Как светодиодите влияят на зрението?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Статията разглежда условията за образуване на излишна доза синя светлина при LED осветление. Показано е, че оценките на фотобиологичната безопасност, извършени в съответствие с GOST R IEC 62471-2013, трябва да бъдат изяснени, като се вземе предвид промяната в диаметрите на зеницата на окото при LED осветление и пространственото разпределение на светлината -поглъщащ синя светлина (460 nm) пигмент в макулата на ретината.

Представени са методическите принципи за изчисляване на излишната доза синя светлина в спектъра на LED осветлението спрямо слънчевата светлина. Посочено е, че днес в САЩ и Япония концепцията за LED осветление се променя и се създават светодиоди с бяла светлина, които минимизират рисковете от увреждане на човешкото здраве. По-специално в Съединените щати тази концепция се простира не само до общото осветление, но и до компютърните монитори и автомобилните фарове.

В днешно време LED осветлението се въвежда все повече в училища, детски градини и лечебни заведения. За оценка на фотобиологичната безопасност на LED осветителни тела, GOST R IEC 62471-2013 „Лампи и лампови системи. Фотобиологична безопасност“. Той е изготвен от Държавното унитарно предприятие на Република Мордовия „Научно-изследователски институт по източници на светлина на името на A. N. Лодигин "(Държавно унитарно предприятие на Република Мордовия NIIIS на име AN Lodygin") въз основа на собствен автентичен превод на руски език на международния стандарт IEC 62471: 2006 "Фотобиологична безопасност на лампи и лампови системи" (IEC 62471: 2006 "Фотобиологична безопасност на лампи и лампови системи ") и е идентична с нея (вижте точка 4. GOST R IEC 62471-2013).

Такъв трансфер на стандартното изпълнение предполага, че Русия няма собствена професионална школа за фотобиологична безопасност. Оценката на фотобиологичната безопасност е изключително важна за осигуряване на безопасността на децата (поколение) и намаляване на заплахите за националната сигурност.

Сравнителен анализ на слънчево и изкуствено осветление

Оценката на фотобиологичната безопасност на светлинния източник се основава на теорията за рисковете и методологията за количествено определяне на пределните стойности на излагане на опасна синя светлина върху ретината. Граничните стойности на показателите за фотобиологична безопасност се изчисляват за определена граница на експозиция с диаметър на зеницата от 3 mm (площ на зеницата 7 mm2). За тези стойности на диаметъра на зеницата на окото се определят стойностите на функцията B (λ) - претеглената спектрална функция на опасност от синя светлина, чийто максимум попада в диапазона на спектралното излъчване от 435-440 nm.

Теорията за рисковете от негативни ефекти на светлината и методологията за изчисляване на фотобиологичната безопасност е разработена на базата на фундаменталните статии на основателя на фотобиологичната безопасност на изкуствените източници на светлина д-р Дейвид Х. Слини.

Дейвид Х. Слини дълги години е служил като управител на отдел в Центъра за промоция на здравето и превантивна медицина на американската армия и е ръководил проекти за фотобиологична безопасност. През 2007 г. приключва службата си и се пенсионира. Неговите изследователски интереси се фокусират върху теми, свързани с UV излагане на очите, лазерно лъчение и взаимодействия с тъкани, лазерни опасности и използването на лазери в медицината и хирургията. Дейвид Слини е служил като член, консултант и председател на множество комисии и институции, които са разработили стандарти за безопасност за защита срещу нейонизиращо лъчение, по-специално лазери и други високоинтензивни източници на оптично излъчване (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO, NCRP и ICNIRP). Той е съавтор на Наръчника за безопасност с лазери и други оптични източници, Ню Йорк, 1980 г. От 2008-2009 г. д-р Дейвид Слини е президент на Американското дружество по фотобиология.

