黃 婷，郭震寧,，林介本，張佳寧，李建鵬

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門 361021)

汽車LED前照燈光生物安全性研究

黃 婷1，郭震寧1,2，林介本2，張佳寧1，李建鵬1

(1.華僑大學信息科學與工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省光傳輸與變換重點實驗室，福建 廈門 361021)

分別對車用鹵素前照燈(Philips,H7)與LED前照燈(德國KEM公司的LED Headlight 2S)的光生物安全性(包括視網(wǎng)膜藍光危害、視網(wǎng)膜熱危害、眼睛近紫外危害)進行了測試和實驗結(jié)果的對比分析。所依據(jù)的評價標準和測試原理是GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所作出的有關規(guī)定。實驗采用光色電綜合分析系統(tǒng)和OST-300光輻射安全測試系統(tǒng)，分別測得鹵素前照燈與LED前照燈的光譜特性，分析光譜的組成特點以及分別測試鹵素燈與LED燈所產(chǎn)生的藍光危害值、光譜輻射亮度值、光譜輻射照度值。再分別計算出其視網(wǎng)膜熱危害值、眼睛的近紫外危害值及他們的曝輻限值。研究結(jié)果表明，兩者所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害及近紫外危害均可忽略不計，LED的藍光危害值達到1 783 W·m-2·sr-1，遠遠高于鹵素車燈，LED的顯色指數(shù)為72.9，顯色性差，遠低于鹵素車燈。根據(jù)測試的結(jié)果與前期的相關研究成果，針對LED前照燈面臨的顯色指數(shù)低、藍光危害高的問題，文章提出了相應的LED車燈的改進措施。

汽車前照燈；光生物安全；白光LED；測試；藍光危害；健康照明

引言

LED光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領域[1]。隨著LED照明的迅速發(fā)展，LED燈具逐步取代傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈，市場滲透率逐年增加。但是，研究表明現(xiàn)在的白光LED大多是由藍光LED激發(fā)黃色熒光粉得到，因此可能產(chǎn)生藍光泄漏，造成藍光危害。LED光輻射對人類健康的影響，表現(xiàn)為紅外線、紫外線以及可見光(主要是藍光)對眼睛各種組織產(chǎn)生的光化學損傷[2-3]。

白光LED 技術主要通過兩種方式實現(xiàn)： 一是利用藍光與黃色熒光粉配合形成白光; 二是多種單色光混合得到白光。多色混合白光LED的制作方式復雜，成本較高[4-5]?，F(xiàn)在大多數(shù)白光LED光源是通過藍光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，光譜能量的峰值正好處于藍光波段[7]?，F(xiàn)有研究表明435 nm至440 nm之間的藍光對眼睛的危害效應最大[5]。Dirk Norren等人的大鼠實驗表明，藍光危害有可能引起感光細胞的損傷[8]。A.Sbamsi等人在研究中發(fā)現(xiàn)被輻射強度為2.8 mW/cm2，波長為390～550 nm的藍光照射6 h后，人眼視網(wǎng)膜中產(chǎn)生了光化學損傷[9]。此外，R. Sneha等人研究表明，紫外光會影響眼睛，嚴重的可以曬傷眼角膜和導致白內(nèi)障[10]。

LED前照燈已經(jīng)逐步取代鹵素燈。2003年美國能源署(DOE)發(fā)表了車用LED的節(jié)能評估報告，僅對小轎車而言，若全美國都使用LED車燈，每年節(jié)省的燃料可達14億加侖。隨著LED在汽車照明上的廣泛應用，人們開始重視汽車車燈的光生物安全問題。

我們對改裝的LED前照燈的光生物安全性進行了測試研究，主要包括藍光危害值的測試、視網(wǎng)膜熱危害和近紫外危害的測試和計算。

1 理論研究

1.1 藍光危害

藍光危害主要是指波長介于300 nm與700 nm的光輻射照射人眼后對眼睛引起的光化學作用，通常會存在導致視網(wǎng)膜損傷的風險，標準規(guī)定當藍光輻亮度達到標準規(guī)定的2類或者3類時，會在較短的時間或瞬間對人眼造成的傷害[7]。為了防止長期受到藍光輻射的視網(wǎng)膜產(chǎn)生視網(wǎng)膜光化學損傷，國內(nèi)目前主要參考IEC 62471《Photo biological safety of lamps and lamp systems》[2]和GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》[3]兩個標準，其對藍光對視網(wǎng)膜危害的閾值進行了規(guī)定，光源的光譜輻亮度與藍光危害函數(shù)加權(quán)積分后的能量，也就是藍光危害的有效輻亮度不應該超過式(1)所示的限值，即

