Kaip šviesos diodai veikia regėjimą?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Straipsnyje aptariamos perteklinės mėlynos šviesos dozės susidarymo sąlygos LED apšvietime. Parodyta, kad fotobiologinės saugos vertinimai, atlikti pagal GOST R IEC 62471-2013, turi būti patikslinti, atsižvelgiant į akies vyzdžio skersmenų kitimą esant LED apšvietimui ir šviesos erdvinį pasiskirstymą. -sugeriantis mėlyną šviesą (460 nm) pigmentą tinklainės dėmėje.

Pateikiami perteklinės mėlynos šviesos dozės LED apšvietimo spektre skaičiavimo saulės šviesos atžvilgiu metodikos principai. Nurodoma, kad šiandien JAV ir Japonijoje keičiasi LED apšvietimo samprata ir kuriami baltos šviesos diodai, kurie sumažina pavojų žmonių sveikatai. Ypač Jungtinėse Amerikos Valstijose ši koncepcija apima ne tik bendrą apšvietimą, bet ir kompiuterių monitorius bei automobilių priekinius žibintus.

Šiuo metu LED apšvietimas vis dažniau pristatomas mokyklose, darželiuose ir gydymo įstaigose. LED šviestuvų fotobiologinei saugai įvertinti GOST R IEC 62471-2013 „Lempos ir lempų sistemos. Fotobiologinė sauga“. Ją parengė Mordovijos Respublikos valstybinė unitarinė įmonė „Šviesos šaltinių mokslinio tyrimo institutas, pavadintas A. N. Lodygin "(Mordovijos Respublikos valstybinė vieninga įmonė NIIIS, pavadinta AN Lodygin vardu"), remiantis jo paties autentišku tarptautinio standarto IEC 62471: 2006 "Lempų ir lempų sistemų fotobiologinė sauga" (IEC 62471: 2006) vertimu į rusų kalbą. „Lempų ir lempų sistemų fotobiologinė sauga“) ir yra jai identiška (žr. 4 punktą. GOST R IEC 62471-2013).

Toks standarto įgyvendinimo perkėlimas rodo, kad Rusija neturi savo profesionalios fotobiologinės saugos mokyklos. Fotobiologinės saugos vertinimas itin svarbus siekiant užtikrinti vaikų (kartos) saugumą ir mažinti grėsmes nacionaliniam saugumui.

Saulės ir dirbtinio apšvietimo lyginamoji analizė

Šviesos šaltinio fotobiologinės saugos vertinimas grindžiamas rizikos teorija ir pavojingos mėlynos šviesos poveikio tinklainei ribinių verčių kiekybinio nustatymo metodika. Fotobiologinės saugos rodiklių ribinės vertės skaičiuojamos nurodytai vyzdžio skersmens poveikio ribai 3 mm (vyzdžio plotas 7 mm2). Šioms akies vyzdžio skersmens vertėms nustatomos funkcijos B (λ) reikšmės - svertinė mėlynos šviesos spektrinio pavojaus funkcija, kurios maksimumas patenka į 435–440 nm spektrinės spinduliuotės diapazoną.

Šviesos neigiamo poveikio rizikos teorija ir fotobiologinės saugos skaičiavimo metodika buvo parengta remiantis fundamentaliais dirbtinių šviesos šaltinių fotobiologinės saugos pradininko dr. David H. Sliney straipsniais.

David H. Sliney daug metų dirbo JAV armijos sveikatos stiprinimo ir prevencinės medicinos centro skyriaus vadovu ir vadovavo fotobiologinės saugos projektams. 2007 m. baigė tarnybą ir išėjo į pensiją. Jo moksliniai interesai yra susiję su UV poveikiu akims, lazerio spinduliuote ir audinių sąveika, lazerio keliamais pavojais ir lazerių naudojimu medicinoje ir chirurgijoje. David Sleeney buvo daugelio komisijų ir institucijų, parengusių saugos standartus apsaugai nuo nejonizuojančios spinduliuotės, ypač lazerių ir kitų didelio intensyvumo optinės spinduliuotės šaltinių (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO), narys, konsultantas ir pirmininkas., NCRP ir ICNIRP). Jis kartu parašė knygą „The Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources“, Niujorkas, 1980 m. 2008–2009 m. daktaras Davidas Sleeney ėjo Amerikos fotobiologijos draugijos prezidento pareigas.

