Cum afectează LED-urile vederea?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Articolul discută condițiile pentru formarea unei doze în exces de lumină albastră sub iluminarea LED. Se arată că evaluările securității fotobiologice, efectuate în conformitate cu GOST R IEC 62471-2013, trebuie clarificate ținând cont de modificarea diametrelor pupilei ochiului sub iluminarea LED și de distribuția spațială a luminii. -pigment care absoarbe lumina albastra (460 nm) in macula retinei.

Sunt prezentate principiile metodologice de calcul a dozei în exces de lumină albastră în spectrul iluminatului LED în raport cu lumina soarelui. Este indicat că astăzi în SUA și Japonia conceptul de iluminare cu LED se schimbă și se creează LED-uri cu lumină albă care minimizează riscurile de deteriorare a sănătății umane. În Statele Unite, în special, acest concept se extinde nu numai la iluminatul general, ci și la monitoarele de computer și farurile auto.

În zilele noastre, iluminatul cu LED este introdus din ce în ce mai mult în școli, grădinițe și instituții medicale. Pentru a evalua siguranța fotobiologică a corpurilor de iluminat LED, GOST R IEC 62471-2013 „Lămpi și sisteme de lămpi. Siguranța fotobiologică”. A fost întocmit de Întreprinderea Unitară de Stat a Republicii Mordovia „Institutul de Cercetare Științifică a Surselor de Lumină numit după A. N. Lodygin „(Întreprinderea unitară de stat a Republicii Mordovia NIIIS numită după AN Lodygin”) pe baza propriei traduceri autentice în rusă a standardului internațional IEC 62471: 2006 „Siguranța fotobiologică a lămpilor și a sistemelor de lămpi” (IEC 62471: 2006 „Siguranța fotobiologică a lămpilor și a sistemelor de lămpi”) și este identică cu aceasta (a se vedea clauza 4. GOST R IEC 62471-2013).

Un astfel de transfer al implementării standard sugerează că Rusia nu are propria școală profesională pentru siguranța fotobiologică. Evaluarea siguranței fotobiologice este extrem de importantă pentru asigurarea siguranței copiilor (generație) și reducerea amenințărilor la adresa securității naționale.

Analiza comparativă a iluminatului solar și artificial

Evaluarea securității fotobiologice a unei surse de lumină se bazează pe teoria riscurilor și pe o metodologie de cuantificare a valorilor limită de expunere la lumină albastră periculoasă pe retină. Valorile limită ale indicatorilor de siguranță fotobiologică sunt calculate pentru limita de expunere specificată a diametrului pupilei de 3 mm (aria pupilei de 7 mm2). Pentru aceste valori ale diametrului pupilei ochiului, se determină valorile funcției B (λ) - funcția de hazard spectral ponderat din lumina albastră, al cărei maxim se încadrează în domeniul de radiație spectrală de 435-440 nm.

Teoria riscurilor efectelor negative ale luminii și metodologia de calcul a securității fotobiologice a fost elaborată pe baza articolelor fundamentale ale fondatorului securității fotobiologice a surselor de lumină artificială, dr. David H. Sliney.

David H. Sliney a servit de mulți ani ca director de divizie la Centrul de promovare a sănătății și medicină preventivă al armatei SUA și a condus proiecte de siguranță fotobiologică. În 2007 și-a încheiat serviciul și s-a pensionat. Interesele sale de cercetare se concentrează pe subiecte legate de expunerea la UV la ochi, radiațiile laser și interacțiunile tisulare, pericolele laserului și utilizarea laserelor în medicină și chirurgie. David Sleeney a fost membru, consultant și președinte al numeroaselor comisii și instituții care au dezvoltat standarde de siguranță pentru protecția împotriva radiațiilor neionizante, în special a laserelor și a altor surse de radiații optice de mare intensitate (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, OMS)., NCRP și ICNIRP). El a fost coautor al Manualului de siguranță cu lasere și alte surse optice, New York, 1980. Din 2008 până în 2009, dr. David Sleeney a fost președinte al Societății Americane de Fotobiologie.

