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    徐代升:健康照明光環境相關問題探討
    發布時間:2020-01-10瀏覽次數:1

    隨著新一代照明光源LED光源技術和照明控制技術的進步,現代照明早就不在只關注照亮環境了,而是朝著關注照明對人們健康的影響發展了。如何通過照明來構建健康、舒適的光環境,已成為民生關注的熱點問題,2016年歐洲照明組織發布2025年戰略發展圖路線,明確“以人為本的照明”作為今后照明發展的核心。

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      健康照明是通過照明,改善并提高人們工作、學習、生活的條件和質量,促進心理和生理健康,因此構建健康的照明光環境是健康照明基礎。鑒于LED照明光源的諸多優點,尤其是其可控性好這一點,使它必將成為構建健康照明光環境的主要光源。要用LED照明光源構建健康照明光環境,必須先明確健康照明光環境是怎樣的?在此筆者發表一點自己的淺見,就相關問題進行一些探討。

    1、健康光環境光源的光譜組成

      人類進化的歷史長河中,一直沐浴在太陽光里。圖1給出了大氣層外及海平面太陽光譜分布示意,從圖中我們可以看出,太陽光譜主要包括紫外、可見及紅外(780nm~1mm)光譜。大氣層外太陽全部輻射能中,波長在150nm~4000nm之間的占99%以上,可見光區占太陽輻射總能量的約50%,紅外區占約43%,紫外區的太陽輻射能較少,只占總量的約7%。在地面上觀測的太陽輻射的波段范圍大約為295nm~2500nm。短于295nm和大于2500nm波長的太陽輻射,因地球大氣中臭氧、水氣和其他大氣分子的強烈吸收,已基本不能到達地面。


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    圖1 大氣層外及海平面太陽光譜輻照度分布


      人類在長期的進化過程中,已經適應和習慣了太陽光譜的照射,因此對人及自然界生物來說,太陽光譜是最健康的光譜。太陽光譜中,紫外光具有殺菌消毒的作用,可以殺滅螨蟲等微生物或病原體,促進維生素D合成,對佝僂病和軟骨癥有預防和治療作用,還能預防老年人骨質疏松癥,有消炎止痛、促進局部血液循環、調節免疫力等作用;紅外光在人體組織代謝、血液循環、人體免疫功能增強等方面具有很好的治療作用;同時對于肌肉痙攣、肌肉勞損、軟組織損傷、身體組織消腫有治療作用;可見光讓我們感知五彩斑斕、色彩繽紛的大千世界,是視覺盛宴、精神愉悅的媒介。因此用人造光源LED來構建健康照明光環境,自然組成健康照明光環境的光譜成分應與太陽光譜一致。

      就正常人而言普通的人造(特別是密閉的空間)健康照明光環境的光譜應與太陽光譜一致,但對于特殊人群,譬如小孩、老人、病人等室內活動空間,光環境中是不是要有太陽光譜里沒有的光譜、還是要去掉太陽里的某些光譜,才是最健康的照明光環境,這些都值得進一步研究。

    2、健康光環境光源的光譜密度

      希望健康照明光環境與太陽光譜盡可能一致,但還必須對光譜密度進行控制,無論紫外光還是紅外光,太強都會對人體有害,可見光太強至少會造成眩光,也叫人不舒服。

      2.1 強紫外光照射引起的危害

      紫外光照射主要引起光化學反應和光免疫學反應,長波紫外線對人體健康的影響主要是皮膚、眼睛、免疫系統。

    對皮膚的影響。UV-A激活已存在于上部皮膚細胞中的黑色素,UV-A滲透到更深的皮膚層,結締組織和血管等受到影響,UV-A使得皮膚逐漸失去彈性并開始起皺,導致過早衰老。最近的研究強烈地表明它可能會促進皮膚癌的發展,初步認為UVA會增加細胞內的氧化應激。黑色素瘤是最嚴重的皮膚癌,是15-29歲群體中最常見的癌癥之一,雖然黑色素瘤約占皮膚癌病例的3%,但它導致超過75%的皮膚癌患者死亡。強紫外光照射對皮膚危害如圖2所示。


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    圖2 強紫外光照射對皮膚的危害


      對眼睛損害。眼睛占全身經常接觸光的表面積不到2%,是唯一可以讓UV-A深入人體的器官。UV-A可以引起黃斑病變、光角膜炎和光合結膜炎,光角膜炎是角膜的炎癥,而光結膜炎是指結膜的炎癥。

      對免疫系統的影響。迄今為止的大多數實驗都集中在UVB上,因為它似乎比UVA更有效的引起免疫調節,然而,近幾年醫學研究對UVA對免疫系統的影響研究一直在增加,有研究表明,過量的UV-A會抑制免疫系統功能。UV-A輻射被皮膚中的分子吸收,將導致免疫系統的一些關鍵分子和細胞的分布和活動發生變化,通過細胞和抗體改變免疫反應的平衡可能會降低身體抵御某些疾病的能力。人和動物免疫系統能力下降,表現為容易患各種疾病。