Pagrindiniai Davido Sleeney sukurti principai yra šiuolaikinės dirbtinių šviesos šaltinių fotobiologinės saugos metodikos pagrindas. Šis metodinis raštas automatiškai perkeliamas į LED šviesos šaltinius. Ji iškėlė daugybę pasekėjų ir studentų, kurie ir toliau taiko šią metodiką LED apšvietimui. Savo raštuose jie bando pagrįsti ir propaguoti LED apšvietimą per rizikos klasifikaciją.

Jų darbą remia Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia ir kiti LED apšvietimo gamintojai. Šiuo metu intensyvių LED apšvietimo galimybių (ir apribojimų) tyrimų ir analizės sritis apima:

• vyriausybinės agentūros, tokios kaip JAV Energetikos departamentas, RF energetikos ministerija;

• viešosios organizacijos, tokios kaip Šiaurės Amerikos apšvietimo inžinerijos draugija (IESNA), kietojo kūno apšvietimo ir technologijų aljansas (ASSIST), tarptautinė tamsaus dangaus asociacija (IDA) ir NP PSS RF;

• didžiausi gamintojai Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia ir

Rusijos gamintojai Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• taip pat nemažai mokslinių tyrimų institutų, universitetų, laboratorijų: Apšvietimo tyrimų centras Rensselaer politechnikos institute (LRC RPI), Nacionalinis standartų ir technologijos institutas (NIST), Amerikos nacionalinis standartų institutas (ANSI), taip pat NIIIS im. AN Lodyginas “, VNISI juos. S. I. Vavilovas.

Mėlynos šviesos perteklinės dozės nustatymo požiūriu įdomus darbas „Optinis saugos LED apšvietimas“(CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA pozicinis popierius optinis saugos LED apšvietimas_Galutinė_liepa2011). Šioje Europos ataskaitoje saulės šviesos spektrai lyginami su dirbtiniais šviesos šaltiniais (kaitrinėmis, fluorescencinėmis ir LED lempomis) pagal EN 62471 reikalavimą. Per šiuolaikinės higieninio vertinimo paradigmos prizmę apsvarstykite šioje Europos ataskaitoje pateiktus duomenis, kad nustatytumėte perteklinę mėlynos šviesos dalį LED baltos šviesos šaltinio spektre. Fig. 1 parodytas baltos šviesos LED spektrinis modelis, kurį sudaro mėlyną šviesą skleidžiantis kristalas ir geltonas fosforas, kuriuo jis yra padengtas, kad būtų sukurta balta šviesa.

Fig. 1. Taip pat nurodyti atskaitos taškai, į kuriuos higienistas turėtų atkreipti dėmesį analizuodamas šviesos iš bet kurio šaltinio spektrą. Šiuo požiūriu apsvarstykite saulės šviesos spektrus (2 pav.).

Paveikslėlyje parodyta, kad spalvinės temperatūros diapazone nuo 4000 K iki 6500 K stebimos „melanopsino kryžiaus“sąlygos. Šviesos energijos spektre amplitudė (A) esant 480 nm visada turi būti didesnė už amplitudę prie 460 nm ir 450 nm.

Tuo pačiu metu 460 nm mėlynos šviesos dozė saulės šviesos spektre, kurios spalvos temperatūra yra 6500 K, yra 40% didesnė nei saulės šviesos, kurios spalvos temperatūra yra 4000 K.

„Melanopsinų kryžiaus“efektas aiškiai matomas palyginus 3000 K spalvinės temperatūros kaitinamųjų lempų ir LED lempų spektrus (3 pav.).

