楊春宇，何 偉，梁樹(shù)英，張青文

(重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

引言

光輻射安全是判斷室內(nèi)照明是否健康的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]，隨著發(fā)光二極管(LED)照明光源在室內(nèi)空間被廣泛使用[2]，它的光譜分布和能量輻射特性讓人們對(duì)其健康安全性產(chǎn)生了擔(dān)憂。與其他光源相比，白光LED照明光源產(chǎn)生更多的藍(lán)光光譜[3,4]，人眼視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)中的黑色素對(duì)藍(lán)光波長(zhǎng)有很強(qiáng)的吸收作用[5]，過(guò)量的藍(lán)光輻射會(huì)破壞視網(wǎng)膜的細(xì)胞組織和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致感光細(xì)胞、RPE細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡[6，7]。視網(wǎng)膜損傷程度與光譜、輻射強(qiáng)度、輻射時(shí)間有關(guān)[8，9]。室內(nèi)LED照明在正常使用的情況下不會(huì)對(duì)人眼造成傷害[10]，2019年國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)發(fā)表了關(guān)于藍(lán)光危害的聲明，認(rèn)為在合理可預(yù)見(jiàn)的使用狀態(tài)下，燈具是不會(huì)超出藍(lán)光危害曝光極限的[11]。盡管CIE發(fā)表聲明稱藍(lán)光對(duì)人眼是安全的，但目前缺乏關(guān)于室內(nèi)照明光譜分布輻射安全的具體參數(shù)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)室內(nèi)照明光譜的輻射強(qiáng)度對(duì)于LED照明在室內(nèi)的應(yīng)用具有十分重要的作用。

1 藍(lán)光危害的曝輻限值

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布的IEC 62471—2006[12]和IEC/TR 62778—2012[13]將單個(gè)光源的藍(lán)光危害進(jìn)行等級(jí)分類，用藍(lán)光加權(quán)輻亮度LB、輻照度EB、曝輻時(shí)間t來(lái)表征。表1為不同藍(lán)光危害等級(jí)的參數(shù)閾值。

表1 不同藍(lán)光危害等級(jí)的參數(shù)閾值

IEC 62471—2006規(guī)定普通照明光源在產(chǎn)生500 lx照度的距離處(其他的在距離光源200 mm處)，通過(guò)探測(cè)器測(cè)量可視光源直射的光譜輻照度或是輻亮度[14]。IEC/TR 62778—2012推薦在200 mm、0.011 rad的條件下對(duì)光源進(jìn)行測(cè)量以確定其藍(lán)光危害等級(jí)[15]。

視網(wǎng)膜損傷程度取決于視網(wǎng)膜接收到的光照水平[9]，只要眼睛處的藍(lán)光輻射強(qiáng)度不超過(guò)曝輻限值就不會(huì)引發(fā)視網(wǎng)膜損傷。在室內(nèi)空間的照明環(huán)境中，照明距離、視線角度、光譜分布以及環(huán)境反射等因素都會(huì)影響視網(wǎng)膜接收到的光輻射強(qiáng)度。室內(nèi)空間LED燈具通常安裝在天花板上，眼瞼對(duì)來(lái)自頭頂上方的光線有極好的遮蔽作用，正常站立或坐立的人不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間直視照明光源，即使偶爾看到表面亮度很高的光源，人眼具有天然防御光照傷害的機(jī)制，比如通過(guò)閉眼、轉(zhuǎn)移視線、瞳孔收縮和快速眼動(dòng)等應(yīng)激反射行為使視網(wǎng)膜避免受到來(lái)自強(qiáng)光的傷害[14]。因此，采用IEC 62471—2006的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)實(shí)際使用的室內(nèi)空間照明對(duì)人眼藍(lán)光輻射強(qiáng)度可能導(dǎo)致夸大的結(jié)果，在室內(nèi)正?；顒?dòng)的人們眼睛接收到的輻射強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)在不同照明強(qiáng)度和照明距離下測(cè)量了LED照明的光譜功率分布，研究照明強(qiáng)度和照明距離與藍(lán)光輻射分布的關(guān)系。

2 研究方法

美國(guó)國(guó)際健康建筑研究中心(International WELL Building Institute, IWBI)提出眼睛處垂直向前的光照水平可以模擬進(jìn)入眼睛的光線，以在工作平面上方45 cm處(距離地面120 cm)垂直向前的光照水平作為工作空間人坐立時(shí)的角膜照度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

在實(shí)驗(yàn)室模擬室內(nèi)空間照明環(huán)境。實(shí)驗(yàn)燈具為 LED燈管(有國(guó)家質(zhì)檢合格證書(shū))，燈具安裝在天花板位置高度。在工作桌面照度為300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx下進(jìn)行照度標(biāo)定，根據(jù)工作面的位置、人坐立時(shí)眼睛的位置、人站立時(shí)眼睛的位置以及頭頂上方40 cm的位置(分別距離地面0.75 m，1.20 m，1.55 m，2.10 m)，設(shè)置4個(gè)光譜功率分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，并通過(guò)設(shè)置遮光布簾避免其他光線的干擾。照明光源發(fā)光穩(wěn)定后采用CL-500A分光輻射照度計(jì)測(cè)量不同照明條件下的光譜功率分布并分別記錄，對(duì)5 000 K 色溫LED照明光譜的藍(lán)光輻射強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和分析(其他色溫的數(shù)據(jù)還在分析中)。

圖1 立面空間光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of experimental measuring points for spectral measurement of facade space

