Ako LED diódy ovplyvňujú videnie?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Článok rozoberá podmienky vzniku nadmernej dávky modrého svetla pri LED osvetlení. Ukazuje sa, že hodnotenia fotobiologickej bezpečnosti vykonané v súlade s GOST R IEC 62471-2013 je potrebné objasniť s prihliadnutím na zmenu priemerov očnej zrenice pri osvetlení LED a priestorové rozloženie svetla. - absorbuje pigment modrého svetla (460 nm) v makule sietnice.

Uvádzajú sa metodické princípy výpočtu nadbytočnej dávky modrého svetla v spektre LED osvetlenia vo vzťahu k slnečnému žiareniu. Je naznačené, že dnes sa v USA a Japonsku mení koncepcia LED osvetlenia a vznikajú biele svetelné LED diódy, ktoré minimalizujú riziká poškodenia ľudského zdravia. Najmä v Spojených štátoch sa tento koncept rozširuje nielen na všeobecné osvetlenie, ale aj na počítačové monitory a svetlomety automobilov.

V súčasnosti sa LED osvetlenie čoraz viac zavádza do škôl, škôlok a zdravotníckych zariadení. Na posúdenie fotobiologickej bezpečnosti LED svietidiel, GOST R IEC 62471-2013 „Svietidlá a svetelné systémy. Fotobiologická bezpečnosť“. Pripravil ho Štátny jednotný podnik Mordovskej republiky „Vedecký výskumný ústav svetelných zdrojov pomenovaný po A. N. Lodygin "(Štátny jednotný podnik Mordovskej republiky NIIIS pomenovaný po AN Lodygin") na základe vlastného autentického prekladu do ruštiny medzinárodnej normy IEC 62471: 2006 "Fotobiologická bezpečnosť svietidiel a svetelných systémov" (IEC 62471: 2006 "Fotobiologická bezpečnosť svietidiel a svetelných systémov") a je s ňou identická (pozri bod 4. GOST R IEC 62471-2013).

Takýto prenos štandardnej implementácie naznačuje, že Rusko nemá vlastnú odbornú školu pre fotobiologickú bezpečnosť. Hodnotenie fotobiologickej bezpečnosti je mimoriadne dôležité pre zaistenie bezpečnosti detí (generácie) a zníženie ohrozenia národnej bezpečnosti.

Porovnávacia analýza slnečného a umelého osvetlenia

Hodnotenie fotobiologickej bezpečnosti svetelného zdroja je založené na teórii rizík a metodike kvantifikácie limitných hodnôt expozície nebezpečnému modrému svetlu na sietnici. Hraničné hodnoty ukazovateľov fotobiologickej bezpečnosti sú vypočítané pre stanovený expozičný limit priemeru zrenice 3 mm (plocha zrenice 7 mm2). Pre tieto hodnoty priemeru očnej zrenice sú určené hodnoty funkcie B (λ) - vážená spektrálna riziková funkcia z modrého svetla, ktorej maximum spadá do rozsahu spektrálneho žiarenia 435-440 nm.

Teória rizík negatívnych účinkov svetla a metodika výpočtu fotobiologickej bezpečnosti bola vypracovaná na základe základných článkov zakladateľa fotobiologickej bezpečnosti umelých svetelných zdrojov Dr. Davida H. Slineyho.

David H. Sliney dlhé roky pôsobil ako riaditeľ divízie v Centre pre podporu zdravia a preventívnu medicínu americkej armády a viedol projekty fotobiologickej bezpečnosti. V roku 2007 ukončil službu a odišiel do dôchodku. Jeho výskumné záujmy sa zameriavajú na predmety súvisiace s vystavením očí UV žiareniu, laserovým žiarením a interakciami tkanív, laserovými rizikami a používaním laserov v medicíne a chirurgii. David Sleeney pôsobil ako člen, konzultant a predseda mnohých komisií a inštitúcií, ktoré vypracovali bezpečnostné normy na ochranu pred neionizujúcim žiarením, najmä lasery a iné zdroje optického žiarenia vysokej intenzity (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, WHO, NCRP a ICNIRP). Je spoluautorom Príručky bezpečnosti s lasermi a inými optickými zdrojmi, New York, 1980. V rokoch 2008-2009 pôsobil Dr. David Sleeney ako prezident Americkej spoločnosti fotobiológie.