Mėlynos šviesos dalies perteklius LED spektro spektre, palyginti su mėlynos šviesos dalimi kaitrinės lempos spektre, viršija daugiau nei 55%.

Atsižvelgdami į tai, kas išdėstyta aukščiau, palyginkime saulės šviesą esant Tc = 6500 K (6500 K yra ribinė tinklainės spalvos temperatūra pagal Davidą Sleaney, o pagal sanitarinius standartus yra mažesnė nei 6000 K) su kaitrinės lempos spektru Tc = 2700 K ir LED lempos, kurios Tc = 4200 K spektras, esant 500 liuksų apšvietimo lygiui. (4 pav.).

Paveikslėlyje parodyta:

- LED lempos (Tc = 4200 K) spinduliuotė yra 460 nm didesnė nei saulės spindulių (6500 K);

- LED lempos šviesos spektre (Tc = 4200 K) poslinkis ties 480 nm yra eilės tvarka (10 kartų) didesnis nei saulės šviesos spektre (6500 K);

- LED lempos šviesos spektre (Tc = 4200 K) poslinkis yra 480 nm kelis kartus didesnis nei kaitrinės lempos šviesos spektre (Tc = 2700 K).

Yra žinoma, kad esant LED apšvietimui, akies vyzdžio skersmuo viršija ribines vertes - 3 mm (plotas 7 mm2) pagal GOST R IEC 62471-2013 „Lempos ir lempų sistemos. Fotobiologinė sauga“.

Iš 2 pav. parodytų duomenų matyti, kad 460 nm mėlynos šviesos dozė saulės šviesos spektre esant 4000 K spalvinei temperatūrai yra daug mažesnė nei 460 nm mėlynos šviesos dozė saulės šviesos spektre esant 4000 K spalvinei temperatūrai. 6500K spalvos temperatūra.

Iš to išplaukia, kad 460 nm mėlynos šviesos dozė LED apšvietimo spektre, kurio spalvinė temperatūra 4200 K, žymiai (40%) viršys 460 nm mėlynos šviesos dozę saulės šviesos spektre, kurios spalvos temperatūra 4000 K esant tokiam pačiam apšvietimo lygiui.

Šis skirtumas tarp dozių yra perteklinė mėlynos šviesos dozė esant LED apšvietimui, palyginti su saulės šviesa, esant tokiai pat spalvų temperatūrai ir tam tikram apšvietimo lygiui. Tačiau šią dozę reikėtų papildyti mėlynos šviesos doze, atsirandančia dėl netinkamo vyzdžio valdymo LED apšvietimo sąlygomis, atsižvelgiant į netolygų pigmentų, kurie sugeria 460 nm mėlyną šviesą, pasiskirstymą pagal tūrį ir plotą. Tai yra per didelė mėlynos šviesos dozė, dėl kurios paspartėja degradacijos procesai, dėl kurių, palyginti su saulės šviesa, padidėja ankstyvo regėjimo sutrikimo rizika, kai visi kiti dalykai yra vienodi (tam tikras apšvietimo lygis, spalvos temperatūra ir efektyvus geltonosios dėmės tinklainės darbas ir kt.)

Akies sandaros fiziologiniai ypatumai, turintys įtakos saugiam šviesos suvokimui

Tinklainės apsaugos grandinė buvo suformuota saulės šviesoje. Esant saulės spindulių spektrui, tinkamai kontroliuojamas akies vyzdžio skersmuo, kad užsimerktų, o tai lemia tinklainės ląsteles pasiekiančios saulės šviesos dozės sumažėjimą. Suaugusio žmogaus vyzdžio skersmuo svyruoja nuo 1,5 iki 8 mm, o tai užtikrina, kad į tinklainę patenkančios šviesos intensyvumas pasikeičia maždaug 30 kartų.

Sumažinus akies vyzdžio skersmenį, sumažėja vaizdo šviesos projekcijos plotas, kuris neviršija „geltonos dėmės“tinklainės centre. Tinklainės ląsteles nuo mėlynos šviesos apsaugo geltonosios dėmės pigmentas (kurio sugerties maksimumas yra 460 nm) ir kurio susidarymas turi savo evoliucijos istoriją.

