应用于儿童的LED光源的光辐射安全性评价研究

摘要

随着LED技术的高速发展，LED已经具有寿命长、体积小、高亮度、低能耗等优点，并显现出高光效、大功率、高光通量的发展趋势，使其在日常生活中（包括儿童玩具及儿童台灯中）的使用越来越普遍。LED光源的光辐射会对视网膜造成光化学危害，可能引发视网膜炎等症状，对人眼视网膜造成不可逆损伤。该类光源的光生物安全性评价问题也越来越受到产业界、普通大众和研究机构的关注，成为一个非常重要的研究课题。虽然针对LED光源的光生物安全已有GB/T20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》(等同转化CIE S009)、IEC62471等国内外标准，但该标准中光生物危害的分类、曝辐限值、测试条件及方法的设定等主要来自于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的导则，在上述导则中评价条件和参数均针对成年人而设定。目前，尚未有针对应用对象为儿童的LED光源建立专门的评价方法。
　　本文立足于将儿童眼睛生理结构上的光学特性（主要为平均光谱透过率）、最不利应用距离（儿童眼睛聚焦近点）以及儿童观察光源时的心理行为特性的差异纳入到应用对象为儿童的LED光源的光生物安全评价中，就该光源的光危害评价方法开展研究。一方面，儿童与成年人眼睛在光学特性（眼睛平均透过率及其屈光调节能力）存在差异;另一方面，儿童自身具有的明显强于成人的好奇心的心理特点，在观察光源时缺乏闪避和自我保护意识，从而使得光源对于儿童的风险性和危害性更大。这就在客观上要求对应用于儿童的LED光源进行光生物安全评价时，不能简单使用现有的标准中的评价方法，而应将上述差异纳入到评价方法中，提出一种更适合于应用对象为儿童的LED光源的光生物安全评价方法。
　　通过选取典型LED光源围绕视网膜蓝光伤害和视网膜热伤害进行针对性对比实验和分析，论证了将儿童与成人差异因素纳入到光生物安全评价中，对于同一光源的安全分类结果存在重大影响，也进一步验证了针对光源的应用对象不同，对LED光源有区别地开展光生物安全性评价的必要性。在不同条件下进行同一LED光源的对比测试和分析表明，儿童眼睛聚焦能力及观察光源时的心理行为特性引发的最不利应用距离的变化，对应用于儿童的LED光源进行安全性评价产生重大影响，并可能导致按照成人应用对象的评价认为是安全的，对儿童应用可能是不安全的，或风险成倍地显著增大。从影响因素的对比测试可以看出，成人与儿童眼睛的平均透过率的差异对光生物安全性评价的影响较小。
　　本文以应用对象为成人的光辐射安全评价方法为基础，结合儿童与成人在心理行为特性和眼睛光学特性方面的差异因素作为修正因子和测试评价条件，开展对比测试和分析，提出一种更适合应用对象为儿童的LED光源的光生物安全评价方法建议。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 光生物安全评价的国内外研究现状

1．3 本课题的研究内容和主要目标

2 光辐射与人眼伤害

2．1 光源基本特性参数

2．1．1 辐射度学和光度学

2．1．2 蓝光危害blue light hazard，BLH

2．1．3 辐照距离exposure distance

2．1．4 曝辐限值exposure limit，EL

2．1．5 眼睛运动eye movement

2．1．6 眼睛危害距离ocular hazard distance

2．1．7 光谱辐照度spectral radiance

2．1．8 光谱辐亮度(在一定波长间隔dλ内，给定点在给定方向的)spectral radianceLλ

2．2 眼睛的结构和光学特性

2．2．1 屈光部分

2．2．2 感光部分-视网膜

2．3 光生物安全性

2．4 光辐射伤害作用机理

2．4．1 光化学损伤机理

2．4．2 光的热损伤机理

2．5 常见光辐射损伤类型

2．5．1 光辐射对皮肤的危害

2．5．2 光辐射对人眼的危害

2．6 光生物安全性评价曝辐限值

2．6．1 皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限值

2．6．2 眼睛的近紫外危害曝辐限值

2．6．3 视网膜蓝光危害曝辐限值

2．6．4 视网膜蓝光危害曝辐限值(小光源)

2．6．5 视网膜热危害曝辐限值

2．6．6 眼睛的红外辐射危害曝辐限值-对微弱视觉刺激

2．6．7 眼睛的红外辐射危害曝辐限值

2．6．8 皮肤热危害曝辐限值

2．7 本章小结

3 LED光源的光辐射危害及其评价方法

3．1 LED光源的光危害类型及曝辐限值

3．1．1 LED光源的光辐射安全评价方法

3．1．2 辐照度测量方法

3．1．3 辐亮度测量方法

3．2 光辐射安全评价方法中的关键参数的设定及影响

3．2．1 测量孔径

3．2．2 最不利应用距离

3．2．3 光危害加权函数

3．2．4 视场(FOV)

3．3 现有LED光生物安全评价方法的局限性

3．4 本章小结

4 应用于儿童的LED光源光辐射安全评价方法

4．1 基本思路

4．2 儿童眼睛差异因素的引入

4．2．1 应用于儿童的LED光源的最不利观察距离的确定

4．2．2 儿童眼睛透过率差异影响因子的确定

4．3 应用于儿童LED光源光生物安全评价思路

4．4 应用于儿童的LED光源光生物安全评价方法的提出

4．4．1 评价方法测试原理图

4．4．2 应用于儿童的LED光源的光生物安全评价方法的条件设定

4．5 本章小结

5 测量和实验研究

5．1 光生物辐射安全评价测试系统

5．1．1 概述

5．1．2 系统结构组成

5．2 测试步骤

5．1．1 系统校准

5．1．2 测试距离和视场

5．1．3 辐照度和辐亮度测量

5．1．4 专用评价软件结果处理

5．3 儿童用LED光源的光生物安全评价实验思路及样品选择

5．3．1 实验思路

5．3．2 分析思路

5．3．3 测试样品选择

5．4 Par灯测量结果(大功率LED测试结果)

5．4．1 PAR灯光谱分布、亮度分布和分类结果

5．4．2 PAR灯视网膜蓝光伤害Lb测量结果

5．4．3 PAR灯视网膜热伤害(Lr)测量结果

5．5 指示用LED光源(小功率LED)测试结果

5．5．1 直插式LED光谱分布、亮度分布和分类结果

5．5．2 直插式LED光源视网膜蓝光伤害Lb测量结果

5．5．3 直插式LED光源视网膜热伤害(Lr)测量结果

5．6 本章小结

6 总结和展望

6．1 研究总结

6．2 展望

参考文献

作者简历