Principiile fundamentale dezvoltate de David Sleeney stau la baza metodologiei moderne pentru siguranța fotobiologică a surselor de lumină artificială. Acest model metodologic este transferat automat la sursele de lumină LED. A ridicat o mare galaxie de adepți și studenți care continuă să extindă această metodologie la iluminatul cu LED-uri. În scrierile lor, ei încearcă să justifice și să promoveze iluminatul cu LED-uri prin clasificarea riscurilor.

Munca lor este susținută de Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia și alți producători de iluminat LED. În prezent, domeniul cercetării și analizei intensive a posibilităților (și limitărilor) în domeniul iluminatului cu LED presupune:

• agenții guvernamentale, cum ar fi Departamentul de Energie al SUA, Ministerul Energiei din RF;

• organizații publice precum Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) și NP PSS RF;

• cei mai mari producători Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia și

Producătorii ruși Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• precum și o serie de institute de cercetare, universități, laboratoare: Centrul de Cercetare în Iluminat de la Institutul Politehnic Rensselaer (LRC RPI), Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST), Institutul Național American de Standardizare (ANSI), precum și NIIIS im. AN Lodygin”, le VNISI. SI. Vavilov.

Din punct de vedere al determinarii unei doze in exces de lumina albastra, intereseaza lucrarea „Iluminat LED de siguranta optica” (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC Hârtia de pozitionare CELMA iluminare LED de siguranta optica_Final_iulie2011). Acest raport european compară spectrele luminii solare cu sursele de lumină artificială (lămpi cu incandescență, fluorescente și LED) în conformitate cu cerințele EN 62471. Prin prisma paradigmei moderne a evaluării igienice, luați în considerare datele prezentate în acest raport european pentru a determina proporția în exces de lumină albastră în spectrul sursei de lumină albă LED. În fig. 1 prezintă modelul spectral al unui LED cu lumină albă, care constă dintr-un cristal care emite lumină albastră și un fosfor galben cu care este acoperit pentru a produce lumină albă.

În fig. 1. Sunt indicate și punctele de referință la care igienistul ar trebui să le acorde atenție atunci când analizează spectrul luminii din orice sursă. Din acest punct de vedere, luați în considerare spectrele luminii solare (Fig. 2).

Figura arată că în intervalul de temperatură de culoare de la 4000 K până la 6500 K, sunt respectate condițiile „crucerii melanopsinei”. Pe spectrul energetic al luminii, amplitudinea (A) la 480 nm trebuie să fie întotdeauna mai mare decât amplitudinea la 460 nm și 450 nm.

În același timp, doza de lumină albastră de 460 nm în spectrul luminii solare cu o temperatură de culoare de 6500 K este cu 40% mai mare decât cea a luminii solare cu o temperatură de culoare de 4000 K.

Efectul „crucii de melanopsina” este clar vizibil dintr-o comparație a spectrelor lămpilor cu incandescență și lămpilor LED cu o temperatură de culoare de 3000 K (Fig. 3).

Proporția în exces de lumină albastră în spectrul spectrului LED în raport cu proporția de lumină albastră din spectrul unei lămpi cu incandescență depășește mai mult de 55%.

Având în vedere cele de mai sus, să comparăm lumina soarelui la Tc = 6500 K (6500 K este temperatura limită de culoare pentru retină conform lui David Sleaney, iar conform standardelor sanitare este mai mică de 6000 K) cu spectrul unei lămpi cu incandescență Tc = 2700 K și spectrul unei lămpi LED cu Tc = 4200 K la un nivel de iluminare de 500 lux. (fig. 4).

Figura arată următoarele:

- Lampa LED (Tc = 4200 K) are o emisie cu 460 nm mai mare decat lumina solara (6500 K);

- în spectrul luminos al unei lămpi LED (Tc = 4200 K), declinul la 480 nm este de un ordin de mărime (de 10 ori) mai mare decât în spectrul luminii solare (6500 K);

- în spectrul luminos al unei lămpi cu LED (Tc = 4200 K), declinul este de 480 nm de câteva ori mai mare decât în spectrul luminos al unei lămpi cu incandescență (Tc = 2700 K).

Se știe că sub iluminarea LED, diametrul pupilei ochiului depășește valorile limită - 3 mm (zona 7 mm2) conform GOST R IEC 62471-2013 „Lămpi și sisteme de lămpi. Siguranța fotobiologică”.