(1)

式中Lλ(λ,t)為光譜輻亮度，單位是W·m-2·sr-1·nm-1；B(λ)為視網(wǎng)膜藍光危害加權(quán)函數(shù)；Δλ為波長帶寬，單位是nm；t為輻照時間，單位是s。

1.2 視網(wǎng)膜熱危害曝輻限值

為了防止視網(wǎng)膜熱損傷，光源的積分光譜輻亮度Lλ與熱危害加權(quán)函數(shù)函數(shù)R(λ)加權(quán)后得出的值，也就是熱危害加權(quán)輻亮度不應該超過公式(2)定義的限值[3]：

(2)

式中LR為光譜輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·nm-1；R(λ)為熱危害加權(quán)函數(shù)；Δλ為波長帶寬，單位為nm；t為觀察持續(xù)時間(對于脈沖燈則是脈沖寬度)，單位為s；α為光源的對邊角，單位為rad。

1.3 眼睛的近紫外危害曝輻限值

光譜范圍在315～400 nm之間的光輻射(UV-A)對眼睛的總的曝輻射量,在時間小于1 000 s的情況下將不能超過10 000 J·m-2；在時間大于1 000 s的情況下，對沒有保護措施的眼睛UV-A波段輻照度EuvA不應該超過10 W·m-2。這些標準可以表示為式(3)[3]：

t<1 000 s

(3)

式中Eλ(λ,t)為光譜輻照度，單位為W·m-2·nm-1；Δλ為波長帶寬，單位為nm;t為輻射持續(xù)時間，單位為s。

2 實驗研究

2.1 實驗內(nèi)容

用杭州遠方光電信息股份有限公司的光輻射安全測試系統(tǒng)，在標準的暗室內(nèi)，對KEM公司的2S LED Headlight前照燈和Philips公司生產(chǎn)的12972PRC1，H7型號的鹵素前照燈進行藍光輻射危害測試及進行視網(wǎng)膜熱危害和近紫外危害的計算。最后，對測試結(jié)果的兩組數(shù)據(jù)進行對比分析。

2.2 光譜測試

實驗使用杭州遠方光電信息股份有限公司的LED光色電綜合測試系統(tǒng)，數(shù)控高精度恒流電源給待測電源供電，積分球和光譜輻射計能夠快速測量待測LED的光通量和光譜功率分布。圖1為LED改裝前照燈及實驗測試圖。改裝LED前照燈與Philips鹵素前照燈的相對光譜功率分布如圖2所示。選取KEM公司的LED前照燈與Philips公司的鹵素前照燈進行輻射危害測試，光色電參數(shù)如表1所示。

圖1 LED改裝前照燈及實驗測試Fig.1 LED Headlight and experimental measurement

用兩個輸出為12 V，3 A的蓄電池，充滿電后中，分別給兩種前照燈供電，實驗測試結(jié)果表明，在相同電功率下，LED前照燈的色溫明顯高于鹵素前照燈，但鹵素燈在顯色指數(shù)方面有明顯的優(yōu)勢。從LED前照燈與鹵素前照燈的相對光譜功率分布可以看出，由于白光LED是通過藍光激發(fā)黃色熒光粉得到的，于是LED的光譜功率分布的峰值處于420～490 nm，色溫最高可達6 000 K。而鹵素前照燈的光譜功率分布則是紅光部分占的比例較大，且光譜均勻性較好，色溫較低，顯色指數(shù)接近于太陽光。

2.3 藍光危害、視網(wǎng)膜熱危害及眼睛的近紫外危害研究

實驗使用杭州遠方光電光輻射安全測試系統(tǒng)OST-300，它完全滿足IEC/EN 62471/CIE S009，IEC/TR 62778，GB/T 20145，IEC/EN 60598 Annex P.，IEC/EN 60432，IEC/EN 60335,GB 7000.1，2009/125/EC歐盟指令等標準要求。系統(tǒng)配備精密自動雙軸轉(zhuǎn)臺，可自動尋找和獲取最大輻射位置，并在最大輻射位置自動測量各種燈和燈系統(tǒng)的光生物危害值，進行安全等級分類。實驗過程中使用車載電瓶(輸出為U=12 V，I=3 A)給鹵素前照燈與LED前照燈供電。圖3為光輻射安全測試系統(tǒng)OST-300設備。

