«Синяя опасность» и осветительные установки
В задаче построения оптимальной осветительной установки (ОУ) проблема воздействия синего света на человека (световой ретинит) и его специфика обсуждается в последнее время весьма интенсивно [1–13]. Это связано с тем, что развитие светодиодного освещения обязано в первую очередь прогрессу холодного белого светодиода, в котором получена наибольшая световая отдача при максимальном ресурсе [14]. Между тем этот источник света имеет в своей основе гетероструктуру InGaN/GaN, генерирующую синее излучение (l = 400–470 нм), составляющее значительную часть в общем потоке белого света. Во всех экспериментах, связанных с изучением биологического и фотохимического воздействия видимого излучения, световые приборы на базе холодного белого света принято считать потенциально опасными.
Воздействие синего света в связи с созданием ОУ сейчас рассматривается в двух аспектах:
- воздействие синего излучения на гормональную динамику человека и его циркадные ритмы;
- фотохимическое повреждение сетчатки глаза от хронического облучения «синим светом».
Первый аспект частично рассмотрен в нашей публикации «К расчету светотехнических установок, учитывающих циркадианные эффекты освещения» [15], где в том числе сформулированы некоторые вопросы, подлежащие уточнению.
Второй аспект получил конкретную трактовку начиная еще с 1996 года, в виде стандартов [5–8], где приведены дозы и уровни эффективной энергетической яркости излучения, опасные для сетчатки глаза.
Работы по изучению указанного воздействия продолжаются в МКО и приводятся в последних публикациях. К сожалению, пока все попытки снизить уровень синего света с помощью различных люминофоров и получения Тцв< 6000 К приводят к снижению световой отдачи.
Прежде чем оценить «синюю опасность» в реальных осветительных установках, отметим два способа снижения яркости синего света в ОУ со светодиодами (СД). Первый способ — различные конструктивные меры удаления люминофора с кристалла, за счет чего уменьшается плотность излучения люминофора, нанесенного либо на колбу лампы, либо на выходную поверхность осветительного прибора [16, 17]. Другой способ снижения плотности излучения светящейся поверхности — применение менее мощных (< 1 Вт) светодиодов, благодаря которым можно создать менее яркую (сейчас на 1,5 порядка величин) поверхность излучения [18].
Ниже мы попытались оценить степень опасности синего света в ОП, применяемых в ОУ внутреннего освещения; оценки проводились по стандартам [5–8]. Согласно указанным стандартам для защиты сетчатки от фотохимического повреждения эффективная энергетическая яркость источника света LB[Дж·м-2·ср-1], оцененная по спектральной функции опасности синего света, не должна превышать уровня, определенного по формулам:
где Ll(l, t) — спектральная энергетическая яркость [Вт∙м-2 ∙ср-1 ∙нм-1], B(l) — спектральная относительная функция опасности синего света
[отн. ед.], Dl — ширина полосы [нм], t — время облучения в секундах.
Для LB, превышающей 100 Вт·м-2·ср-1, максимально допустимое время облучения tmax в секундах должно подсчитываться по формуле:
tmax = 106/LB. (2)
Спектральная относительная функция опасности синего света В(l) представлена в таблице 1 и на рисунке совместно с функцией тепловой опасности для сетчатки глаза R(l) [5–8].
Длина волны, нм |
Функция опасности синего света В(λ) |
300 |
0,01 |
305 |
0,01 |
310 |
0,01 |
315 |
0,01 |
320 |
0,01 |
325 |
0,01 |
330 |
0,01 |
335 |
0,01 |
340 |
0,01 |
345 |
0,01 |
350 |
0,01 |
355 |
0,01 |
360 |
0,01 |
365 |
0,01 |
370 |
0,01 |
375 |
0,01 |
380 |
0,01 |
385 |
0,013 |
390 |
0,025 |
395 |
0,05 |
400 |
0,10 |
405 |
0,20 |
410 |
0,40 |
415 |
0,80 |
420 |
0,90 |
425 |
0,95 |
430 |
0,98 |
435 |
1,0 |
440 |
1,0 |
445 |
0,97 |
450 |
0,94 |
455 |
0,90 |
460 |
0,80 |
465 |
0,70 |
470 |
0,62 |
475 |
0,55 |
480 |
0,45 |
485 |
0,40 |
490 |
0,22 |
495 |
0,16 |
500–600 |
10 [(450–λ)/50] |
600–700 |
0,001 |
Эффективная энергетическая яркость синего света LB от ОП, принимаемого за равнояркий излучатель с углом излучения 120° (наиболее часто встречающийся случай в практике ОП для внутреннего освещения), определялась как:
где f(l) — спектральное распределение энергии излучения источника света (ИС) в ОП в диапазоне 300–700 нм в относительных единицах, [нм-1]; B(l) — рисунок и таблица 1; а — нормирующий множитель [Вт], определенный нами для каждого ОП со световым потоком 1000 лм, Вт/1000 лм; Sсв — площадь выходного отверстия ОП, м2.