      2.2 強可見光照射引起的危害

      照射可見光太強至少會造成眩光,叫人不舒服??梢姽獠ǘ螌θ梭w健康的影響主要是指高能可見光(HEV),即波長在400-490nm范圍的藍光,他會產生對人眼視網膜的損傷,醫學上把HEV稱為藍光危害(BLH)。

      長期在HEV照明環境中,有一些個體會引起不可逆的視覺細胞損傷,老年后增加黃斑病變的風險,黃斑病變使人失去視力能力,因是不可逆轉的病變,將無法治療。圖3給出了藍光危害致視覺細胞損傷引起黃斑病變情形。


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    圖3 藍光危害致視覺細胞損傷引起黃斑病變


      2.3 強紅外光照射引起的危害

      近紅外光照射讓人體并沒有明顯發熱的感覺,許多人甚至感覺不到發熱,這使得近紅外線對眼睛和皮膚等敏感組織特別危險。人的眼睛無法檢測到近紅外線,因此,不會發生眨眼或閉眼幫助預防或減少傷害。人長時間在這種含有近紅外線光譜下工作,近紅外線會提高了眼睛的內部溫度,不斷“烘烤”著人眼。

      醫學研究表明,長時間接觸紅外線會導致晶狀體,角膜和視網膜損傷,角膜潰瘍和視網膜灼傷,人眼長期受到高強度紅外線輻射會產生玻璃體渾濁,對于一些體質的人老年后容易產生白內障。

      近紅外線通過其熱輻射效應使皮膚溫度升高, 毛細血管擴張, 充血, 增加表皮水分蒸發等直接對皮膚造成不良影響。過量的紅外線輻射使得人體皮膚溫度升高, 毛細血管擴張充血, 增加表皮水分蒸發等直接對皮膚造成不良影響,皮膚會過早衰老和色素紊亂,甚至出現紅色丘疹。圖4是強近紅外線輻射引起的人體紅色丘疹照片。


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    圖4 強近紅外線輻射引起人體紅色丘疹


      2.4 各種光譜輻照度的合理值

      圖5給出了一組自然可見光譜相對強度的分布情況。從太陽光譜輻照度分布圖1和圖5可以看出,在可見光波段各光譜輻照度差別,除紫光部分小一點外,其他光譜輻照度差別不是很大,因此可在滿足GB50034-2013室內照明指標要求的條件下,對照可見波段太陽光譜輻照度的比例,構建健康照明光環境可見光譜部分輻照度大小。


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    圖5 一組自然可見光譜相對強度的分布


      在IEC 62471:2006燈與燈系統的光生物安全標準[1]中,在標準文本P29~P42頁給出了從紫外到紅外輻射對皮膚、眼睛、視網膜傷害發射限值(Hazardexposure limits),并將傷害的結果分成豁免級、低風險和中風險三個等級,表1歸納總結了標準給出的結果。


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    表1 IEC62471:2006各種光譜傷害曝光限值要求

    在IEC 62471:2006標準中,還將紫外、紅外、藍光對皮膚和眼睛的危害劃分為光譜輻照度和光譜輻亮度兩個大類,具體參數見表2(原標準為表5.4)和表3(原標準為表5.5)。照度就是視光源為一個點光源測定其投射到單位面積上的能量;亮度是把人眼作為一個點去直視光源。


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    表2對皮膚表面和視網膜發射限量(照度值為準)



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    表3 對視網膜發射限量(亮度值為準)


      這個IEC 62471:2006被歐盟采納并加嚴了部分要求后變成了EN 62471:2008,并在EC/244/2009 EUP指令中要求強制執行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 藍光危害項目,并強制執行。國內參照IEC62471:2006發布了GB/T 20145-2006,其次GB7000.1-2015也參照IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。在構造健康照明光環境非可見光譜參數值時,我們有必要遵循上述標準給出的發射限量。

    3、健康光環境光源的性能評價

      構造出了人造的照明光環境,到底這樣的光環境是不是健康照明光環境,還必須進行科學的評價。如何評價,這也是一個值得深入探討的問題。

      3.1 健康光源光譜評價

      圖6、圖7是用LightingPassport測量的某一天太陽光和普通白熾燈的R1~R15的顯色指數,同時也算出了Ra、Re。從兩圖中可以看出,某一天太陽光和普通白熾燈的R1~R15的顯色指數幾乎相同,甚至白熾燈還好一點。但如果來看它們的光譜相對強度分布圖8、圖9,很快發現某一天太陽光和普通白熾燈的光譜相對強度分布圖相差很大。