圖3 光生物安全測試設備Fig.3 The instrument of photobiological safety

1)藍光危害測試與研究。根據(jù)國際上最新發(fā)布的光生物安全的相關標準IEC 62471：2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，對視網(wǎng)膜藍光危害的曝輻限值進行了規(guī)定，根據(jù)遠方光輻射安全測試系統(tǒng)操作規(guī)范，把光源移至距探頭200 mm的位置進行對焦測試。對焦時，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測出準確可靠的藍光危害值。圖4(a)為LED前照燈對焦測試圖像，調(diào)節(jié)IP值至67.5%，圖4(b)為鹵素前照燈的對焦測試圖像，調(diào)節(jié)IP值為72.7%，IP值均符合操作要求。表2為視網(wǎng)膜藍光危害測試數(shù)據(jù)。

圖4 兩種前照燈對焦測試圖像Fig.4 Focus adjustment of the two kinds of headlight

表2 鹵素前照燈與LED前照燈藍光危害實驗數(shù)據(jù)表

從測試結(jié)果可以看出，在相同的電壓電流下，且相同的測試距離處，LED前照燈的照度值遠遠大于鹵素燈，兩者的亮度值相似，但兩者的藍光危害值都大于公式所規(guī)定的曝輻限值。LED前照燈所產(chǎn)生的藍光危害值是鹵素燈的2.2倍，從光譜功率分布也可看出LED的峰值處于藍光波段，會產(chǎn)生較嚴重的藍光危害。根據(jù)IEC 62471—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》的規(guī)定，兩者所產(chǎn)生的藍光危害值均大于閾值，并達到了標準所規(guī)定的一類危害。

2)視網(wǎng)膜熱危害測試與研究。在測試光譜輻射亮度時，按照遠方OST-300操作規(guī)范，把光源移到標準要求的距離探頭500lx處，由于信號較強，于是我們選擇加了兩個衰減片，選擇單次曝光，曝光時間設置為60 s，再調(diào)節(jié)探頭后面的螺旋桿調(diào)節(jié)其焦距，使圖像清晰，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測出準確可靠的輻射亮度值。圖6(a)LED前照燈進行輻亮度測試時，調(diào)節(jié)IP值至54.8%的測試圖像，圖6(b)為鹵素燈進行輻亮度測試時，IP值調(diào)值48.9%的測試圖像，因此，測出的結(jié)果是正確的。圖5是所得出的光譜輻射亮度分布。

圖5 鹵素與LED前照燈的光譜輻射亮度分布Fig.5 Spectrum radiant intensity of halogen headlight and LED headlight

從圖6中可以看出，光譜輻射亮度分布趨勢與相對光譜功率分部趨勢相同，從而能夠通過MATLAB計算出現(xiàn)網(wǎng)膜熱危害值及限值。表3為根據(jù)公式(2)計算出的視網(wǎng)膜熱危害值，其中t取10 s，計算出相應的限值，從計算結(jié)果可以看出兩種前照燈的視網(wǎng)膜熱危害均符合國際標準，但LED所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害大于鹵素燈。

圖6 LED與鹵素燈輻亮度測試對焦圖像Fig.6 Focus adjustment of LED and halogen headlight

表3 鹵素前照燈與LED前照燈視網(wǎng)膜熱危害計算結(jié)果

2.3.3 眼睛的近紫外危害

把光源移到標準要求的距離探頭500 lx處，由于信號較強，加了兩個衰減片，選擇單次曝光，曝光時間設置為60 s，再調(diào)節(jié)探頭后面的螺旋桿調(diào)節(jié)其焦距，使圖像清晰，調(diào)節(jié)IP值至40%～90%之間，才可測出準確可靠的輻射照度值。圖7(a)(b)分別為LED的光譜輻射照度分布和鹵素燈的光譜輻射照度分布。表4為根據(jù)公式(3)計算得出LED前照燈與鹵素前照燈的近紫外危害值。

圖7 LED與鹵素前照燈的光譜輻射照度分布Fig.7 Specturm irradiance of LED and halogen headlight

表4 鹵素前照燈與LED前照燈近紫外危害計算結(jié)果

從表3、表4可看出，兩者的照度值并未達到500 lx，這是由于車載電瓶電流輸出不穩(wěn)定，隨著測試實驗的進行，兩者的照度值相對于操作標準500 lx會有些許誤差。從測量距離與照度值可看出，LED的照度效果要遠遠高于鹵素前照燈。從兩者的光譜功率分布可以看出，鹵素燈的波長范圍可達到全光譜，但為了與LED有可比性，因此實驗測試的波長范圍為380～800 nm。LED前照燈的波長范圍為380～800 nm，屬于可見光的范疇，因此它們幾乎不含有紫外和紅外光的成分，因此，兩者所產(chǎn)生的紅外、紫外危害均可忽略不計。