Din datele prezentate în Fig. 2, se poate observa că doza de lumină albastră de 460 nm în spectrul luminii solare pentru o temperatură de culoare de 4000 K este mult mai mică decât doza de lumină albastră de 460 nm în spectrul luminii solare la o temperatură de culoare de 6500 K.

Din aceasta rezultă că doza de lumină albastră de 460 nm în spectrul luminii LED cu o temperatură de culoare de 4200 K va depăși semnificativ (cu 40%) doza de lumină albastră de 460 nm în spectrul luminii solare cu o temperatură de culoare de 4000 K la același nivel de iluminare.

Această diferență între doze este doza în exces de lumină albastră sub iluminarea LED în raport cu lumina soarelui cu aceeași temperatură de culoare și un anumit nivel de iluminare. Dar această doză ar trebui completată cu o doză de lumină albastră din efectul controlului inadecvat al pupilei în condiții de iluminare LED, ținând cont de distribuția neuniformă a pigmenților care absorb 460 nm de lumină albastră în volum și zonă. Este o doză excesivă de lumină albastră care duce la o accelerare a proceselor de degradare care cresc riscurile de deficiență vizuală precoce în comparație cu lumina soarelui, toate celelalte lucruri fiind egale (un anumit nivel de iluminare, temperatura de culoare și funcționarea eficientă a retinei maculare)., etc.)

Caracteristicile fiziologice ale structurii ochiului, care afectează percepția sigură a luminii

Circuitul de protecție a retinei s-a format în lumina soarelui. Odată cu spectrul luminii solare, există un control adecvat al diametrului pupilei ochiului de închidere, ceea ce duce la o scădere a dozei de lumină solară care ajunge la celulele retinei. Diametrul pupilei la un adult variază de la 1,5 la 8 mm, ceea ce asigură o modificare a intensității luminii incidente pe retină de aproximativ 30 de ori.

O scădere a diametrului pupilei ochiului duce la o scădere a zonei de proiecție a luminii a imaginii, care nu depășește zona „petului galben” din centrul retinei. Protecția celulelor retiniene de lumina albastră este realizată de pigmentul macular (cu o absorbție maximă de 460 nm) și a cărui formare are propria istorie evolutivă.

La nou-născuți, zona maculei este de culoare galben deschis, cu contururi neclare.

De la vârsta de trei luni apare un reflex macular și intensitatea culorii galbene scade.

Până la un an, reflexul foveolar este determinat, centrul devine mai închis.

Până la vârsta de trei până la cinci ani, tonul gălbui al zonei maculare aproape se îmbină cu tonul roz sau roșu al zonei centrale a retinei.

Zona maculară la copiii cu vârsta de 7-10 ani și peste, ca și la adulți, este determinată de zona retiniană centrală avasculară și reflexele de lumină. Conceptul de „pată maculară” a apărut ca urmare a examinării macroscopice a ochilor cadaveri. Pe preparatele plane ale retinei este vizibilă o mică pată galbenă. Pentru o lungă perioadă de timp, compoziția chimică a pigmentului care colorează această zonă a retinei a fost necunoscută.

În prezent, au fost izolați doi pigmenți - luteina și izomerul luteinei zeaxantina, care se numesc pigment macular, sau pigment macular. Nivelul de luteină este mai mare în locurile cu concentrație mai mare de bastonașe, nivelul de zeaxantina este mai mare în locurile cu concentrație mai mare de conuri. Luteina și zeaxantina aparțin familiei carotenoidelor, un grup de pigmenți naturali ai plantelor. Se crede că luteina are două funcții importante: în primul rând, absoarbe lumina albastră care este dăunătoare pentru ochi; in al doilea rand, este un antioxidant, blocheaza si indeparteaza speciile reactive de oxigen formate sub influenta luminii. Conținutul de luteină și zeaxantină din maculă este distribuit neuniform pe zonă (maxim în centru și de câteva ori mai puțin la margini), ceea ce înseamnă că protecția împotriva luminii albastre (460 nm) este minimă la margini. Odată cu vârsta, cantitatea de pigmenți scade, nu sunt sintetizați în organism, pot fi obținuți doar din alimente, astfel încât eficiența globală a protecției împotriva luminii albastre din centrul maculei depinde de calitatea nutriției.

