, wymagają wyjaśnienia, biorąc pod uwagę zmianę średnic źrenicy oka pod wpływem oświetlenia LED oraz przestrzennego rozsyłu światła - absorbujący światło niebieskie (460 nm) pigment w plamce siatkówki.

Przedstawiono metodyczne zasady obliczania nadmiernej dawki światła niebieskiego w widmie oświetlenia LED w stosunku do światła słonecznego. Wskazuje się, że dziś w USA i Japonii zmienia się koncepcja oświetlenia LED i powstają diody LED o białym świetle, które minimalizują ryzyko uszkodzenia ludzkiego zdrowia. W szczególności w Stanach Zjednoczonych koncepcja ta obejmuje nie tylko oświetlenie ogólne, ale także monitory komputerowe i reflektory samochodowe.

W dzisiejszych czasach oświetlenie LED jest coraz częściej wprowadzane w szkołach, przedszkolach i placówkach medycznych. Aby ocenić bezpieczeństwo fotobiologiczne opraw LED, GOST R IEC 62471-2013 „Lampy i systemy lampowe. Bezpieczeństwo fotobiologiczne”. Została przygotowana przez Państwowe Przedsiębiorstwo Unitarne Republiki Mordowii „Naukowy Instytut Źródeł Światła im. A. N. Lodygin „(Unitne Przedsiębiorstwo Państwowe Republiki Mordowii NIIIS im AN Lodygin”) na podstawie własnego autentycznego tłumaczenia na język rosyjski międzynarodowej normy IEC 62471:2006 „Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych” (IEC 62471:2006 „Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lamp”) i jest z nim identyczne (patrz punkt 4. GOST R IEC 62471-2013).

Takie przeniesienie wdrożenia standardu sugeruje, że Rosja nie ma własnej profesjonalnej szkoły bezpieczeństwa fotobiologicznego. Ocena bezpieczeństwa fotobiologicznego jest niezwykle istotna dla zapewnienia bezpieczeństwa dzieci (pokolenia) i ograniczenia zagrożeń dla bezpieczeństwa państwa.

Analiza porównawcza oświetlenia słonecznego i sztucznego

Ocena bezpieczeństwa fotobiologicznego źródła światła opiera się na teorii ryzyka i metodologii kwantyfikacji wartości granicznych narażenia siatkówki na niebezpieczne światło niebieskie. Wartości graniczne wskaźników bezpieczeństwa fotobiologicznego są obliczane dla określonego limitu ekspozycji o średnicy źrenicy 3 mm (powierzchnia źrenicy 7 mm2). Dla tych wartości średnicy źrenicy oka wyznacza się wartości funkcji B (λ) - ważonej widmowej funkcji hazardu od światła niebieskiego, której maksimum przypada na widmowy zakres promieniowania 435-440 nm.

Teoria ryzyka negatywnych skutków działania światła oraz metodyka obliczania bezpieczeństwa fotobiologicznego została opracowana na podstawie podstawowych artykułów założyciela bezpieczeństwa fotobiologicznego sztucznych źródeł światła, dr Davida H. Slineya.

David H. Sliney przez wiele lat pełnił funkcję kierownika oddziału w Centrum Promocji Zdrowia i Medycyny Prewencyjnej Armii Stanów Zjednoczonych i prowadził projekty związane z bezpieczeństwem fotobiologicznym. W 2007 roku zakończył służbę i przeszedł na emeryturę. Jego zainteresowania badawcze skupiają się wokół zagadnień związanych z narażeniem oczu na promieniowanie UV, promieniowaniem laserowym i oddziaływaniami tkankowymi, zagrożeniami laserowymi oraz zastosowaniem laserów w medycynie i chirurgii. David Sleeney był członkiem, konsultantem i przewodniczącym wielu komisji i instytucji, które opracowały standardy bezpieczeństwa w zakresie ochrony przed promieniowaniem niejonizującym, w szczególności laserami i innymi źródłami promieniowania optycznego o dużym natężeniu (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO, NCRP i ICNIRP). Jest współautorem The Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources, Nowy Jork, 1980. W latach 2008-2009 dr David Sleeney pełnił funkcję prezesa American Society of Photobiology.

Fundamentalne zasady opracowane przez Davida Sleeneya leżą u podstaw nowoczesnej metodologii fotobiologicznego bezpieczeństwa sztucznych źródeł światła. Ten wzorzec metodologiczny jest automatycznie przenoszony na źródła światła LED. Pozyskał dużą rzeszę zwolenników i studentów, którzy nadal rozszerzają tę metodologię na oświetlenie LED. W swoich pismach starają się uzasadnić i promować oświetlenie LED poprzez klasyfikację zagrożeń.