3 改進方案

表5為實驗得出的鹵素前照燈與LED前照燈的藍光危害值、視網(wǎng)膜熱危害值、眼睛的近紫外危害值以及顯色指數(shù)的數(shù)據(jù)對比。從表中可以看出，兩者所產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害、近紫外危害均可忽略不計，但是藍光危害值LED前照燈卻遠遠超過了鹵素前照燈，并且遠遠超過標準所規(guī)定的閾值。顯色指數(shù)也明顯低于鹵素前照燈。針對汽車LED前照燈藍光危害超標且顯色指數(shù)低的問題，我們提出以下兩種解決方案：①使用市面上已經(jīng)存在的低色溫高顯色指數(shù)白光LED代替現(xiàn)如今普遍用于汽車前照燈的高色溫白光LED芯片，但生產(chǎn)成本較高。②基于我們前期研究成果[17], 通過不同色溫LED間的混色，能夠改善白光LED的光譜均勻性，有效降低光源的藍光危害和提高光源顯色指數(shù)。

表5 鹵素前照燈與LED前照燈光輻射安全對比

4 結(jié)論

通過對車用鹵素前照燈(Philips,H7)與LED前照燈(德國KEM公司的LED Headlight 2S)的光生物安全進行測試，分析比對了GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所規(guī)定的相關標準及危害等級分類。實驗結(jié)果表明，被測樣品LED前照燈的照度值及亮度值都遠遠大于鹵素前照燈，同時LED前照燈產(chǎn)生的藍光危害輻射值、視網(wǎng)膜熱危害輻射值均大于鹵素燈，且鹵素前照燈與LED前照燈的藍光危害輻射值達到了GB 20145—2006《燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性》所規(guī)定的1類危害。經(jīng)過實驗研究，兩者產(chǎn)生的視網(wǎng)膜熱危害均符合國家標準，兩者產(chǎn)生的眼睛近紫外危害均可忽略不計。LED前照燈在照度值、消耗的能量、點亮的速度、發(fā)熱及使用壽命等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的鹵素前照燈。但通過對兩種汽車前照燈光生物安全性的測試，被測樣品LED前照燈的輻射危害值大于傳統(tǒng)的鹵素燈，但由于測試樣品過少，并不能得出普遍結(jié)論。但通過對LED與鹵素燈光譜功率分布的對比發(fā)現(xiàn)，LED的光譜能量峰值在藍光波段，因此相較于鹵素燈存在較大的可能產(chǎn)生藍光危害。因此，LED用于汽車照明還需要在對人體的光輻射安全性方面及顯色性方面，進行相應的研究與改進，降低藍光危害，提高顯色指數(shù)，提高汽車前大燈的照明質(zhì)量。

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Photobiological Safety Research Based on Modified LED Automobile Headlight

HUANG Ting, GUO Zhenning, LIN Jieben, ZHANG Jianing, LI Jianpeng

(1.InstituteofinformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 2.FujianProvincialKeyLaboratoryofLightPropagationandtransformation,Xiamen361021,China)

In the article, we tested the photo-biological safety(the blue light hazard to retina, the thermal hazards to retina and the near ultraviolet radiation to eyes) of automotive head lamp including halogen lamp(Philips H7) and LED(LED Headlight 2S from German company named KEM ). At the same time, we analyzed the result of experiments based on GB/T 20145—2006Thebiologicalsafetyoflightlampandlampsystem. In the experiments, we used the light color electricity comprehensive analysis system and OST-300 the optical radiation safety test system, measured the spectral characteristics of halogen lamp and LED lights respectively. Then, we analyzed the composition of spectral characteristics, afterwards, we measured the blue light hazard to retina, spectral radiance and spectral radiant intensity of illumination from halogen lamp and LED. And then we calculated the value of the thermal hazards to retina and the near ultraviolet radiation to eyes according to the scientific principles. The research results show that both the retina thermal damage and near ultraviolet harm are negligible. The LED’s blue light hazard reached 1 783 W·m-2·sr-1which is far higher than the halogen lamp. And CRI (color rendering index) of LED headlight is 72.9 which is is far lower than the halogen headlight. Then, according to the results of the tests and the previous research results, in the view of LED’s problem that low CRI(color rendering index) and high blue light hazard, there have some corresponding improvement measures in this article which use white LED of low color temperature and high color rendering index.

automobile headlamp; photo biological safety; white LEDs; detection; blue light hazard;healthy lighting

福建省科技計劃引導性重點項目(2016H0022);光傳輸與變換福建省重點實驗室開放基金(2014201);泉州市科技計劃(2015TZ31);華僑大學研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目(1400401014) 通信作者：郭震寧，E-mail:znguo@hgu.edu.cn。

TP391.75；O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.016