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藍光溢出的危害與防治 景天燈具制造

作者:景天燈具 瀏覽:100427 發表時間:2019-09-25 11:14:23

怎樣有效定量檢測和預防LED藍光傷害 

前言:

LED燈光因其使用特性;包括其中高傳輸、高聚光及色彩變化等光學特性要求,其中藍光波長是不可或缺的光色波長。近年LED新光源因藍光芯片的產生,并配合相關的熒光材料發展成為固態白光照明用光源,除了取代生活照明需要外,3C產品及商業照明需要也幾乎完全取代以往鹵鎢光源。根據中華醫學會眼科學分會的調查:目前在中國4.2億經常上網使用3C的民眾有63.5%的民眾因藍光輻射等因素影響其視力下降;白內障、失明等分別不同程度的眼疾。此外在臺灣也有類似的數據;在臺灣教育部的調查在2016的學年度,發現學生裸視的不良率高達到68%,這些都疑似因藍光產品所造成的情況。會有以上藍光危害的照明產品目前已有建立相關「光生物傷害性的檢測機制與安全規范」,但這里會介紹專業評價的工具及有效檢測的硬件平臺,判定相關藍光傷害可能性危害。以居家或工作地點的條件為背景考慮,對于照明使用者與光源的相關條件下,設定照明燈光傷害的測試及認真執行安全規范,能夠與IEC/TR 62778、IEC60598-1相互整合,發展藍光危害測試及安全規范研究。

藍光傷害的細胞組職病理機制:

>>細胞組織:

易被短波長藍光傷害的眼部組職主要是:?黃斑部?及?水晶體?兩種。主要產生的病癥有:?黃斑部病變?及?早發性白內障?參考以下圖1及圖2

圖1 http://www.dreye.net.tw/article/view/64

圖2 http://blog.sina.com.cn/s/blog_e66fe5c60102vv5g.html

>>病理機制:

主要的病理傷害來自于短波長的藍光;具直接穿透眼內水晶體對于黃斑部及視網膜產生傷害。光譜波長與能量關系:在量子力學里,普朗克-愛因斯坦關系式闡明,光子的能量與頻率成正比:E = hν;其中,E是光子能量,h是普朗克常數,ν是光子頻率;而頻率與波長成反比,可由此推論:光譜波長越短,其能量也越高。

對于整個眼部系統對照相機的光學系統,參考下圖3的說明;可以看到出來人眼水晶體組職部位功能與相機光學構架內的鏡頭功能相同,而黃斑部與相機內負責成像的底片功能相同。因此若以藍光波長可直達到眼底黃斑部來看:這將會嚴重影響到眼部視覺圖像的成像功能,并讓人眼視覺成像功能受到迫害。

圖3眼部組職功能與相機結構做對照,及各長短波長影響人眼的組職部位的差異

>>黃斑部病變的眼部視覺狀況:

黃斑部病變或對于視力影響主要是對于眼內圖像功能的破壞,這里可分為三個時期,分別是:

正常視覺期:在黃斑部未受到破壞前,其視覺圖像的中心視野是在正常的狀況下。

輕度受損時期:這時期的黃斑部以受到傷害,因此眼部的圖像中心視野也開始產生扭曲變形。

嚴重受損時期:改時期可的眼部圖像中心視野的部份已經無法成像,造成眼部視力嚴重傷害。

以下的狀況可以參考以下圖4的相關參考畫面:

圖4黃斑部病變的視覺狀況;視覺成像功能已受影響及傷害。

受損生理細胞組職與光譜波長的關系:

人眼可視光的波長范圍在380~780nm這一段,因此在該波段范圍內為可見光輻射范圍,這范圍的光譜波長與人眼內對應的感光組織與細胞都會產生一定的光吸收的作用,以刺激視覺神經產生反應,人眼視黃素會針對特定光譜波長產生特定的吸收反應。在IEC62471的規范內已建立藍光傷害光譜函數B(λ)借此函數鎖定人眼藍光傷害的主要范圍,并乘以光源光譜輻射功率,可以換算其基本的傷害能量參數:藍光傷害輻射照度(blue light weighted irradiance;EB)以下進行各種條件下的藍光傷害,就有一個能量參數可以進行安全規范的評價:

圖5藍光傷害光譜函數B(λ)

光譜輻射定性與定量判定:

這部份主要以物理單位作為判定與分析的基礎。

圖6各式光源的光譜分布圖。

圖6各種光源于可見光光譜范圍內的變化范圍

2.定量分析:主要是以絕對光譜輻射的光功率密度量(Irradiance,Watt/m2)為定量光功率輻射的量化參數。

定量關鍵技術

風險指示單位:這部份主要是以對人眼細胞組織的光危害,做為其判定的基礎,整合以上光譜輻射的關系,可將傷害的程度作出定義。

能量(E)x時間(T)=傷害(H)

能量的部份已可以用光譜數據做好物理性的定量,可以很清楚的表達能量強弱大小,但是在實際應用上不是很容易了解,該光源能量大小、而清楚表達該光源的危險性。因此客觀的時間參數,就很容易讓使用人清楚一個危害的程度,透過時間累積越長,傷害造成的可能性也就隨之增高,因此這里會建立一個最大時間的臨界點參數tmax要在100秒以下,屬于危險性較高的光源,若是在100秒以上,其危險性較低。因此若藍光傷害的功率大小是個固定的常數;很清楚這里可以可以看出:「時間(T)」會是造成「傷害(H)」的最重要因素。這兩者參數之間是個非常清楚的正比關系,如下圖7:

所以在藍光傷害的風險檢測評價使用時間的長短變化作為對應風險大小的

圖7藍光功率固定下時間與傷害可能性是成正比的狀況

此外可參考以下IEC TR 62778的風險群組的敘述方式,如下表1:

表1藍光傷害的風險群組表

其中配合的在tmax臨界時間參數設定,能量單位是要達到藍光傷害輻射照度(blue light weighted irradiance;EB)是:

EB=1 W/m2

當EB > 0.01 W/m2的光源,

其tmax = 100 / EB(秒)

以時間tmax作為一個當量的指數,對危害高低是一個很明確的指標,因此若是當EB=1 W/m2的時候其tmax剛好等于100(秒)這就是以照射處曝光100秒做為其臨界值的原因。

光譜測試技術路線

測試實驗規劃:

實驗上規劃主要是以分光光譜系統(MK350S Premium)。做為偵測光輻射的定量與定性的裝置。

1.測試平臺:

本次測試主要是以工作區域燈光為主,因此整個測試的環境條件會考慮以下兩個條件:

>>燈光的光度單位量:光源的光度單位常在光源的使用上有明確的不同,目前我們常用光度量有亮(輝)度及照度兩種,在此單位定義下;工作區域在常規使用的光度,都是以照度為主,因為燈光主要是用在工作區域的照明及空間照明,因此這里評價就不使用亮(輝)度作為燈具的光度單位量。

>>燈光現場使用距離與人眼關系:IEC TR62471的定義里只有針對使用在普通照明的燈源,有定義其200mm測試距離條件下,已500 Lux的光度做為其臨界測試值。這適用工作燈光的條件;因為普通一盞燈光在200 mm的距離條件下,其光照度都有在500 Lux左右。當然照度的大小跟距離平方成反比變化,因此工作空間在正常標準的使用距離,有可能在200 mm的條件下使用。因此以其該工作區域所使用的正常條件下測試。其照度是否有達到500 Lux以上?若測出該光源是在500 Lux以下。其安全性并沒有太大的評價必要。距離的控制也可將該光源的藍光傷害降低,參考以下圖8:

圖8藍光傷害會與光源的距離平反成反比狀況

2.光源樣品:

根據燈具的特性,其定性的傷害的最大因子會來自光源本身的光譜與

藍光傷害的關系,同樣的在其不同的燈源產生的光譜與藍光傷害光譜函數

B(λ)會有光譜波長對應的的關系,參考下圖9:

圖9各式光源光譜及色溫與藍光傷害光譜函數B(λ)對應關系圖

基本上所有的燈源都有對人眼都有不同程度大小的藍光傷害,參考上圖

主要是因為人眼在對光色的反應有一組藍光光度的視覺反應函數

(CIE Z)而剛好這藍光光度的視覺反應函數(CIE Z)又與藍光傷害光譜函數B(λ)又有絕大部份的重迭,但人眼是屬于觀察者,傷害的部分是來自光源。因此我們這里將藍光傷害與人眼視覺反應整合成光輻射的藍光危害性能(KB,V)由此方式,可以經由在同樣的發光流明或照度的效率下,去評價不同光譜特性光輻射的藍光危害性能(KB,V)會因為該光源的光譜與藍光光度的視覺反應函數(CIE Z)與藍光傷害光譜函數B(λ)分布大小不同,產生的傷害的效率也會不同,由此可以參考下列圖10:

圖10藍光光度的視覺反應函數(CIE Z)與藍光傷害光譜函數B(λ)分布

透過圖10的結構可以將兩組參數相互結合為:

更進一步可以將藍光傷害輻射照度(blue light weighted irradiance;EB)及視覺的照度參數導入可以推算:

KB,V = EB / E(Lux,光照度)

將藍光傷害與人眼視覺反應整合成光輻射的「藍光危害性能(KB,V)」此方式,可經由同樣的發光流明或照度效率下,評價不同光譜特性光輻射藍光危害性能(KB,V)該光源光譜視覺反應函數(Photopic;Y)與藍光傷害光譜函數B(λ)分占比,傷害光譜效率也不同,由此可以參考以上圖10:

使用可KB,V可以有效的分析各種光源光譜輻射,對人眼的藍光傷害的效率高低,方便在使用高藍光效率的燈種時候,使用者會容易特別注意其使用的安全性。

2.測試參數整合:

經過以上各項參數的評價,這里將其相關的數據透過MK350S Premium的測試;有效將其藍光傷害的各項指數快速的反應在其顯示畫面的數據上,參考下圖11

圖11以MK350S Premium針對藍光傷害所做的測試分析顯示畫面

此外這三項的測試參數分別對于藍光有不同面向的意義這里可以參考以下的說明結構圖12

圖12各項藍光傷害檢測的參數及其有效的定義

簡單來說這三者參數,剛好符合產業的構架完整需要:

>>Eb測試參數:可針對LED元件及其它光源元件生產者的元件輻射功率,參考藍光傷害定量大小的數據。

>>KB,V測試參數:對于照明燈具生產者或是其他照明燈具集成商,協助判定產品帶來的藍光傷害的可能性有多少?作為改善建議值或是轉知消費者;明白藍光傷害的可能性。

>>Risk Group測試參數:由燈具生產者提供或由照明規劃設計人員在現場測試做提供;告知消費者風險危害的程度,并對此作好必要的使用安全性認知與了解。這部份可以參考以上表1藍光傷害的風險群組表內,各風險群組所對應的tmax范圍,作為燈具產品安全的使用依據。

國際通用行業規范作為藍光傷害測試依據

藍光安全規范:

光生物性安全規范:IEC 62471此規范主要定義光譜輻射的單位、發光條件及特定細胞組織的光輻射加權傷害,如B(λ)、EB等函數。

藍光視覺安全規范:IEC TR 62778以IEC 62471的定義為基礎構架下,以人眼藍光傷害為目標,配合實際燈具與人眼的相關時空條件,建立相關安全規范。

海峽兩岸對于藍光傷害所帶來的人民健康的風險危害都有一致的認同因此針對此項檢測分別參考IEC62471的內容制定以下相關的光生物性安全規范

表2兩岸及全球關于光生物性安全規范的相關商品的豪行業檢測標準

藍光傷害變化因素分析:

就以上說明藍光視覺的安全規范來看;用在一般室內照明及商業照明上已有足夠的條件可以配合,工作區域燈光使用的環境條件下,以上的規范是否完全可以一體適用?不論如何所有的光源跟人眼的關系,是有以下共通的環境條件做判定:

1.人眼關系:照明用光源傷害較小直視型(顯示或指示)光源傷害能力較高

2.時間長短:時間越長藍光傷害風險越高

3.使用距離:距離與藍光傷害可能性成反比

4.色溫高低:色溫越高每單位流明內藍光傷害占比(KB,V)越高

5.光譜輻射:藍光光譜波段占比越高(KB,V)其藍光傷害光譜范圍越大

以上五種條件基本上就有兩種與光譜輻射大小有直接的關系,其它的第1項與第3項是主要是針對光源跟空間幾何的關系。比較單純線性的參數就是第2項的時間參數、我們可以歸納成以下的圖標:

圖13整體藍光安全規范測試需要注意的相關參數

可就以上所歸納的五項參數,交互在照明上燈具注意其照明燈具的特性,以此做為降低藍光傷害的方法。

無論如何:防護人眼因光源造成的傷害;最重要的工作是在于如何做好主動檢測,因此檢測并判定有害藍光,才是能降低藍光傷害的首要的工作。目前3C商品常見的藍光傷害解決方式:

在3C商品的LED藍光元件是市場上做最大的使用群,目前有根據LED光譜的特性,主動將藍光光譜的部份作降低(參考以下圖)這是目前大

圖14主動針對藍光光譜做相對調整降低藍光危害之光譜比例圖標

部份廠商采取的方式,但可惜的是這樣的方式未必有效解決傷害的問題,反而讓使用者在使用產品上產生許多的不便,如下列:

>3C產品常用方式

>容易影響顯示色溫白平衡

>光度容易一起下降

>偏藍色系的光色容易顯示異常

>相對性產生改變未能確實的藍光定量參數的顯示

這樣的方式可以解決藍光傷害的問題,但也衍生其它原本沒有的問題。這里若能主動加上檢測狀況的告知,就能讓使用者自行判定藍光風險的程度,做好該有藍光防護策略。

結論:

藍光帶給人眼的傷害,已是全球需要共同面對的健康議題。這是全球人類因工業產品「電視」發明以來,又再一次眼睛健康受到威脅。而這一次的威脅較第一次電視發明的威脅更大;主要的因素是在于:這次藍光與我們相處的時間更長,更是無所不在。

在世界衛生組職(WHO)多次提出的警訊,如下表3的內容來看:在2006年后藍光LED產品的快速普及下,人類眼睛的健康狀況已經是不能忽視的健康危害問題。若是不盡快的改善,未來的威脅持續不斷,人類社會將會付出一筆更大的經濟損失如;保險支出、醫療照護、生產工作力大幅下降等具體的經濟損失,不論在衛生及經濟的層面上來看,都是必須要盡快處理的問題。

表3 WHO針對藍光與輻射威脅提出有關的人眼健康警告

面對這樣分布到處的藍光傷害,在沒有辦法完全隔絕的情況下;目前最好的方式就是:「主動學會如何與藍光相處減少傷害」這里有以下兩點原則:

1.看的到的傷害,就不容易造成傷害。

2.主動偵測藍光。勝過被動性的防護。

因此可以知道,若要將藍光傷害轉成顯性可見的狀況,最好的方式就是主動偵測,讓藍光傷害無所遁形,可參考下圖:

圖11有害藍光主動偵測與被動防護的差異

因此相關的3C產品廠商、照明元件生產者及其他提供照明設計的設計師,都是責無旁貸的;需要主動依照藍光測試標準做好相關的測試,并告知消費者需要注意的地方。這樣做,一來可以了解產品的規格,二來也顧到消費者的健康,并得到消費者的長期產品安全信任。這樣雙管齊下的策略就會讓原本因威脅的損失轉化成健康的經濟成長,由此危機化為藍海商機。


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