«Синяя опасность» и осветительные установки

№ 2(28)’2014
PDF версия
В работе оценена «синяя опасность» в соответствии со стандартами для осветительных приборов (ОП) с различными источниками света. Показано, что в ряде случаев при Тцв > 6000 К и световых потоках ОП свыше 20 000 лм доза «синей опасности» может превысить допустимую. Одновременно сравнивались экспозиции (дозы) на основе вертикальной облученности «синей опасности» в ОУ и потенциально опасной дозы, вызывающей фотоповреждение сетчатки и полученной на приматах. В проведенных расчетах указано на ряд условностей.

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].

Таблица 1. Спектральная относительная функция, позволяющая оценить опасность для сетчатки, исходящую от синего света широкополосных источников излучения

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.

Таблица 2. Характеристики осветительных приборов (ОП), учитывающие фотобиологическую опасность синего света [5–8]

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.

Таблица 3. Характеристики осветительных установок (ОУ), учитывающие фотобиологическую опасность синего света [9]

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.         

Литература
  1. В. В. Бомель, Г. Ван ден Бельд, В. Ван Оойжен. Промышленное освещение и производительность труда // Светотехника. 2003. № 1.
  2. Дж. К. Брейнард, К. А. Бернекер. Влияние света на физиологию и поведение человека // Светотехника. 1996. № 1-2.
  3. Вейч Д. Свет, освещение и здоровье — вопросы для рассмотрения // Светотехника. 2005. № 6.
  4. Бойс П. Свет и здоровье // Светотехника. 2006. № 2.
  5. 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.
  6. CIE S 009 /E:2002«Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems».
  7. Стандарт МЭК 62471:2006 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».
  8. ГОСТ Р МЭК/ТО 60825-9-2009 «Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 9. Компиляция максимально допустимой экспозиции некогерентного оптического излучения».
  9. 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.
  10. 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.
  11. Зак П. П., Островский М. А. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника. 2012. № 3.
  12. Барцев А. А., Беляев Р. И., Столяревская Р. И. Методика измерения физиологически эффективной яркости опасного синего изучения осветительного прибора // Светотехника. 2013. № 2.
  13. Закгейм А. Л. Светодиодные системы освещения: энергоэффективность, зрительное восприятие, безопасность для здоровья (обзор) // Светотехника. 2012. № 6.
  14. www.cree.com
  15. Сарычев Г. С., Гаврилкина Г. Н., Пудиков И. В. К расчету светотехнических установок, учитывающих циркадианные эффекты освещения // Полупроводниковая светотехника. 2013. № 4.
  16. Митрофанов А. В., Орловский В. Н., Холодилов В. И. Световые приборы с голубыми светодиодами и люминофором в защитном стекле // Светотехника. 2008. № 4.
  17. Сарычев Г. С., Сысун В. В. Светодиодная лампа белого свечения// Патент № 2 408 816, зарегистрирован в Госреестре 10 января 2011 г.
  18. www.LEDRU.RU
  19. Ham W. T., Jr. H. A. Mueller and D. H. Sliney (1976). Retinal sensitivity to damage from short wavelength light. Nature 260.
  20. S. Berman, R. Clear. Another blue light hazard // Lighting Design + Application (LD + A). March, 2013.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.