Ich pracę wspierają Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia i inni producenci oświetlenia LED. Obecnie pole intensywnych badań i analiz możliwości (i ograniczeń) w zakresie oświetlenia LED obejmuje:

• agencje rządowe, takie jak Departament Energii USA, Ministerstwo Energii RF;

• organizacje publiczne, takie jak Towarzystwo Inżynierii Oświetlenia Ameryki Północnej (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), Międzynarodowe Stowarzyszenie Ciemnego Nieba (IDA) i NP PSS RF;

• najwięksi producenci Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia i

Rosyjscy producenci Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• a także szereg instytutów badawczych, uniwersytetów, laboratoriów: Lighting Research Center w Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), a także NIIIS im. AN Lodygin”, VNISI im. SI. Wawiłow.

Z punktu widzenia wyznaczania nadmiernej dawki światła niebieskiego interesująca jest praca „Oświetlenie LED bezpieczeństwa optycznego” (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC Stanowisko CELMA Oświetlenie LED bezpieczeństwa optycznego_Final_Lipiec2011). Ten europejski raport porównuje widma światła słonecznego ze sztucznymi źródłami światła (żarówkami, świetlówkami i LED) zgodnie z wymaganiami normy EN 62471. Przez pryzmat współczesnego paradygmatu oceny higieny rozważ dane przedstawione w tym europejskim raporcie, aby określić nadmiarowy udział światła niebieskiego w widmie źródła światła białego LED. Na ryc. 1 przedstawia wzór spektralny diody LED o białym świetle, która składa się z kryształu emitującego niebieskie światło i żółtego luminoforu, którym jest pokryta w celu wytworzenia białego światła.

Na ryc. 1. Wskazano również punkty odniesienia, na które higienistka powinna zwrócić uwagę analizując widmo światła z dowolnego źródła. Z tego punktu widzenia rozważmy widma światła słonecznego (ryc. 2).

Z rysunku wynika, że w zakresie temperatury barwowej od 4000 K do 6500 K obserwuje się warunki „krzyża melanopsynowego”. W widmie energii światła amplituda (A) przy 480 nm musi być zawsze większa niż amplituda przy 460 nm i 450 nm.

Jednocześnie dawka światła niebieskiego 460 nm w widmie światła słonecznego o temperaturze barwowej 6500 K jest o 40% wyższa od dawki światła słonecznego o temperaturze barwowej 4000 K.

Efekt „krzyża melanopsyny” jest wyraźnie widoczny z porównania widm żarówek i lamp LED o temperaturze barwowej 3000 K (rys. 3).

Nadmiar udziału światła niebieskiego w widmie widma LED w stosunku do udziału światła niebieskiego w widmie żarówki przekracza 55%.

Mając na uwadze powyższe porównajmy światło słoneczne o Tc = 6500 K (6500 K to graniczna temperatura barwowa dla siatkówki wg Davida Sleaneya, a zgodnie z normami sanitarnymi jest to mniej niż 6000 K) z widmem żarówki Tc = 2700 K oraz widmo lampy LED o Tc = 4200 K przy natężeniu oświetlenia 500 luksów. (rys. 4).

Rysunek przedstawia następujące elementy:

- lampa LED (Tc = 4200 K) emituje o 460 nm większą niż światło słoneczne (6500 K);

- w widmie światła lampy LED (Tc = 4200 K) zapad przy 480 nm jest o rząd wielkości (10 razy) większy niż w widmie światła słonecznego (6500 K);

- w widmie światła lampy LED (Tc = 4200 K) zapad jest 480 nm kilkakrotnie większy niż w widmie światła żarówki (Tc = 2700 K).

Wiadomo, że przy oświetleniu LED średnica źrenicy oka przekracza wartości graniczne - 3 mm (powierzchnia 7 mm2) zgodnie z GOST R IEC 62471-2013 „Lampy i systemy lamp. Bezpieczeństwo fotobiologiczne”.

Z danych przedstawionych na rys. 2 widać, że dawka światła niebieskiego 460 nm w widmie światła słonecznego dla temperatury barwowej 4000 K jest znacznie mniejsza niż dawka światła niebieskiego 460 nm w widmie światła słonecznego przy temperatura barwowa 6500 K.

