室內空間LED照明藍光輻射分布的測量與計算

楊春宇，何 偉，梁樹英，張青文

(重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

引言

光輻射安全是判斷室內照明是否健康的重要標準之一[1]，隨著發(fā)光二極管(LED)照明光源在室內空間被廣泛使用[2]，它的光譜分布和能量輻射特性讓人們對其健康安全性產生了擔憂。與其他光源相比，白光LED照明光源產生更多的藍光光譜[3,4]，人眼視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)中的黑色素對藍光波長有很強的吸收作用[5]，過量的藍光輻射會破壞視網(wǎng)膜的細胞組織和蛋白質結構，導致感光細胞、RPE細胞和神經節(jié)細胞凋亡[6，7]。視網(wǎng)膜損傷程度與光譜、輻射強度、輻射時間有關[8，9]。室內LED照明在正常使用的情況下不會對人眼造成傷害[10]，2019年國際照明委員會(CIE)發(fā)表了關于藍光危害的聲明，認為在合理可預見的使用狀態(tài)下，燈具是不會超出藍光危害曝光極限的[11]。盡管CIE發(fā)表聲明稱藍光對人眼是安全的，但目前缺乏關于室內照明光譜分布輻射安全的具體參數(shù)，準確評價室內照明光譜的輻射強度對于LED照明在室內的應用具有十分重要的作用。

1 藍光危害的曝輻限值

國際電工委員會(IEC)發(fā)布的IEC 62471—2006[12]和IEC/TR 62778—2012[13]將單個光源的藍光危害進行等級分類，用藍光加權輻亮度LB、輻照度EB、曝輻時間t來表征。表1為不同藍光危害等級的參數(shù)閾值。

表1 不同藍光危害等級的參數(shù)閾值

IEC 62471—2006規(guī)定普通照明光源在產生500 lx照度的距離處(其他的在距離光源200 mm處)，通過探測器測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的條件下對光源進行測量以確定其藍光危害等級[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]，只要眼睛處的藍光輻射強度不超過曝輻限值就不會引發(fā)視網(wǎng)膜損傷。在室內空間的照明環(huán)境中，照明距離、視線角度、光譜分布以及環(huán)境反射等因素都會影響視網(wǎng)膜接收到的光輻射強度。室內空間LED燈具通常安裝在天花板上，眼瞼對來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長時間直視照明光源，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制，比如通過閉眼、轉移視線、瞳孔收縮和快速眼動等應激反射行為使視網(wǎng)膜避免受到來自強光的傷害[14]。因此，采用IEC 62471—2006的評價方法評價實際使用的室內空間照明對人眼藍光輻射強度可能導致夸大的結果，在室內正?；顒拥娜藗冄劬邮盏降妮椛鋸姸葢鶕?jù)實際情況準確評估。本實驗在不同照明強度和照明距離下測量了LED照明的光譜功率分布，研究照明強度和照明距離與藍光輻射分布的關系。

2 研究方法

美國國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的角膜照度為評價標準[15]。

在實驗室模擬室內空間照明環(huán)境。實驗燈具為 LED燈管(有國家質檢合格證書)，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下進行照度標定，根據(jù)工作面的位置、人坐立時眼睛的位置、人站立時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)，設置4個光譜功率分布的實驗測點，如圖1所示，并通過設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分光輻射照度計測量不同照明條件下的光譜功率分布并分別記錄，對5 000 K 色溫LED照明光譜的藍光輻射強度進行了計算和分析(其他色溫的數(shù)據(jù)還在分析中)。

圖1 立面空間光譜測量實驗測點布置Fig.1 Layout of experimental measuring points for spectral measurement of facade space

3 實驗結果及分析

3.1 藍光輻射強度的計算

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度越大，照明距離沒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度隨著照明距離的變化等比例變化。圖3是不同照明強度下眼睛位置5 000 K LED照明的光譜功率分布，隨著照明強度的增大，眼睛位置處的光譜輻射強度增大，光譜的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波長占比越大。

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藍光輻射計算方法，藍光輻射對視網(wǎng)膜產生的光化學損傷可以通過藍光加權輻照度EB進行評估，室內空間不同位置眼睛處的藍光加權輻照度EB，是該點位置的光譜輻照度Eλ與藍光危害函數(shù)B(λ)加權積分后的能量，可以通過式(1)計算得出該視點藍光加權輻照度。

(1)

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

3.2 數(shù)據(jù)分析和討論

通過式(1)計算出不同照明距離和照度下眼睛位置5 000 K LED照明的藍光加權輻照度，結果見表2，通過軟件進行數(shù)據(jù)擬合和圖表分析，結果見圖4。

表2 5 000 K LED照明藍光加權輻照度

表2中，de是測點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度下眼睛位置的藍光加權輻照度Fig.4 Blue light weighted irradiance at different illumination distances and intensity

從圖4和表2可以看出，室內照明光源對眼睛的藍光輻射強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，眼睛接收到的藍光輻射強度越大?？偟膩碚f，人在正常坐立的情況下，眼睛位置的藍光輻射強度處于較低的水平，在300 lx桌面照度下，藍光加權輻射強度僅為0.041 W/m2，桌面照度為3 000 lx時，藍光輻射強度為0.36 W/m2，均遠遠低于IEC 62471—2006規(guī)定的1 W/m2藍光輻射的安全限值，屬于無危險級別。站立時眼睛接收到的藍光輻射強度比坐立時更大，在300 lx桌面照度時為0.052 W/m2，在3 000 lx桌面照度時為0.48 W/m2，仍處于藍光輻射的安全限值內。對于特定的建筑空間，通常燈具安裝完成后照明距離是確定的，照明距離對于眼睛的藍光輻射強度影響不會變化。

在光照強度方面，當桌面照度為300 lx時，人坐立眼睛位置的藍光輻射強度為0.041 W/m2，桌面照度增加到3 000 lx時，人坐立眼睛位置的藍光輻射強度增大到0.36 W/m2，照明強度的增加會導致藍光輻射強度的顯著增大。當桌面照度為3 000 lx，在不直視光源的情況下，人站立時眼睛位置的藍光輻射強度也不超過0.48 W/m2，屬于安全限值內?？偟膩碚f，在正常情況下人們在室內坐立或走動，只要不長時間直視光源，室內5 000 K色溫LED照明對眼睛的藍光輻射強度均在安全限值內。

4 結論

目前建筑室內越來越多地運用LED光源進行照明[16]，由于其光譜特性引發(fā)了人們對眼部健康潛在危害的擔憂，準確評價室內LED照明對眼睛是否存在危害就顯得非常重要。在不同照明強度和照明距離下測量了LED照明的光譜功率分布并計算得出藍光輻射強度。實驗結果表明：

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

2)色溫為5 000 K 的常規(guī)室內空間LED照明，在照度不超過3 000 lx時藍光輻射強度在安全限值內。其他色溫與照度的關系數(shù)據(jù)還有待進一步分析。