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 藍(lán)光輻射強(qiáng)度的計(jì)算

圖2是不同照明距離下眼睛位置處5 000 K LED照明的光譜功率分布，從圖中可以看出隨著照明距離的減小(距離地面越大)眼睛接收到的光譜輻射強(qiáng)度越大，照明距離沒(méi)有明顯改變眼睛位置的光譜分布形狀，眼睛接收到的光譜輻射強(qiáng)度隨著照明距離的變化等比例變化。圖3是不同照明強(qiáng)度下眼睛位置5 000 K LED照明的光譜功率分布，隨著照明強(qiáng)度的增大，眼睛位置處的光譜輻射強(qiáng)度增大，光譜的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波長(zhǎng)占比越大。

圖2 不同照明距離眼睛位置的光譜能量分布Fig.2 Spectral energy distribution at different illumination distances

圖3 不同照明強(qiáng)度眼睛位置的光譜能量分布Fig.3 Spectral energy distribution with different illumination intensity

根據(jù)IEC 62471—2006藍(lán)光輻射計(jì)算方法，藍(lán)光輻射對(duì)視網(wǎng)膜產(chǎn)生的光化學(xué)損傷可以通過(guò)藍(lán)光加權(quán)輻照度EB進(jìn)行評(píng)估，室內(nèi)空間不同位置眼睛處的藍(lán)光加權(quán)輻照度EB，是該點(diǎn)位置的光譜輻照度Eλ與藍(lán)光危害函數(shù)B(λ)加權(quán)積分后的能量，可以通過(guò)式(1)計(jì)算得出該視點(diǎn)藍(lán)光加權(quán)輻照度。

(1)

式中Eλ是某波長(zhǎng)光譜輻照度，單位W·m-2·nm-1；B(λ)是藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)，可通過(guò)查詢IEC 62471—2006第4.3.3條獲得；Δλ是光譜的波長(zhǎng)帶寬，單位nm。

3.2 數(shù)據(jù)分析和討論

通過(guò)式(1)計(jì)算出不同照明距離和照度下眼睛位置5 000 K LED照明的藍(lán)光加權(quán)輻照度，結(jié)果見(jiàn)表2，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和圖表分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

表2 5 000 K LED照明藍(lán)光加權(quán)輻照度

表2中，de是測(cè)點(diǎn)位置距離地面的距離，單位是m，Ev是工作桌面的水平照度，單位：lx。

圖4 不同照明距離和照明強(qiáng)度下眼睛位置的藍(lán)光加權(quán)輻照度Fig.4 Blue light weighted irradiance at different illumination distances and intensity

從圖4和表2可以看出，室內(nèi)照明光源對(duì)眼睛的藍(lán)光輻射強(qiáng)度隨著照明距離的減小而增大，即眼睛位置距離照明光源越近，眼睛接收到的藍(lán)光輻射強(qiáng)度越大?？偟膩?lái)說(shuō)，人在正常坐立的情況下，眼睛位置的藍(lán)光輻射強(qiáng)度處于較低的水平，在300 lx桌面照度下，藍(lán)光加權(quán)輻射強(qiáng)度僅為0.041 W/m2，桌面照度為3 000 lx時(shí)，藍(lán)光輻射強(qiáng)度為0.36 W/m2，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IEC 62471—2006規(guī)定的1 W/m2藍(lán)光輻射的安全限值，屬于無(wú)危險(xiǎn)級(jí)別。站立時(shí)眼睛接收到的藍(lán)光輻射強(qiáng)度比坐立時(shí)更大，在300 lx桌面照度時(shí)為0.052 W/m2，在3 000 lx桌面照度時(shí)為0.48 W/m2，仍處于藍(lán)光輻射的安全限值內(nèi)。對(duì)于特定的建筑空間，通常燈具安裝完成后照明距離是確定的，照明距離對(duì)于眼睛的藍(lán)光輻射強(qiáng)度影響不會(huì)變化。

在光照強(qiáng)度方面，當(dāng)桌面照度為300 lx時(shí)，人坐立眼睛位置的藍(lán)光輻射強(qiáng)度為0.041 W/m2，桌面照度增加到3 000 lx時(shí)，人坐立眼睛位置的藍(lán)光輻射強(qiáng)度增大到0.36 W/m2，照明強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致藍(lán)光輻射強(qiáng)度的顯著增大。當(dāng)桌面照度為3 000 lx，在不直視光源的情況下，人站立時(shí)眼睛位置的藍(lán)光輻射強(qiáng)度也不超過(guò)0.48 W/m2，屬于安全限值內(nèi)。總的來(lái)說(shuō)，在正常情況下人們?cè)谑覂?nèi)坐立或走動(dòng)，只要不長(zhǎng)時(shí)間直視光源，室內(nèi)5 000 K色溫LED照明對(duì)眼睛的藍(lán)光輻射強(qiáng)度均在安全限值內(nèi)。

4 結(jié)論

目前建筑室內(nèi)越來(lái)越多地運(yùn)用LED光源進(jìn)行照明[16]，由于其光譜特性引發(fā)了人們對(duì)眼部健康潛在危害的擔(dān)憂，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)室內(nèi)LED照明對(duì)眼睛是否存在危害就顯得非常重要。在不同照明強(qiáng)度和照明距離下測(cè)量了LED照明的光譜功率分布并計(jì)算得出藍(lán)光輻射強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)在不直視光源的情況下，室內(nèi)空間LED照明對(duì)人眼藍(lán)光輻射強(qiáng)度很大程度上取決于照明強(qiáng)度和照明距離，照明強(qiáng)度越大或照明距離越小，人眼處的藍(lán)光輻射強(qiáng)度越大。

2)色溫為5 000 K 的常規(guī)室內(nèi)空間LED照明，在照度不超過(guò)3 000 lx時(shí)藍(lán)光輻射強(qiáng)度在安全限值內(nèi)。其他色溫與照度的關(guān)系數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步分析。