Naujagimiams geltonosios dėmės plotas yra šviesiai geltonos spalvos su neaiškiais kontūrais.

Nuo trijų mėnesių atsiranda geltonosios dėmės refleksas, sumažėja geltonos spalvos intensyvumas.

Iki vienerių metų nustatomas foveolinis refleksas, centras tampa tamsesnis.

Iki trejų iki penkerių metų gelsvas geltonosios dėmės srities tonas beveik susilieja su rausvu arba raudonu centrinės tinklainės srities tonu.

7-10 metų ir vyresniems vaikams geltonosios dėmės plotą, kaip ir suaugusiems, lemia avaskulinė centrinė tinklainės sritis ir šviesos refleksai. „Makulos dėmės“sąvoka atsirado atlikus makroskopinį lavoninių akių tyrimą. Ant plokščių tinklainės preparatų matoma maža geltona dėmė. Ilgą laiką nebuvo žinoma pigmento, kuris dažo šią tinklainės sritį, cheminė sudėtis.

Šiuo metu yra išskirti du pigmentai – liuteinas ir liuteino izomeras zeaksantinas, kurie vadinami geltonosios dėmės pigmentu, arba geltonosios dėmės pigmentu. Didesnės koncentracijos lazdelėse vietose liuteino kiekis didesnis, didesnės spurgų koncentracijos vietose – zeaksantino. Liuteinas ir zeaksantinas priklauso karotinoidų šeimai, natūralių augalinių pigmentų grupei. Manoma, kad liuteinas atlieka dvi svarbias funkcijas: pirma, jis sugeria mėlyną šviesą, kuri kenkia akims; antra, tai yra antioksidantas, blokuoja ir pašalina reaktyviąsias deguonies rūšis, susidarančias veikiant šviesai. Liuteino ir zeaksantino kiekis geltonojoje dėmėje pasiskirstęs netolygiai (centre daugiausia, o pakraščiuose kelis kartus mažiau), o tai reiškia, kad apsauga nuo mėlynos šviesos (460 nm) kraštuose yra minimali. Su amžiumi pigmentų kiekis mažėja, jie organizme nesintetinami, jų galima gauti tik su maistu, todėl bendras apsaugos nuo mėlynos šviesos dėmės centre efektyvumas priklauso nuo mitybos kokybės.

Nepakankamos mokinių kontrolės poveikis

Fig. 5. yra bendra halogeninės lempos (spektras artimas saulės spektrui) ir LED lempos šviesos taško projekcijų palyginimo schema. Naudojant LED šviesą, apšvietimo plotas yra didesnis nei naudojant halogeninę lempą.

Skirtingų apšvietimo plotų skirtumas naudojamas apskaičiuojant papildomą mėlynos šviesos dozę dėl netinkamo vyzdžio valdymo LED apšvietimo sąlygomis, atsižvelgiant į netolygų pigmentų, sugeriančių 460 nm mėlyną šviesą, pasiskirstymą pagal tūrį ir plotą.. Šis kokybinis mėlynos šviesos perteklinės dalies baltų šviesos diodų spektre įvertinimas gali tapti metodiniu pagrindu kiekybiniams vertinimams ateityje. Nors iš to aiškėja techninis sprendimas dėl poreikio užpildyti spragą 480 nm srityje iki „melanopsino kryžiaus“poveikio pašalinimo lygio. Šis sprendimas buvo įformintas išradėjo pažymėjimu (LED baltos šviesos šaltinis su kombinuotu nuotoliniu fotoliuminescenciniu konvektoriumi. Patentas Nr. 2502917 2011-12-30). Tai užtikrina Rusijos prioritetą kuriant biologiškai tinkamo spektro LED baltos šviesos šaltinius.