В дальнейших расчетах площадь выходного отверстия осветительных приборов принимается различной для трех групп ОП, используемых в установках внутреннего освещения:
- I группа: ОП с СД и ЛЛ;
- II группа: ОП с КЛЛ;
- III группа: ОП с МГЛ и ДНаТ.
В таблице 2 приведены оценки фотобиологической «синей опасности» излучения ОП с различными ИС [5–8]. Как можно видеть из таблицы 2, превышение допустимой стандартами [5–8] дозы синего света при величинах светового потока ОП 20 000 лм и более наблюдается для ОП с ИС, имеющими Тцв > 6000 К.
Тип ОП |
Цветовая температура, К |
Световой поток Ф, лм |
Актиничный поток «синей опасности» Fсин, Вт |
Актиничная энергетическая яркость синего света LВ*, Вт×м-2×ср-1 |
Уровень дозы облучения синим светом LВ ×t, Дж×м-2×ср-1(t = 8 час) |
Примечание |
ОП с СД ХБ** |
6900 |
1000 10 000 20 000 |
1,23 12,3 24,4 |
1,45 14,5 29,0 |
41 760 417 600 835 200 |
– |
ОП с СД ХБ*** |
6900 |
1000 10 000 20 000 |
1,23 12,3 24,4 |
2,90 29,0 58,0 |
83 520 835 200 1 670 400 |
– – Превышение допустимой дозы |
ОП с СД НБ** |
5200 |
1000 10 000 20 000 |
0,69 6,90 13,8 |
0,75 7,5 15,0 |
21 600 216 000 432 000 |
– – – |
ОП с СД ТБ** |
3250 |
1000 10 000 20 000 |
0,51 5,10 10,20 |
0,6 6,0 12 |
17 280 172 800 345 600 |
– – |
ОП с СД ТБ** |
2890 |
1000 10 000 20 000 |
0,23 2,30 4,6 |
0,27 2,7 5,4 |
7776 77 760 155 520 |
– – – |
ОП с ЛЛ** |
6200 |
1000 10 000 20 000 |
0,72 7,20 14,4 |
0,84 8,4 16,8 |
24 192 241 929 483 840 |
– – – |
ОП с ЛЛ** |
4100 |
1000 10 000 20 000 |
0,67 6,7 13,4 |
0,79 7,9 15,2 |
23 616 236 160 437 920 |
– – – |
ОП с КЛЛ**** |
2700 |
1000 10 000 – |
0,43 4,30 – |
2,0 20 – |
57 600 576 000 – |
– – – |
ОП с МГЛ*** |
6000 |
1000 10 000 20 000 |
0,75 7,50 15,0 |
1,76 17,6 35,2 |
50 688 506 880 1 013 760 |
– – Превышение допустимой дозы |
ОП с МГЛ*** |
4200–4500 |
1000 10 000 20 000 |
0,50 5,0 10,0 |
1,17 11,7 23,52 |
33 696 336 960 677 376 |
– – – |
ОП с Na-лампой в.д.*** |
2050 |
1000 10 000 20 000 |
0,15 1,50 3,00 |
0,36 3,5 7,00 |
10 080 100 800 201 600 |
– – – |
Примечания. * КСС ОП по Ламберту; ** площадь светящейся части ОП принята равной 0,36 м2; *** площадь светящейся части ОП принята равной 0,18 м2; **** площадь светящейся части ОП принята равной 0,09 м2.
Однако эти оценки касаются практически одного источника опасности — ОП и, как нам представляется, при совершенно невероятных условиях работы зрительного аппарата: наблюдатель, не отрываясь, пристально рассматривает яркий излучатель в течение нескольких часов. Такая перестраховка может быть не совсем оправдана.
Для некоторых уточнений выше приведенных расчетов мы попытались оценить опасность не отдельно взятого ОП, а их совокупности в виде ОУ с варьируемым уровнем освещенности и ОП с разными источниками излучения [15].
Для упрощения оценок сравнивались дозы, оцененные по вертикальной облученности для «синей опасности» в рассматриваемых ОУ и потенциально опасная доза, полученная авторами [19] на приматах в области длин волн 450–460 нм.