Основните принципи, разработени от Дейвид Слини, са в основата на съвременната методология за фотобиологична безопасност на изкуствените източници на светлина. Този методологичен модел автоматично се прехвърля към LED източници на светлина. Той събра голяма галактика от последователи и студенти, които продължават да разширяват тази методология до LED осветление. В своите писания те се опитват да обосноват и популяризират LED осветлението чрез класификацията на рисковете.

Работата им се поддържа от Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и други производители на LED осветление. В момента областта на интензивни изследвания и анализ на възможностите (и ограниченията) в областта на LED осветлението включва:

• правителствени агенции като Министерството на енергетиката на САЩ, Министерството на енергетиката на Руската федерация;

• обществени организации като Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Association (IDA) и NP PSS RF;

• най-големите производители Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и

Руски производители Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• както и редица изследователски институти, университети, лаборатории: Център за изследване на осветлението към Политехническия институт Ренселаер (LRC RPI), Национален институт по стандарти и технологии (NIST), Американски национален стандартен институт (ANSI), както и NIIIIS im. АН Лодигин“, ВНИСИ им. S. I. Вавилов.

От гледна точка на определяне на свръхдоза синя светлина, интерес представлява работата „Оптично безопасно LED осветление“(CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper optical safe LED lighting_Final_July2011). Този европейски доклад сравнява спектрите на слънчевата светлина с изкуствени източници на светлина (нажежаема жичка, флуоресцентни и LED лампи) в съответствие с изискването на EN 62471. През призмата на съвременната парадигма на хигиенната оценка разгледайте данните, представени в този европейски доклад, за да определите излишния дял на синя светлина в спектъра на LED бял източник на светлина. На фиг. 1 показва спектралния модел на светодиод с бяла светлина, който се състои от кристал, излъчващ синя светлина, и жълт фосфор, с който е покрит, за да произвежда бяла светлина.

На фиг. 1. Посочени са и референтните точки, на които хигиенистът трябва да обърне внимание, когато анализира спектъра на светлината от всеки източник. От тази гледна точка разгледайте спектрите на слънчевата светлина (фиг. 2).

Фигурата показва, че в диапазона на цветовата температура от 4000 K до 6500 K се спазват условията на "меланопсиновия кръст". В енергийния спектър на светлината амплитудата (A) при 480 nm винаги трябва да бъде по-голяма от амплитудата при 460 nm и 450 nm.

В същото време дозата на синя светлина 460 nm в спектъра на слънчевата светлина с цветна температура 6500 K е с 40% по-висока от тази на слънчевата светлина с цветна температура 4000 K.

Ефектът на "меланопсиновия кръст" е ясно видим от сравнението на спектрите на лампи с нажежаема жичка и LED лампи с цветна температура 3000 K (фиг. 3).

Излишният дял на синята светлина в спектъра на LED спектъра спрямо дела на синята светлина в спектъра на лампа с нажежаема жичка надвишава повече от 55%.

Имайки предвид горното, нека сравним слънчевата светлина при Tc = 6500 K (6500 K е граничната цветова температура за ретината според Дейвид Слини, а според санитарните стандарти е по-малка от 6000 K) със спектъра на лампа с нажежаема жичка Tc = 2700 K и спектъра на LED лампа с Tc = 4200 K при ниво на осветеност 500 lux. (фиг. 4).

Фигурата показва следното:

- LED лампа (Tc = 4200 K) има излъчване с 460 nm повече от слънчевата светлина (6500 K);

- в светлинния спектър на LED лампа (Tc = 4200 K), спадът при 480 nm е с порядък (10 пъти) по-голям, отколкото в спектъра на слънчевата светлина (6500 K);

- в светлинния спектър на LED лампа (Tc = 4200 K) спадът е 480 nm няколко пъти по-голям, отколкото в светлинния спектър на лампа с нажежаема жичка (Tc = 2700 K).

Известно е, че при LED осветление диаметърът на зеницата на окото надвишава граничните стойности - 3 mm (площ 7 mm2) съгласно GOST R IEC 62471-2013 „Лампи и лампови системи. Фотобиологична безопасност“.