Z tego wynika, że dawka światła niebieskiego 460 nm w widmie oświetlenia LED o temperaturze barwowej 4200 K znacznie (o 40%) przekroczy dawkę światła niebieskiego 460 nm w widmie światła słonecznego o temperaturze barwowej 4000 K przy tym samym poziomie oświetlenia.

Ta różnica między dawkami to nadmierna dawka światła niebieskiego pod oświetleniem LED w stosunku do światła słonecznego o tej samej temperaturze barwowej i przy danym poziomie oświetlenia. Ale tę dawkę należy uzupełnić dawką światła niebieskiego z efektu niedostatecznej kontroli źrenicy w warunkach oświetlenia LED, biorąc pod uwagę nierównomierne rozmieszczenie pigmentów, które pochłaniają 460 nm niebieskiego światła w objętości i powierzchni. Jest to nadmierna dawka światła niebieskiego, która prowadzi do przyspieszenia procesów degradacyjnych, które zwiększają ryzyko wczesnych wad wzroku w porównaniu ze światłem słonecznym, przy wszystkich pozostałych czynnikach (przy danym poziomie oświetlenia, temperaturze barwowej i efektywnej pracy siatkówki plamki żółtej). itp.)

Fizjologiczne cechy budowy oka, wpływające na bezpieczną percepcję światła

Obwód ochronny siatkówki powstał w świetle słonecznym. Dzięki spektrum światła słonecznego następuje odpowiednia kontrola średnicy źrenicy oka do zamknięcia, co prowadzi do zmniejszenia dawki światła słonecznego docierającego do komórek siatkówki. Średnica źrenicy u osoby dorosłej waha się od 1,5 do 8 mm, co zapewnia około 30-krotną zmianę natężenia światła padającego na siatkówkę.

Zmniejszenie średnicy źrenicy oka prowadzi do zmniejszenia obszaru projekcji światła obrazu, który nie przekracza obszaru „żółtej plamki” w środku siatkówki. Ochronę komórek siatkówki przed światłem niebieskim zapewnia pigment plamki żółtej (maksymalna absorpcja 460 nm), którego powstawanie ma swoją historię ewolucyjną.

U noworodków obszar plamki ma kolor jasnożółty z niewyraźnymi konturami.

Od trzeciego miesiąca życia pojawia się odruch plamkowy i zmniejsza się intensywność żółtego koloru.

Po roku określa się odruch dołkowy, środek staje się ciemniejszy.

W wieku od trzech do pięciu lat żółtawy odcień obszaru plamki prawie łączy się z różowym lub czerwonym odcieniem środkowej części siatkówki.

Obszar plamki u dzieci w wieku 7-10 lat i starszych, podobnie jak u dorosłych, jest określany przez beznaczyniowy obszar centralny siatkówki i odruchy świetlne. Pojęcie „plamy plamki” powstało w wyniku badania makroskopowego oczu zwłok. Na płaskich preparatach siatkówki widoczna jest mała żółta plamka. Przez długi czas skład chemiczny pigmentu barwiącego ten obszar siatkówki był nieznany.

Obecnie wyizolowano dwa pigmenty - luteinę i izomer luteiny zeaksantynę, które nazywane są pigmentem plamki lub pigmentem plamki. Poziom luteiny jest wyższy w miejscach o większej koncentracji pręcików, poziom zeaksantyny jest wyższy w miejscach o większej koncentracji szyszek. Luteina i zeaksantyna należą do rodziny karotenoidów, grupy naturalnych barwników roślinnych. Uważa się, że luteina pełni dwie ważne funkcje: po pierwsze, pochłania niebieskie światło, które jest szkodliwe dla oczu; po drugie jest przeciwutleniaczem, blokuje i usuwa reaktywne formy tlenu powstałe pod wpływem światła. Zawartość luteiny i zeaksantyny w plamce jest nierównomiernie rozłożona na całym obszarze (maksymalnie w środku i kilkakrotnie mniej na brzegach), co oznacza, że ochrona przed światłem niebieskim (460 nm) jest minimalna na brzegach. Wraz z wiekiem ilość pigmentów maleje, nie są one syntetyzowane w organizmie, można je uzyskać jedynie z pożywienia, więc ogólna skuteczność ochrony przed niebieskim światłem w centrum plamki zależy od jakości odżywienia.

Efekt niewystarczającej kontroli źrenic

Na ryc. 5. jest ogólnym schematem porównywania rzutów plamki świetlnej lampy halogenowej (widmo jest zbliżone do widma słonecznego) i lampy LED. W przypadku światła LED obszar oświetlenia jest większy niż w przypadku lampy halogenowej.