Deja, Rusijos Federacijos pramonės ir prekybos ministerijos ekspertai šiai krypčiai nepritaria, todėl nefinansuoti darbų šia kryptimi, kuri liečia ne tik bendrą apšvietimą (mokyklos, gimdymo namai ir kt.), taip pat monitorių ir automobilių žibintų apšvietimas.

Naudojant LED apšvietimą, netinkamai kontroliuojamas akies vyzdžio skersmuo, o tai sudaro sąlygas gauti perteklinę mėlynos šviesos dozę, kuri neigiamai veikia tinklainės ląsteles (ganglionines ląsteles) ir jos kraujagysles. Neigiamą mėlynos šviesos dozės pertekliaus poveikį šioms struktūroms patvirtino Biocheminės fizikos instituto darbai. N. M. Emanuelis RAS ir FANO.

Aukščiau nustatyti netinkamo akies vyzdžio skersmens valdymo padariniai taikomi fluorescencinėms ir energiją taupančioms lempoms (6 pav.). Tuo pačiu metu padidėja 435 nm UV šviesos dalis ("LED apšvietimo optinė sauga" CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA pozicinis popierius optinis saugos LED apšvietimas_Galutinė_liepa 2011)).

Atliekant eksperimentus ir matavimus, atliktus JAV mokyklose, taip pat Rusijos mokyklose (Vaikų ir paauglių higienos ir sveikatos apsaugos tyrimų institutas, SCCH RAMS), buvo nustatyta, kad mažėjant koreliuojamai dirbtinių spalvinių medžiagų spalvinei temperatūrai. šviesos šaltinių, padidėja akies vyzdžio skersmuo, o tai sudaro prielaidas neigiamai mėlynai šviesai veikti tinklainės ląsteles ir kraujagysles. Didėjant koreliuojamai dirbtinių šviesos šaltinių spalvos temperatūrai, akies vyzdžio skersmuo mažėja, bet nepasiekia vyzdžio skersmens verčių saulės šviesoje.

Per didelė UV mėlynos šviesos dozė pagreitina degradacijos procesus, o tai padidina ankstyvo regėjimo sutrikimo riziką, palyginti su saulės šviesa, o visi kiti dalykai yra vienodi.

Padidėjusi mėlynos spalvos dozė LED apšvietimo spektre daro įtaką žmonių sveikatai ir regos analizatoriaus darbui, todėl didėja regėjimo ir sveikatos negalios rizika darbingo amžiaus žmonėms.

Puslaidininkinių šviesos šaltinių su biologiškai tinkama šviesa sukūrimo koncepcija

Skirtingai nuo Rusijos Federacijos pramonės ir prekybos ministerijos bei Skolkovo inovacijų centro ekspertų konservatyvumo, straipsnio autorių išpuoselėta puslaidininkinių baltos šviesos šaltinių su biologiškai adekvačia šviesa kūrimo koncepcija sulaukia pritarimo visame pasaulyje. pasaulis. Pavyzdžiui, Japonijoje „Toshiba Material Co., LTD“sukūrė šviesos diodus naudodami TRI-R technologiją (7 pav.).

Toks violetinių kristalų ir fosforo derinys leidžia sintetinti šviesos diodus, kurių spektras artimas saulės šviesos spektrui esant skirtingoms spalvinėms temperatūroms, bei pašalinti minėtus LED spektro trūkumus (mėlynas kristalas padengtas geltonu fosforu).

Fig. aštuoni.pateikiamas saulės šviesos spektro (TK = 6500 K) palyginimas su šviesos diodų spektrais naudojant TRI-R technologiją ir technologiją (mėlynas kristalas padengtas geltonu fosforu).

Iš pateiktų duomenų analizės matyti, kad TRI-R technologiją naudojančių šviesos diodų baltos šviesos spektre 480 nm tarpas yra pašalintas ir mėlynos dozės pertekliaus nėra.