От данните, показани на фиг. 2, може да се види, че дозата от 460 nm синя светлина в спектъра на слънчевата светлина за цветна температура от 4000 K е много по-малка от дозата от 460 nm синя светлина в спектъра на слънчевата светлина при цветна температура 6500 К.

От това следва, че дозата от 460 nm синя светлина в спектъра на LED осветление с цветна температура 4200 K значително (с 40%) ще надвиши дозата от 460 nm синя светлина в спектъра на слънчевата светлина с цветна температура от 4000 K при същото ниво на осветеност.

Тази разлика между дозите е излишната доза синя светлина при LED осветление спрямо слънчевата светлина със същата цветова температура и дадено ниво на осветеност. Но тази доза трябва да бъде допълнена с доза синя светлина от ефекта на неадекватния контрол на зеницата при условия на LED осветление, като се вземе предвид неравномерното разпределение на пигментите, които абсорбират 460 nm синя светлина по обем и площ. Това е прекомерна доза синя светлина, която води до ускоряване на процесите на деградация, които увеличават рисковете от ранно зрително увреждане в сравнение със слънчевата светлина, при равни други условия (определено ниво на осветеност, цветова температура и ефективна работа на макулната ретина и др.)

Физиологични особености на структурата на окото, засягащи безопасното възприемане на светлината

Защитната верига на ретината се формира на слънчева светлина. Със спектъра на слънчевата светлина има адекватен контрол на диаметъра на зеницата на окото за затваряне, което води до намаляване на дозата слънчева светлина, достигаща до клетките на ретината. Диаметърът на зеницата при възрастен варира от 1,5 до 8 mm, което осигурява промяна в интензитета на падащата върху ретината светлина с около 30 пъти.

Намаляването на диаметъра на зеницата на окото води до намаляване на площта на светлинната проекция на изображението, което не надвишава площта на "жълтото петно" в центъра на ретината. Защитата на клетките на ретината от синя светлина се осъществява от пигмента на макулата (с абсорбционен максимум 460 nm) и образуването на който има своя собствена еволюционна история.

При новородени зоната на макулата е светложълта на цвят с неясни контури.

От тримесечна възраст се появява макулен рефлекс и интензивността на жълтия цвят намалява.

До една година се определя фовеоларният рефлекс, центърът става по-тъмен.

На възраст от три до пет години жълтеникавият тон на зоната на макулата почти се слива с розовия или червения тон на централната област на ретината.

Зоната на макулата при деца на възраст 7-10 години и повече, както и при възрастни, се определя от аваскуларната централна зона на ретината и светлинните рефлекси. Концепцията за "макулно петно" възниква в резултат на макроскопско изследване на трупни очи. На планарните препарати на ретината се вижда малко жълто петно. Дълго време химическият състав на пигмента, който оцветява тази област на ретината, беше неизвестен.

В момента са изолирани два пигмента – лутеин и лутеиновият изомер зеаксантин, които се наричат макулен пигмент, или макулен пигмент. Нивото на лутеин е по-високо в местата с по-висока концентрация на пръчици, нивото на зеаксантин е по-високо в местата с по-висока концентрация на шишарки. Лутеинът и зеаксантинът принадлежат към семейството на каротеноидите, група естествени растителни пигменти. Смята се, че лутеинът има две важни функции: първо, той абсорбира синя светлина, която е вредна за очите; второ, той е антиоксидант, блокира и премахва реактивните кислородни видове, образувани под въздействието на светлината. Съдържанието на лутеин и зеаксантин в макулата е неравномерно разпределено в областта (максимум в центъра и няколко пъти по-малко в краищата), което означава, че защитата срещу синя светлина (460 nm) е минимална по краищата. С възрастта количеството на пигментите намалява, те не се синтезират в организма, те могат да се набавят само от храната, така че цялостната ефективност на защитата от синя светлина в центъра на макулата зависи от качеството на храненето.