Základné princípy vyvinuté Davidom Sleeneym sú základom modernej metodológie pre fotobiologickú bezpečnosť umelých svetelných zdrojov. Tento metodický vzor sa automaticky prenáša do LED svetelných zdrojov. Vzbudila veľkú plejádu nasledovníkov a študentov, ktorí pokračujú v rozširovaní tejto metodiky na LED osvetlenie. Vo svojich spisoch sa snažia zdôvodniť a propagovať LED osvetlenie prostredníctvom klasifikácie rizík.

Ich prácu podporujú Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia a ďalší výrobcovia LED osvetlenia. V súčasnosti oblasť intenzívneho výskumu a analýzy možností (a obmedzení) v oblasti LED osvetlenia zahŕňa:

• vládne agentúry ako Ministerstvo energetiky USA, Ministerstvo energetiky RF;

• verejné organizácie ako Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) a NP PSS RF;

• najväčší výrobcovia Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia a

Ruskí výrobcovia Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• ako aj množstvo výskumných ústavov, univerzít, laboratórií: Svetelné výskumné centrum na Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), ako aj NIIIS im. AN Lodygin, VNISI ich. S. I. Vavilov.

Z hľadiska určenia nadmernej dávky modrého svetla je zaujímavá práca "Optické bezpečnostné LED osvetlenie" (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA pozičný papier optické bezpečnostné LED osvetlenie_Konečný_júl2011). Táto európska správa porovnáva spektrá slnečného svetla s umelými zdrojmi svetla (žiarovky, žiarivky a LED žiarovky) v súlade s požiadavkou EN 62471. Cez prizmu modernej paradigmy hygienického hodnotenia zvážte údaje uvedené v tejto európskej správe, aby ste určili nadbytočný podiel modrého svetla v spektre zdroja bieleho svetla LED. Na obr. 1 je znázornený spektrálny vzor LED diódy s bielym svetlom, ktorá pozostáva z kryštálu vyžarujúceho modré svetlo a žltého fosforu, ktorým je potiahnutá, aby sa vytvorilo biele svetlo.

Na obr. 1. Uvádzajú sa aj referenčné body, ktorým by mal hygienik venovať pozornosť pri analýze spektra svetla z akéhokoľvek zdroja. Z tohto hľadiska uvažujme spektrá slnečného žiarenia (obr. 2).

Obrázok ukazuje, že v rozsahu farebnej teploty od 4000 K do 6500 K sú dodržané podmienky „melanopsínového kríženia“. V energetickom spektre svetla musí byť amplitúda (A) pri 480 nm vždy väčšia ako amplitúda pri 460 nm a 450 nm.

Zároveň je dávka modrého svetla 460 nm v spektre slnečného svetla s farebnou teplotou 6500 K o 40% vyššia ako dávka slnečného svetla s farebnou teplotou 4000 K.

Efekt „melanopsínového kríža“je dobre viditeľný z porovnania spektier žiaroviek a LED svietidiel s teplotou farby 3000 K (obr. 3).

Nadmerný podiel modrého svetla v spektre spektra LED v porovnaní s podielom modrého svetla v spektre žiarovky presahuje viac ako 55 %.

Vzhľadom na vyššie uvedené porovnajme slnečné svetlo pri Tc = 6500 K (6500 K je hraničná teplota farby pre sietnicu podľa Davida Sleaneyho a podľa hygienických noriem je to menej ako 6000 K) so spektrom žiarovky Tc = 2700 K a spektrum LED žiarovky s Tc = 4200 K pri úrovni osvetlenia 500 luxov. (obr. 4).

Obrázok ukazuje nasledovné:

- LED lampa (Tc = 4200 K) má emisiu o 460 nm viac ako slnečné svetlo (6500 K);

- vo svetelnom spektre LED lampy (Tc = 4200 K) je pokles pri 480 nm rádovo (10-krát) väčší ako v spektre slnečného svetla (6500 K);

- vo svetelnom spektre LED žiarovky (Tc = 4200 K) je pokles 480 nm niekoľkonásobne väčší ako vo svetelnom spektre žiarovky (Tc = 2700 K).

Je známe, že pri osvetlení LED prekračuje priemer očnej zornice limitné hodnoty - 3 mm (plocha 7 mm2) podľa GOST R IEC 62471-2013 „Svietidlá a svetelné systémy. Fotobiologická bezpečnosť“.