Taigi atlikti tyrimus, siekiant nustatyti tam tikro spektro šviesos poveikio žmogaus sveikatai mechanizmus, yra valstybės uždavinys. Šių mechanizmų nepaisymas sukelia milijardus dolerių išlaidų.

išvadas

Sanitarinėse taisyklėse fiksuojamos normos iš apšvietimo techninių normatyvinių dokumentų, verčiant europinius standartus. Šiuos standartus formuoja specialistai, kurie ne visada yra nepriklausomi ir vykdo savo nacionalinę techninę politiką (nacionalinį verslą), kuri dažnai nesutampa su Rusijos nacionaline technine politika.

Naudojant LED apšvietimą, netinkamai kontroliuojamas akies vyzdžio skersmuo, todėl kyla abejonių dėl fotobiologinių vertinimų teisingumo pagal GOST R IEC 62471-2013.

Valstybė nefinansuoja pažangių technologijų įtakos žmogaus sveikatai tyrimų, todėl higienistai yra priversti normas ir reikalavimus pritaikyti prie technologijų, kurias skatina perdavimo technologijų verslas.

Techniniuose LED lempų ir kompiuterių ekranų kūrimo sprendimuose reikėtų atsižvelgti į akių ir žmonių sveikatos saugos užtikrinimą, imtis priemonių, kad būtų pašalintas „melanopsino kryžiaus“poveikis, atsirandantis visiems šiuo metu esamiems energiją taupantiems šviesos šaltiniams ir foniniam apšvietimui. informacijos rodymo įrenginių.

Esant LED apšvietimui su baltais šviesos diodais (mėlynas kristalas ir geltonas fosforas), kurių spektro tarpas yra 480 nm, akies vyzdžio skersmuo nekontroliuojamas tinkamai.

Gimdymo namams, vaikų įstaigoms ir mokykloms turėtų būti sukurtos lempos, turinčios biologiškai tinkamą šviesos spektrą, atsižvelgiant į vaikų regėjimo ypatybes, ir joms turi būti taikomas privalomas higienos sertifikatas.

Trumpos redaktoriaus išvados:

1. Šviesos diodai skleidžia labai ryškiai mėlyną ir šalia UV spindulių ir labai silpnai mėlyną.

2. Akis „matuoja“ryškumą, siekdama susiaurinti vyzdį ne mėlynos, o mėlynos spalvos lygiu, kurios balto šviesos diodo spektre praktiškai nėra, todėl akis „galvoja“, kad ji tamsi ir plačiau atveria vyzdį, o tai lemia tai, kad tinklainė gauna daug kartų daugiau šviesos (mėlynos ir UV) nei apšviesta saulės, ir ši šviesa „išdegina“šviesai jautrias akies ląsteles.

3. Šiuo atveju mėlynos šviesos perteklius akyje lemia vaizdo aiškumo pablogėjimą. tinklainėje susidaro paveikslas su aureole.

4. Vaikų akis yra maždaug eilės tvarka skaidresnė iki mėlynos spalvos nei pagyvenusių žmonių, todėl vaikų „perdegimo“procesas yra daug kartų intensyvesnis.

5. Ir nepamirškite, kad šviesos diodai yra ne tik apšvietimas, bet dabar beveik visi ekranai.

Jei pateiksime dar vieną vaizdą, tai akių pažeidimai dėl šviesos diodų yra panašūs į aklumą kalnuose, atsirandantį dėl UV atspindžio nuo sniego ir yra pavojingesni tiesiog debesuotu oru.

Kyla klausimas, ką daryti tiems, kurie jau turi LED apšvietimą, kaip įprasta, iš neaiškios kilmės LED?

Į galvą ateina du variantai:

1. Pridėkite papildomą mėlynos šviesos (480 nm) apšvietimą.

2. Ant lempų uždėkite geltoną filtrą.

Man labiau patinka pirmasis variantas, nes Parduodamos mėlynos (šviesiai mėlynos) LED juostos su 475nm spinduliuote. Kaip galite patikrinti, koks yra tikrasis bangos ilgis?

Antrasis variantas „suvalgys“dalį šviesos ir lempa bus blankesnė, o, be to, taip pat nežinia, kokią mėlynos dalį pašalinsime.