Efectul controlului inadecvat al elevilor

În fig. 5. este o schemă generală de comparare a proiecțiilor punctului luminos al unei lămpi cu halogen (spectrul este apropiat de spectrul solar) și al unei lămpi LED. Cu lumină LED, zona de iluminare este mai mare decât la o lampă cu halogen.

Diferența dintre zonele alocate de iluminare este utilizată pentru a calcula o doză suplimentară de lumină albastră din efectul controlului inadecvat al pupilei în condiții de iluminare LED, ținând cont de distribuția neuniformă a pigmenților care absorb 460 nm de lumină albastră în volum și zonă.. Această evaluare calitativă a excesului de lumină albastră în spectrul LED-urilor albe poate deveni o bază metodologică pentru evaluări cantitative în viitor. Deși din aceasta este clară decizia tehnică cu privire la necesitatea de a umple golul în regiunea de 480 nm până la nivelul de eliminare a efectului „încrucișării melanopsinei”. Această soluție a fost formalizată sub forma unui certificat de inventator (sursă de lumină LED albă cu un convector fotoluminiscent la distanță combinat. Brevet nr. 2502917 din 30.12.2011.). Acest lucru asigură prioritatea Rusiei în domeniul creării surselor de lumină albă LED cu un spectru biologic adecvat.

Din păcate, experții Ministerului Industriei și Comerțului al Federației Ruse nu salută această direcție, motiv pentru care nu se finanțează lucrări în această direcție, care privește nu numai iluminatul general (școli, maternități etc.), ci de asemenea, iluminarea de fundal a monitoarelor și a farurilor auto.

Cu iluminarea LED are loc un control inadecvat al diametrului pupilei ochiului, ceea ce creează condiții pentru obținerea unei doze în exces de lumină albastră, care afectează negativ celulele retinei (celulele ganglionare) și vasele acesteia. Efectul negativ al unei doze în exces de lumină albastră asupra acestor structuri a fost confirmat de lucrările Institutului de Fizică Biochimică. N. M. Emanuel RAS și FANO.

Efectele identificate mai sus ale controlului inadecvat al diametrului pupilei ochiului se aplică lămpilor fluorescente și de economisire a energiei (Fig. 6). În același timp, există o proporție crescută de lumină UV la 435 nm („Optical safety of LED lighting” CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA hârtie de poziție optical safety LED lighting_Final_iulie2011)).

În cursul experimentelor și măsurătorilor efectuate în școlile din SUA, precum și în școlile rusești (Institutul de Cercetare pentru Igienă și Protecția Sănătății Copiilor și Adolescenților, SCCH RAMS), s-a constatat că odată cu scăderea temperaturii corelate a culorii a artificiale. surse de lumină, diametrul pupilei ochiului crește, ceea ce creează condițiile preliminare pentru o expunere negativă la lumina albastră asupra celulelor și vaselor de sânge ale retinei. Odată cu creșterea temperaturii corelate a culorii surselor de lumină artificială, diametrul pupilei ochiului scade, dar nu atinge valorile diametrului pupilei în lumina soarelui.

O doză excesivă de lumină albastră UV duce la o accelerare a proceselor de degradare care cresc riscurile de deficiență vizuală timpurie în comparație cu lumina soarelui, toate celelalte lucruri fiind egale.

O doză crescută de albastru în spectrul luminii LED afectează sănătatea umană și funcționarea analizorului vizual, ceea ce crește riscurile de dizabilitate în vedere și sănătate la vârsta de muncă.

Conceptul de a crea surse de lumină semiconductoare cu lumină adecvată din punct de vedere biologic

Spre deosebire de conservatorismul experților din Ministerul Industriei și Comerțului al Federației Ruse și Centrului de Inovare Skolkovo, conceptul de a crea surse de lumină albă semiconductoare cu lumină adecvată din punct de vedere biologic, cultivat de autorii articolului, câștigă un susținător în toată lumea. lume. De exemplu, în Japonia, Toshiba Material Co., LTD a creat LED-uri folosind tehnologia TRI-R (Fig. 7).

O astfel de combinație de cristale violete și fosfori permite sintetizarea LED-urilor cu spectre apropiate de spectrul luminii solare cu diferite temperaturi de culoare și eliminarea deficiențelor de mai sus în spectrul LED-urilor (cristal albastru acoperit cu fosfor galben).