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    圖6 某一天太陽光的各種顯色指數(左)
    圖7 白熾燈的各種顯色指數(右)



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    圖8 某一天太陽光譜的相對強度分布(左)
    圖9 白熾燈光譜的相對強度分布(右)


      大家一致認同太陽光譜是最健康的光譜構成,因此營造健康光環境的光源,不僅可見光波段與太陽光譜R1~R15的顯色指數非常接近,而且相應的光譜強度分布也應大致相同,同時還要有紫外和紅外光譜,且其光譜強度也應遵循2.4所述,并占比也與太陽光大體一致??梢哉J為光源光譜強度分布圖與太陽光光譜強度分布圖吻合度大的照明產品,同時又滿足顯色指數、色溫、照度、亮度、頻閃、眩光等指標要求的照明產品應該是健康照明產品。

      因此,如果用積分球或LightingPassport測量某照明產品,其Ri(i=1~15)值與太陽光對應的Ri值每一個的差別都小于10的話,可認為該產品在光譜上是滿足健康照明光源要求的。太陽光譜的特殊顯色指數Ri(i=1~15)理論上都是100。

      3.2 健康光源光譜相對強度評價

      對于太陽光譜的分布參數,CIE有NO.20和NO.85兩個標準。GJB/T 150.7A—2009[2]與GB/T2424.14—1995采用了國際照明委員會第20號出版物CIENO.20 的太陽輻射光譜分布;GB/T1865—2009,GB/T14522—2008,GB/T 16422.1—1999則采用了CIE NO.85[3]出版物中的太陽輻射光譜。

      CIE NO.20標準中,太陽輻射光譜波長范圍設定為280~3000 nm,共劃分了19 個帶寬,紫外線和可見光區域間隔為40 nm,紅外線區域間隔大多為200 nm,總的輻照度為1120 W/m2。GJB/T 150.7A—2009 明確表示該光譜代表了海拔4~5 km 環境的光譜,且強調在海平面和高海拔地區都使用此光譜;GB/T 2424.14—1995 則籠統說是地球表面環境。

      CIE NO.85 提供了海平面的日光光譜輻照度,其大氣衰減參數:相對空氣質量為1,水蒸氣含量為1.42cm 沉積水,臭氧含量為0.34 cmSTP,地表反射率為0.2,空氣溶膠消光厚度(在λ=500 nm 處)為0.1 或0.27。它提供的海平面光譜波長范圍為305~2450 nm,104 個波長太陽光的輻照度值,紫外線區域波長間隔為5~10 nm,可見光區域和紅外線區域波長間隔為10~20 nm,紅外線區域最大波長間隔達到90 nm,總輻照度因空氣溶膠消光厚度不同而不同。當相對空氣質量為1,空氣溶膠消光厚度(在λ=500nm 處)為0.1,0.27 時,總輻照度分別為1090.40 W/m2和 1074.91 W/m2。

      為了比較不同光譜分布輻照度的大小,根據CIENO.20 和CIENO.85兩出版物的光譜分布數據統計相同帶寬的輻照度,統計結果如表4所示[4 ]。從統計結果來看,兩個標準的差別并不特別明顯。但大氣環境中許多因素會降低太陽光到達地面的光譜輻照度,因此CIE NO.85 波長范圍較窄,光譜更準確、更細致,更接近地面太陽光照射情況。


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    表4 不同出版物日光光譜輻照度


      CIENO.20 和CIE NO.85這兩個標準,在健康光源光譜相對強度評價中如何參照及具體應用,還有待筆者進一步研究。

    4、結束語

      健康照明已是照明領域的熱門話題。綜上所述,健康照明主要是指用于照明的人造光源光譜與太陽可見光譜非常接近(即仿自然光照明),R1~R15的顯色指數都大于90;光源有害光譜成分劑量在安全范圍內的前提下,光譜強度分布盡可能與太陽光譜的一致。

      照明必須滿足場所的功能性要求和人們的心理要求,既要求燈光的舒適度,又要求燈光在色溫、亮度、光與影的和諧度方面滿足人們的心理情緒。期望人們對健康照明內涵進一步明確后,能給出健康照明光環境的評價標準,為健康照明光環境的營造提供科學可靠的依據。

    參考文獻:

    [1]Reference Number CEI/IEC 62471:2006,Phtobiological safety of lamps and lamp systems[R].

    [2]GJB/T 150.7A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第7 部分: 太陽輻射試驗[S]

    [3]Commission Internationale delEclairage. CIE Publication NO.85 Solar Spectral Irradiance[R]. Paris: 52 Bd Malesherbes, F-75008, 1989.

    [4]趙立華, 唐其環.太陽輻射試驗標準中的太陽光譜分布[J].裝備環境工程. 2017,14(11):65~70.


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