Różnica w przydzielonych obszarach oświetlenia służy do obliczenia dodatkowej dawki światła niebieskiego z efektu niedostatecznej kontroli źrenicy w warunkach oświetlenia LED, biorąc pod uwagę nierównomierne rozmieszczenie pigmentów, które pochłaniają 460 nm niebieskiego światła w objętości i powierzchni. Ta jakościowa ocena nadmiernego udziału światła niebieskiego w widmie białych diod LED może w przyszłości stać się metodologiczną podstawą ocen ilościowych. Chociaż z tego jasno wynika techniczna decyzja o konieczności wypełnienia luki w rejonie 480 nm do poziomu eliminacji efektu „krzyżówki melanopsyny”. Rozwiązanie to zostało sformalizowane w postaci certyfikatu wynalazcy (źródło światła białego LED z połączonym zdalnym konwektorem fotoluminescencyjnym. Patent nr 2502917 z dnia 30.12.2011.). Zapewnia to Rosji priorytet w dziedzinie tworzenia źródeł białego światła LED o biologicznie odpowiednim spektrum.

Niestety eksperci Ministerstwa Przemysłu i Handlu Federacji Rosyjskiej nie przyjmują tego kierunku z zadowoleniem, co jest powodem niefinansowania prac w tym kierunku, które dotyczą nie tylko oświetlenia ogólnego (szkoły, szpitale położnicze itp.), ale również podświetlenie monitorów i reflektorów samochodowych.

Przy oświetleniu LED dochodzi do nieodpowiedniej kontroli średnicy źrenicy oka, co stwarza warunki do uzyskania nadmiernej dawki światła niebieskiego, które negatywnie wpływa na komórki siatkówki (komórki zwojowe) i jej naczynia. Negatywny wpływ nadmiernej dawki światła niebieskiego na te struktury potwierdziły prace Instytutu Fizyki Biochemicznej. N. M. Emanuel RAS i FANO.

Zidentyfikowane powyżej efekty niedostatecznej kontroli średnicy źrenicy oka dotyczą świetlówek i świetlówek energooszczędnych (ryc. 6). Jednocześnie obserwuje się zwiększony udział światła UV o długości fali 435 nm ("Bezpieczeństwo optyczne oświetlenia LED" CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC Stanowisko CELMA optyczne oświetlenie bezpieczeństwa LED_Final_Lipiec 2011)).

W trakcie eksperymentów i pomiarów przeprowadzonych w szkołach amerykańskich, a także w szkołach rosyjskich (Instytut Higieny i Ochrony Zdrowia Dzieci i Młodzieży, SCCH RAMS) stwierdzono, że wraz ze spadkiem skorelowanej temperatury barwowej sztucznych źródeł światła zwiększa się średnica źrenicy oka, co stwarza warunki do negatywnej ekspozycji na niebieskie światło na komórki i naczynia krwionośne siatkówki. Wraz ze wzrostem skorelowanej temperatury barwowej sztucznych źródeł światła średnica źrenicy oka maleje, ale nie osiąga wartości średnicy źrenicy w świetle słonecznym.

Nadmierna dawka niebieskiego światła UV prowadzi do przyspieszenia procesów degradacji, które zwiększają ryzyko wczesnych zaburzeń widzenia w porównaniu ze światłem słonecznym, przy wszystkich pozostałych czynnikach.

Zwiększona dawka koloru niebieskiego w widmie oświetlenia LED wpływa na zdrowie człowieka oraz funkcjonowanie analizatora wzrokowego, co zwiększa ryzyko niepełnosprawności wzroku i zdrowia w wieku produkcyjnym.

Koncepcja stworzenia półprzewodnikowych źródeł światła o biologicznie adekwatnym świetle

Wbrew konserwatyzmowi ekspertów z Ministerstwa Przemysłu i Handlu Federacji Rosyjskiej oraz Centrum Innowacji Skołkowo, koncepcja stworzenia półprzewodnikowych źródeł światła białego o biologicznie adekwatnym świetle kultywowanym przez autorów artykułu zyskuje na całym świecie zwolenników. świat. Na przykład w Japonii firma Toshiba Material Co., LTD stworzyła diody LED w technologii TRI-R (rys. 7).

Takie połączenie fioletowych kryształów i luminoforów pozwala na syntezę diod LED o widmach zbliżonych do widma światła słonecznego o różnych temperaturach barwowych oraz na wyeliminowanie powyższych braków w widmie LED (niebieski kryształ pokryty żółtym luminoforem).