Тип ОП |
Цветовая температура, К |
Горизонтальная освещенность Ег, лк |
Вертикальная освещенность на роговице глаза, *Ев, лк |
Эффективная облученность «синей опасности», εсин, Вт/м2 |
Результаты |
|
Экспозиция 8 ч, εсинt (±50), Дж/м2 |
Доза облучения, вызывающая повреждение сетчатки [9], Дж/см2 |
|||||
ОУ с СД ХБ |
6900 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,12 0,18 0,36 |
3500 5200 10 400 |
30–40 |
ОУ с СД НБ |
5200 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,07 0,11 0,22 |
2000 3000 6000 |
|
ОУ с СД ТБ |
3250 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,06 0,09 0,18 |
1700 2600 5200 |
|
ОУ с СД ТБ |
2890 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,04 0,05 0,11 |
1100 1400 3200 |
|
ОУ с ЛЛ |
6200 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,09 0,13 0,27 |
2600 3700 7800 |
|
ОУ с ЛЛ |
4100 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,08 0,12 0,24 |
2300 3500 6900 |
|
ОУ с КЛЛ |
2700 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,04 0,06 0,12 |
1100 1700 3500 |
|
ОУ с МГЛ |
6000 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,10 0,15 0,30 |
2900 4300 8600 |
|
ОУ с МГЛ |
4200–4500 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,06 0,09 0,20 |
1700 2600 5800 |
|
ОУ с Na-лампой в. д. |
2050 |
300 500 1000 |
100 150 300 |
0,02 0,03 0,06 |
580 860 1700 |
Примечание. * КСС ОП принята по Ламберту.
Из таблицы 3 следует, что разница в дозах при Тцв > 6000 К достигает почти порядка величин. Это практически совпадает с выводами, сделанными в недавней работе [20], а также говорит о возможности снижения запретов по стандартам [5–8].
Заключение
Следует заметить некоторую условность приведенных расчетов:
- Такого рода фотохимические реакции при определенных условиях являются необратимыми. При систематическом ежедневном облучении могут накапливаться негативные последствия в сетчатке глаза. В [5–8] эти условия не оговорены.
- Следует особо отметить, что авторы [5–8] нигде не указывают на наличие доказательства спектральной аддитивности параметра В(l), а также на диапазон параметров (облученность и время), при которых справедливо равенство Е1t1 = Е2t2. В [15] мы отмечали эти недостатки при оценках действия полихроматических ИС на циркадные функции. В последующих редакциях стандартов [5–8] подобные неясности должны быть устранены.
Отметим также, что фотобиологи считают необходимым продолжить указанные в [9] эксперименты, чтобы создать более прочную базу при разработке стандартов, расширив адекватную информацию по приматам.
- В. В. Бомель, Г. Ван ден Бельд, В. Ван Оойжен. Промышленное освещение и производительность труда // Светотехника. 2003. № 1.
- Дж. К. Брейнард, К. А. Бернекер. Влияние света на физиологию и поведение человека // Светотехника. 1996. № 1-2.
- Вейч Д. Свет, освещение и здоровье — вопросы для рассмотрения // Светотехника. 2005. № 6.
- Бойс П. Свет и здоровье // Светотехника. 2006. № 2.
- Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). ANSI/IESNA RP-27-96, Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamps and Lamp Systems. New York: IESNA. 1996.
- CIE S 009 /E:2002«Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems».
- Стандарт МЭК 62471:2006 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».
- ГОСТ Р МЭК/ТО 60825-9-2009 «Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 9. Компиляция максимально допустимой экспозиции некогерентного оптического излучения».
- Dirk van Norren and Тheo G. M. F. Gorgels. The Action Spectrum of Photochemical Damage to the Retina: A Review of Monochromatic Threshold Data // Photochemistry and Photobiology // 2011 87.
- Мурашова М. А., НикифоровС. Г. , Шищенко И. И. Исследование фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов // Сборник трудов ученых ОАО «ВНИИЖТ» Проблемы железнодорожного транспорта, задачи и пути их решения. Москва, 2012.
- Зак П. П., Островский М. А. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника. 2012. № 3.
- Барцев А. А., Беляев Р. И., Столяревская Р. И. Методика измерения физиологически эффективной яркости опасного синего изучения осветительного прибора // Светотехника. 2013. № 2.
- Закгейм А. Л. Светодиодные системы освещения: энергоэффективность, зрительное восприятие, безопасность для здоровья (обзор) // Светотехника. 2012. № 6.
- www.cree.com
- Сарычев Г. С., Гаврилкина Г. Н., Пудиков И. В. К расчету светотехнических установок, учитывающих циркадианные эффекты освещения // Полупроводниковая светотехника. 2013. № 4.
- Митрофанов А. В., Орловский В. Н., Холодилов В. И. Световые приборы с голубыми светодиодами и люминофором в защитном стекле // Светотехника. 2008. № 4.
- Сарычев Г. С., Сысун В. В. Светодиодная лампа белого свечения// Патент № 2 408 816, зарегистрирован в Госреестре 10 января 2011 г.
- www.LEDRU.RU
- Ham W. T., Jr. H. A. Mueller and D. H. Sliney (1976). Retinal sensitivity to damage from short wavelength light. Nature 260.
- S. Berman, R. Clear. Another blue light hazard // Lighting Design + Application (LD + A). March, 2013.