În fig. opt.prezintă o comparație a spectrului luminii solare (TK = 6500 K) cu spectrele LED-urilor folosind tehnologia și tehnologia TRI-R (cristal albastru acoperit cu fosfor galben).

Din analiza datelor prezentate, se poate observa că în spectrul de lumină albă al LED-urilor care utilizează tehnologia TRI-R se elimină decalajul la 480 nm și nu există exces de doză de albastru.

Deci, efectuarea de cercetări pentru a identifica mecanismele efectului luminii unui anumit spectru asupra sănătății umane este o sarcină de stat. Ignorarea acestor mecanisme duce la costuri de miliarde de dolari.

concluzii

Normele sanitare consemnează norme din documentele normative tehnice de iluminat, prin traducerea standardelor europene. Aceste standarde sunt formate din specialiști care nu sunt întotdeauna independenți și își desfășoară propria politică tehnică națională (afaceri naționale), care adesea nu coincide cu politica tehnică națională a Rusiei.

Cu iluminarea LED, are loc un control inadecvat al diametrului pupilei ochiului, ceea ce pune la îndoială corectitudinea evaluărilor fotobiologice conform GOST R IEC 62471-2013.

Statul nu finanțează cercetări avansate privind impactul tehnologiei asupra sănătății umane, motiv pentru care igieniștii sunt nevoiți să adapteze normele și cerințele la tehnologiile care sunt promovate de afacerile de transfer de tehnologie.

Soluțiile tehnice pentru dezvoltarea lămpilor cu LED-uri și a ecranelor PC ar trebui să țină cont de asigurarea siguranței ochilor și a sănătății umane, să ia măsuri pentru a elimina efectul „crucei melanopsinei”, care apare pentru toate sursele de lumină care economisesc energie și iluminarea din spate existente în prezent. a dispozitivelor de afișare a informațiilor.

Sub iluminarea LED cu LED-uri albe (cristal albastru și fosfor galben), care au un decalaj în spectru la 480 nm, există un control inadecvat al diametrului pupilei ochiului.

Pentru maternități, instituții pentru copii și școli, lămpile cu un spectru de lumină adecvat din punct de vedere biologic, ținând cont de caracteristicile vederii copiilor, ar trebui să fie dezvoltate și să fie supuse certificării igienice obligatorii.

Concluzii pe scurt de la editor:

1. LED-urile emit foarte puternic în albastru și în apropierea regiunilor UV și foarte slab în albastru.

2. Ochiul „măsoară” luminozitatea pentru a îngusta pupilei la nivelul culorii nu albastre, ci albastre, care practic este absentă în spectrul unui LED alb, prin urmare, ochiul „crede” că este întuneric și deschide pupila mai larg, ceea ce duce la faptul că retina primește de multe ori mai multă lumină (albastru și UV) decât atunci când este iluminată de soare, iar această lumină „ard” celulele sensibile la lumină ale ochiului.

3. În acest caz, un exces de lumină albastră în ochi duce la o deteriorare a clarității imaginii. pe retină se formează o imagine cu un halou.

4. Ochiul copiilor este cam cu un ordin de mărime mai transparent la albastru decât cel al bătrânilor, prin urmare, procesul de „burn-out” la copii este de multe ori mai intens.

5. Și nu uitați că LED-urile nu sunt doar de iluminat, ci acum aproape toate ecranele.

Dacă mai dăm o imagine, atunci deteriorarea ochilor de la LED-uri este asemănătoare cu orbirea la munte, care apare din reflectarea UV de la zăpadă și este mai periculoasă doar pe vreme înnorată.

Se pune întrebarea, ce să facă pentru cei care au deja iluminat LED, ca de obicei, de la LED-uri de origine necunoscută?

Îmi vin în minte două opțiuni:

1. Adăugați lumină albastră suplimentară (480 nm).

2. Pune un filtru galben pe lămpi.

Imi place mai mult prima varianta, pentru ca există la vânzare benzi LED albastre (albastru deschis) cu radiație de 475nm. Cum poți verifica care este lungimea de undă reală?

A doua opțiune va „mânca” o parte din lumină, iar lampa va fi mai slabă și, în plus, nu se știe ce parte din albastru vom elimina.