Z údajov na obr. 2 je vidieť, že dávka 460 nm modrého svetla v spektre slnečného svetla pre farebnú teplotu 4000 K je oveľa menšia ako dávka 460 nm modrého svetla v spektre slnečného svetla pri farebná teplota 6500 K.

Z toho vyplýva, že dávka 460 nm modrého svetla v spektre LED osvetlenia s farebnou teplotou 4200 K výrazne (o 40 %) prekročí dávku 460 nm modrého svetla v spektre slnečného svetla s farebnou teplotou 4000 K pri rovnakej úrovni osvetlenia.

Tento rozdiel medzi dávkami je nadmerná dávka modrého svetla pri osvetlení LED v porovnaní so slnečným žiarením s rovnakou teplotou farby a danou úrovňou osvetlenia. Ale túto dávku treba doplniť dávkou modrého svetla z efektu neadekvátneho ovládania zrenice pri LED svetelných podmienkach, berúc do úvahy nerovnomerné rozloženie pigmentov, ktoré objemovo a plošne absorbujú 460 nm modré svetlo. Ide o nadmernú dávku modrého svetla, ktorá vedie k zrýchleniu degradačných procesov, ktoré zvyšujú riziko skorého zrakového postihnutia v porovnaní so slnečným žiarením, pričom všetko ostatné je rovnaké (daná úroveň osvetlenia, farebná teplota a efektívna práca makulárnej sietnice, atď.)

Fyziologické vlastnosti štruktúry oka, ovplyvňujúce bezpečné vnímanie svetla

Ochranný obvod sietnice bol vytvorený pri slnečnom svetle. So spektrom slnečného žiarenia dochádza k primeranej kontrole priemeru očnej zrenice na uzavretie, čo vedie k zníženiu dávky slnečného žiarenia dopadajúceho na bunky sietnice. Priemer zrenice u dospelého človeka sa pohybuje od 1,5 do 8 mm, čo zabezpečuje zmenu intenzity svetla dopadajúceho na sietnicu asi 30-krát.

Zníženie priemeru zrenice oka vedie k zníženiu oblasti svetelnej projekcie obrazu, ktorá nepresahuje oblasť „žltej škvrny“v strede sietnice. Ochranu buniek sietnice pred modrým svetlom zabezpečuje makulárny pigment (s absorpčným maximom 460 nm), ktorého tvorba má svoju vlastnú evolučnú históriu.

U novorodencov má oblasť makuly svetložltú farbu s nevýraznými obrysmi.

Od troch mesiacov veku sa objavuje makulárny reflex a intenzita žltej farby klesá.

Do jedného roka je určený foveolárny reflex, stred sa stáva tmavším.

Vo veku troch až piatich rokov sa žltkastý tón makulárnej oblasti takmer spája s ružovým alebo červeným tónom centrálnej oblasti sietnice.

Oblasť makuly u detí vo veku 7-10 rokov a starších, rovnako ako u dospelých, je určená avaskulárnou centrálnou oblasťou sietnice a svetelnými reflexmi. Pojem "makulárna škvrna" vznikol ako výsledok makroskopického vyšetrenia kadaveróznych očí. Na planárnych preparátoch sietnice je viditeľná malá žltá škvrna. Po dlhú dobu bolo chemické zloženie pigmentu, ktorý farbí túto oblasť sietnice, neznáme.

V súčasnosti boli izolované dva pigmenty – luteín a luteínový izomér zeaxantín, ktoré sa nazývajú makulárny pigment, alebo makulárny pigment. Hladina luteínu je vyššia v miestach s vyššou koncentráciou tyčiniek, hladina zeaxantínu je vyššia v miestach vyššej koncentrácie čapíkov. Luteín a zeaxantín patria do rodiny karotenoidov, skupiny prírodných rastlinných pigmentov. Predpokladá sa, že luteín má dve dôležité funkcie: po prvé, absorbuje modré svetlo, ktoré je škodlivé pre oči; po druhé, je to antioxidant, blokuje a odstraňuje reaktívne formy kyslíka vznikajúce vplyvom svetla. Obsah luteínu a zeaxantínu v makule je nerovnomerne rozložený po ploche (maximálne v strede a niekoľkonásobne menej na okrajoch), čo znamená, že ochrana pred modrým svetlom (460 nm) je na okrajoch minimálna. S pribúdajúcim vekom množstvo pigmentov klesá, v tele sa nesyntetizujú, dajú sa získať len z potravy, takže celková účinnosť ochrany pred modrým svetlom v centre makuly závisí od kvality výživy.