Ефектът от неадекватния контрол на зениците

На фиг. 5 е обща схема за сравняване на проекциите на светлинното петно на халогенна лампа (спектърът е близък до слънчевия) и LED лампа. При LED светлината площта на осветяване е по-голяма, отколкото при халогенна лампа.

Разликата в разпределените области на осветеност се използва за изчисляване на допълнителна доза синя светлина от ефекта на неадекватно управление на зеницата при условия на LED осветление, като се вземе предвид неравномерното разпределение на пигментите, които абсорбират 460 nm синя светлина по обем и площ. Тази качествена оценка на излишния дял на синя светлина в спектъра на белите светодиоди може да се превърне в методологична основа за количествени оценки в бъдеще. Въпреки че от това става ясно техническото решение за необходимостта от запълване на празнината в района от 480 nm до нивото на елиминиране на ефекта на "меланопсин кръст". Това решение е формализирано под формата на свидетелство за изобретател (LED бял източник на светлина с комбиниран дистанционен фотолуминесцентен конвектор. Патент № 2502917 от 30.12.2011 г.). Това гарантира приоритета на Русия в областта на създаването на LED източници на бяла светлина с биологично адекватен спектър.

За съжаление, експертите на Министерството на промишлеността и търговията на Руската федерация не приветстват тази посока, което е причината да не се финансира работата в тази посока, която се отнася не само до общото осветление (училища, родилни домове и др.), но и също и подсветката на монитори и фарове на автомобила.

При LED осветление възниква неадекватен контрол на диаметъра на зеницата на окото, което създава условия за получаване на излишна доза синя светлина, което се отразява негативно на клетките на ретината (ганглиозни клетки) и нейните съдове. Отрицателният ефект от прекомерната доза синя светлина върху тези структури беше потвърден от работата на Института по биохимична физика. Н. М. Емануел RAS и FANO.

Идентифицираните по-горе ефекти от неадекватния контрол на диаметъра на зеницата на окото се отнасят за флуоресцентни и енергоспестяващи лампи (фиг. 6). В същото време има увеличен дял на UV светлина при 435 nm („Оптична безопасност на LED осветление“CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA позиционна хартия за оптична безопасност LED осветление_Final_July2011)).

В хода на експерименти и измервания, проведени в американски училища, както и в руски училища (Научноизследователски институт по хигиена и защита на здравето на деца и юноши, SCCH RAMS), беше установено, че с намаляване на корелираната цветова температура на изкуствените източници на светлина, диаметърът на зеницата на окото се увеличава, което създава предпоставки за негативно излагане на синя светлина върху клетките и кръвоносните съдове на ретината. С увеличаване на корелираната цветова температура на изкуствените източници на светлина, диаметърът на зеницата на окото намалява, но не достига стойностите на диаметъра на зеницата при слънчева светлина.

Прекомерната доза UV синя светлина води до ускоряване на процесите на разграждане, което увеличава рисковете от ранно зрително увреждане в сравнение със слънчевата светлина, при равни други условия.

Повишената доза синьо в спектъра на LED осветлението влияе върху човешкото здраве и функционирането на зрителния анализатор, което увеличава рисковете от увреждане на зрението и здравето в трудоспособна възраст.

Концепцията за създаване на полупроводникови източници на светлина с биологично адекватна светлина

За разлика от консерватизма на експертите от Министерството на промишлеността и търговията на Руската федерация и Иновационния център „Сколково“, концепцията за създаване на полупроводникови източници на бяла светлина с биологично адекватна светлина, култивирана от авторите на статията, печели привърженик по целия свят. свят. Например в Япония Toshiba Material Co., LTD създаде светодиоди, използвайки технологията TRI-R (фиг. 7).