Na ryc. osiem.przedstawia porównanie widma światła słonecznego (TK = 6500 K) z widmami diod LED wykorzystujących technologię i technologię TRI-R (niebieski kryształ pokryty żółtym luminoforem).

Z analizy przedstawionych danych wynika, że w widmie światła białego diod LED wykorzystujących technologię TRI-R eliminowana jest przerwa przy 480 nm i nie ma nadmiaru dawki niebieskiej.

Tak więc prowadzenie badań w celu zidentyfikowania mechanizmów wpływu światła o określonym spektrum na zdrowie człowieka jest zadaniem państwa. Ignorowanie tych mechanizmów prowadzi do miliardowych kosztów.

wnioski

Przepisy Sanitarne rejestrują normy z technicznych dokumentów normatywnych oświetleniowych, tłumacząc normy europejskie. Standardy te są tworzone przez specjalistów, którzy nie zawsze są niezależni i prowadzą własną krajową politykę techniczną (biznes narodowy), co często nie pokrywa się z narodową polityką techniczną Rosji.

Przy oświetleniu LED dochodzi do niedostatecznej kontroli średnicy źrenicy oka, co poddaje w wątpliwość poprawność ocen fotobiologicznych zgodnie z GOST R IEC 62471-2013.

Państwo nie finansuje zaawansowanych badań nad wpływem technologii na zdrowie człowieka, dlatego higieniści zmuszeni są dostosowywać normy i wymagania do technologii, które są promowane przez biznes transferu technologii.

Rozwiązania techniczne dla rozwoju lamp LED i ekranów PC powinny uwzględniać zapewnienie bezpieczeństwa oczu i zdrowia ludzi, podejmować działania w celu wyeliminowania efektu „krzyża melanopsynowego”, który występuje dla wszystkich obecnie istniejących energooszczędnych źródeł światła i podświetlenia urządzeń wyświetlających informacje.

Pod oświetleniem LED białymi diodami LED (niebieski kryształ i żółty luminofor), które mają przerwę w widmie przy 480 nm, dochodzi do niedostatecznej kontroli średnicy źrenicy oka.

W przypadku szpitali położniczych, placówek dziecięcych i szkół należy opracować i poddać obowiązkowej atestacji higienicznej lampy o biologicznie odpowiednim spektrum światła, uwzględniającym cechy widzenia dzieci.

Podsumowanie pokrótce od redakcji:

1. Diody LED emitują bardzo jasno na niebiesko iw pobliżu obszarów UV, a bardzo słabo na niebiesko.

2. Oko „mierzy” jasność, aby zawęzić źrenicę o poziom nie niebieskiego, ale niebieskiego koloru, którego praktycznie nie ma w widmie białej diody LED, dlatego oko „myśli”, że jest ciemne i szerzej otwiera źrenicę, co prowadzi do tego, że siatkówka otrzymuje wielokrotnie więcej światła (niebieskiego i UV) niż oświetlona słońcem, a to światło „wypala” światłoczułe komórki oka.

3. W takim przypadku nadmiar światła niebieskiego w oku prowadzi do pogorszenia wyrazistości obrazu. na siatkówce powstaje obraz z aureolą.

4. Oko dzieci jest o rząd wielkości bardziej przezroczyste do niebieskiego niż oczy osób starszych, dlatego proces „wypalania się” u dzieci jest wielokrotnie intensywniejszy.

5. I nie zapominaj, że diody LED to nie tylko oświetlenie, ale teraz prawie wszystkie ekrany.

Jeśli dodamy jeszcze jeden obraz, to uszkodzenie wzroku spowodowane przez diody LED przypomina ślepotę w górach, która powstaje w wyniku odbicia UV od śniegu i jest groźniejsza właśnie przy pochmurnej pogodzie.

Powstaje pytanie, co zrobić dla tych, którzy mają już oświetlenie LED, jak zwykle, z diod LED niewiadomego pochodzenia?

Przychodzą mi do głowy dwie opcje:

1. Dodaj dodatkowe niebieskie światło (480nm) oświetlenie.

2. Umieść żółty filtr na lampach.

Bardziej podoba mi się pierwsza opcja, ponieważ w sprzedaży dostępne są niebieskie (jasnoniebieskie) taśmy LED o promieniowaniu 475nm. Jak sprawdzić, jaka jest rzeczywista długość fali?

Druga opcja „zje” część światła i lampa będzie ściemniała, a ponadto nie wiadomo też jaką część niebieskiego usuniemy.