Účinok nedostatočnej kontroly žiakov

Na obr. 5. je všeobecná schéma na porovnanie priemetov svetelného bodu halogénovej žiarovky (spektrum je blízke slnečnému spektru) a LED žiarovky. Pri LED svetle je plocha osvetlenia väčšia ako pri halogénovej žiarovke.

Rozdiel v pridelených oblastiach osvetlenia sa používa na výpočet dodatočnej dávky modrého svetla z efektu nedostatočnej kontroly zrenice v podmienkach osvetlenia LED, pričom sa berie do úvahy nerovnomerné rozloženie pigmentov, ktoré objemovo a plošne absorbujú 460 nm modré svetlo.. Toto kvalitatívne hodnotenie nadmerného podielu modrého svetla v spektre bielych LED sa môže v budúcnosti stať metodickým základom pre kvantitatívne hodnotenia. Aj keď z toho je zrejmé technické rozhodnutie o potrebe vyplniť medzeru v oblasti 480 nm na úroveň eliminácie efektu "melanopsínového kríža". Toto riešenie bolo formalizované vo forme certifikátu vynálezcu (LED zdroj bieleho svetla s kombinovaným diaľkovým fotoluminiscenčným konvektorom. Patent č. 2502917 zo dňa 30.12.2011). To zabezpečuje prioritu Ruska v oblasti vytvárania LED zdrojov bieleho svetla s biologicky primeraným spektrom.

Žiaľ, odborníci Ministerstva priemyslu a obchodu Ruskej federácie tento smer nevítajú, čo je dôvod nefinancovať práce v tomto smere, čo sa týka nielen všeobecného osvetlenia (školy, pôrodnice a pod.), ale aj podsvietenie monitorov a svetlometov áut.

Pri LED osvetlení dochádza k neadekvátnej kontrole priemeru očnej zrenice, čo vytvára podmienky pre získanie nadmernej dávky modrého svetla, ktoré negatívne ovplyvňuje bunky sietnice (gangliové bunky) a jej cievy. Negatívny vplyv nadmernej dávky modrého svetla na tieto štruktúry potvrdili práce Ústavu biochemickej fyziky. N. M. Emanuel RAS a FANO.

Vyššie uvedené účinky nedostatočnej kontroly priemeru očnej zrenice sa vzťahujú na žiarivky a energeticky úsporné žiarivky (obr. 6). Zároveň je zvýšený podiel UV svetla pri 435 nm („Optická bezpečnosť LED osvetlenia“CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA pozičný papier optické bezpečnostné LED osvetlenie_Konečný_júl2011)).

V priebehu experimentov a meraní uskutočnených na amerických školách, ako aj na ruských školách (Výskumný ústav hygieny a ochrany zdravia detí a dorastu, SCCH RAMS) sa zistilo, že s poklesom korelovanej farebnej teploty umelých svetelných zdrojov sa zväčšuje priemer očnej zrenice, čo vytvára predpoklady pre negatívne pôsobenie modrého svetla na bunky a cievy sietnice. So zvýšením korelovanej farebnej teploty umelých svetelných zdrojov sa priemer zrenice zmenšuje, ale nedosahuje hodnoty priemeru zrenice pri slnečnom svetle.

Nadmerná dávka UV modrého svetla vedie k zrýchleniu degradačných procesov, ktoré zvyšujú riziko skorého poškodenia zraku v porovnaní so slnečným žiarením, pričom všetko ostatné je rovnaké.

Zvýšená dávka modrej v spektre LED osvetlenia ovplyvňuje ľudské zdravie a fungovanie vizuálneho analyzátora, čo zvyšuje riziká zrakového postihnutia a zdravia v produktívnom veku.

Koncept vytvárania polovodičových svetelných zdrojov s biologicky adekvátnym svetlom

Na rozdiel od konzervativizmu odborníkov z Ministerstva priemyslu a obchodu Ruskej federácie a Inovačného centra Skolkovo si autormi článku pestovaná koncepcia vytvárania polovodičových zdrojov bieleho svetla s biologicky adekvátnym svetlom získava priaznivcov po celom svete. sveta. Napríklad v Japonsku spoločnosť Toshiba Material Co., LTD vytvorila LED pomocou technológie TRI-R (obr. 7).