Такава комбинация от виолетови кристали и фосфори позволява да се синтезират светодиоди със спектри, близки до спектъра на слънчевата светлина с различни цветови температури, и да се премахнат горните недостатъци в спектъра на LED (син кристал, покрит с жълт фосфор).

На фиг. осем.представя сравнение на спектъра на слънчевата светлина (TK = 6500 K) със спектрите на светодиодите, използващи TRI-R технология и технология (син кристал, покрит с жълт фосфор).

От анализа на представените данни може да се види, че в спектъра на бялата светлина на светодиодите, използващи TRI-R технологията, разликата при 480 nm е елиминирана и няма излишна синя доза.

Така че провеждането на изследвания за идентифициране на механизмите на ефекта на светлината от определен спектър върху човешкото здраве е държавна задача. Пренебрегването на тези механизми води до разходи за милиарди долари.

заключения

Санитарните правила записват норми от технически нормативни документи за осветление, чрез превод на европейски стандарти. Тези стандарти се формират от специалисти, които не винаги са независими и провеждат собствена национална техническа политика (национален бизнес), която често не съвпада с националната техническа политика на Русия.

При LED осветление възниква недостатъчен контрол на диаметъра на зеницата на окото, което поставя под съмнение правилността на фотобиологичните оценки съгласно GOST R IEC 62471-2013.

Държавата не финансира напреднали изследвания за въздействието на технологиите върху човешкото здраве, поради което хигиенистите са принудени да адаптират нормите и изискванията към технологиите, които се насърчават от бизнеса с трансферни технологии.

Техническите решения за разработване на LED лампи и компютърни екрани трябва да вземат предвид осигуряването на безопасността на очите и човешкото здраве, да вземат мерки за премахване на ефекта на "меланопсиновия кръст", който се появява за всички съществуващи в момента енергоспестяващи източници на светлина и фоново осветление устройства за показване на информация.

При LED осветление с бели светодиоди (син кристал и жълт фосфор), които имат празнина в спектъра при 480 nm, има недостатъчен контрол на диаметъра на зеницата на окото.

За родилни домове, детски институции и училища трябва да се разработят лампи с биологично адекватен спектър на светлината, като се вземат предвид характеристиките на детското зрение, които да преминат задължително хигиенно сертифициране.

Накратко заключения от редактора:

1. Светодиодите излъчват много ярко в синьо и близо до UV области и много слабо в синьо.

2. Окото „измерва“яркостта, за да стесни зеницата с нивото на не син, а син цвят, който на практика липсва в спектъра на бял светодиод, следователно окото „мисли“, че е тъмно и отваря зеницата по-широко, което води до факта, че ретината получава много пъти повече светлина (синя и UV), отколкото когато е осветена от слънцето, и тази светлина „изгаря” светлочувствителните клетки на окото.

3. В този случай излишъкът от синя светлина в окото води до влошаване на яснотата на изображението. върху ретината се образува картина с ореол.

4. Окото на децата е около порядък по-прозрачно до синьо от това на възрастните хора, следователно процесът на "изгаряне" при децата е в пъти по-интензивен.

5. И не забравяйте, че светодиодите не са само осветление, но вече почти всички екрани.

Ако дадем още едно изображение, тогава увреждането на очите от светодиодите е подобно на слепота в планината, която възниква от отражението на UV от снега и е по-опасна само при облачно време.

Възниква въпросът какво да правя за тези, които вече имат LED осветление, както обикновено, от светодиоди с неизвестен произход?

Два варианта идват на ум:

1. Добавете допълнителна синя светлина (480nm) осветление.

2. Поставете жълт филтър върху лампите.

Първият вариант ми харесва повече, т.к има в продажба сини (светлосини) LED ленти с 475nm излъчване. Как можете да проверите каква е действителната дължина на вълната?

Вторият вариант ще "изяде" част от светлината и лампата ще бъде по-тъмна и освен това не е известно каква част от синьото ще премахнем.