Takáto kombinácia fialových kryštálov a fosforu umožňuje syntetizovať LED diódy so spektrami blízkymi spektru slnečného žiarenia s rôznymi teplotami farieb a eliminovať vyššie uvedené nedostatky v spektre LED (modrý kryštál potiahnutý žltým fosforom).

Na obr. osem.uvádza porovnanie spektra slnečného žiarenia (TK = 6500 K) so spektrami LED s využitím technológie a technológie TRI-R (modrý kryštál potiahnutý žltým fosforom).

Z analýzy prezentovaných údajov je vidieť, že v spektre bieleho svetla LED s použitím technológie TRI-R je medzera pri 480 nm eliminovaná a nedochádza k prebytku modrej dávky.

Vykonávanie výskumu na identifikáciu mechanizmov účinku svetla určitého spektra na ľudské zdravie je teda štátnou úlohou. Ignorovanie týchto mechanizmov vedie k nákladom v miliardách dolárov.

závery

Sanitárne predpisy zaznamenávajú normy zo svetelnotechnických normatívnych dokumentov prekladom európskych noriem. Tieto normy tvoria odborníci, ktorí nie sú vždy nezávislí a vykonávajú svoju vlastnú národnú technickú politiku (národné podnikanie), ktorá sa často nezhoduje s národnou technickou politikou Ruska.

Pri LED osvetlení dochádza k nedostatočnej kontrole priemeru očnej zrenice, čo spochybňuje správnosť fotobiologického hodnotenia podľa GOST R IEC 62471-2013.

Štát nefinancuje pokrokový výskum vplyvu technológií na ľudské zdravie, preto sú hygienici nútení prispôsobiť normy a požiadavky technológiám, ktoré presadzuje biznis s transferovými technológiami.

Technické riešenia vývoja LED svietidiel a PC obrazoviek by mali zohľadňovať zaistenie bezpečnosti očí a ľudského zdravia, prijať opatrenia na elimináciu efektu „melanopsínového kríža“, ktorý sa vyskytuje u všetkých v súčasnosti existujúcich energeticky úsporných svetelných zdrojov a podsvietenia. zariadení na zobrazovanie informácií.

Pri LED osvetlení bielymi LED diódami (modrý kryštál a žltý fosfor), ktoré majú medzeru v spektre pri 480 nm, je nedostatočná kontrola priemeru očnej zrenice.

Pre pôrodnice, detské ústavy a školy by sa mali vyvinúť lampy s biologicky primeraným spektrom svetla, ktoré zohľadňujú vlastnosti zraku detí, a musia prejsť povinnou hygienickou certifikáciou.

Stručné závery redaktora:

1. LED diódy vyžarujú veľmi jasne v modrej a blízko UV oblasti a veľmi slabo v modrej.

2. Oko "meria" jas, aby zúžil zrenicu o úroveň nie modrej, ale modrej farby, ktorá v spektre bielej LED prakticky chýba, preto si oko "myslí", že je tmavá resp. otvára zrenicu širšie, čo vedie k tomu, že sietnica dostane mnohonásobne viac svetla (modrého a UV) ako pri osvetlení slnkom a toto svetlo „vypáli“svetlocitlivé bunky oka.

3. V tomto prípade nadbytok modrého svetla v oku vedie k zhoršeniu jasnosti obrazu. na sietnici sa vytvorí obraz so svätožiarou.

4. Oko detí je asi rádovo priehľadnejšie do modra ako u starších ľudí, preto je proces „vyhorenia“u detí mnohonásobne intenzívnejší.

5. A nezabudnite, že LED diódy nie sú len osvetlenie, ale už takmer všetky obrazovky.

Ak dáme ešte jeden obrázok, tak poškodenie zraku LED diódami sa podobá slepote v horách, ktorá vzniká odrazom UV žiarenia od snehu a je nebezpečnejšia práve pri zamračenom počasí.

Vynára sa otázka, čo robiť pre tých, ktorí už majú LED osvetlenie, ako inak, z LED neznámeho pôvodu?

Do úvahy prichádzajú dve možnosti:

1. Pridajte ďalšie osvetlenie modrým svetlom (480 nm).

2. Nasaďte žltý filter na lampy.

Prvá možnosť sa mi páči viac, pretože v predaji sú modré (svetlomodré) LED pásiky so 475nm žiarením. Ako môžete skontrolovať, aká je skutočná vlnová dĺžka?

Druhá možnosť „zožerie“časť svetla a lampa bude slabšia a navyše sa nevie, akú časť modrej odstránime.