Повышенная доза синего света в спектре искусственных источников света - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

2652
Повышенная доза синего света в спектре искусственных источников света

Люминесцентные лампы, которые формировали световую среду с момента рождения человека и портили его зрение в школах, институтах и офисах, уходят в прошлое. На смену этих ламп со слабым синюшным светом приходят светодиодные светильники с большой дозой синюшного света. Производители таких светильников говорят, что повышенная доза синего в спектре света – это и есть залог бодрости и работоспособности. Этот эффект специалисты США определяют как доза зависимость от синего. Но офтальмологи всех стран бьют тревогу от массового поражения глаз детей при применении ими устройств отображения информации, которые имеют особенно светодиодную подсветку. Дети с синюшными лицами от экранов этих устройств входят в электротранспорт с синюшным светодиодным освещение, а иногда с откровенно синим светом в автобусах и маршрутках.

В настоящее время директивно внедряется светодиодное освещение в школы, детские сады и медицинские учреждения. Для оценки светобиологической безопасности светодиодных светильников используется ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность», подготовленный Государственным унитарным предприятием Республики Мордовия Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина (ГУП Республики Мордовия НИИИС им. А.Н. Лодыгина») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта МЭК 62471:2006 «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» (IEC 62471:2006 «Photobiological safety of lamps and lamp systems»). Такой трансфер стандарта свидетельствует о том, что в России утеряна собственная профессиональная школа светобиологической безопасности.

В основе оценки светобиологической безопасности лежит теория рисков и методология количественной оценки предельных норм воздействия опасного синего света на сетчатку. Предельные значения показателей светобиологической безопасности рассчитывались для установленного предела облучения диаметра зрачка 3 мм (площадь 7 мм2). Для этих значений диаметра зрачка глаза были определены значения взвешенной спектральной функции опасности от синего света B(λ), максимум которой приходится на спектральный диапазон излучения с длиной волны 435...440 нм.

 

Исследования в области безопасности искусственного освещения

Теория рисков негативного влияния света и методология расчетов фотобиологической безопасности была разработана на базе основополагающих статей основателя фотобиологической безопасности искусственных источников света доктора David H. Sliney (Давида Слини). Он в течение многих лет был руководителем отдела Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины армии США и возглавлял проекты по фотобиологической безопасности. В 2007 году он окончил службу и вышел на пенсию. Его научные интересы сосредоточены на проблемах, связанных с УФ воздействием на глаза, взаимодействий лазерного излучения и тканей, опасностей при применения лазеров в медицине. Он служил в качестве члена, консультанта и председателя многочисленных комиссий и учреждений, которые разрабатывали стандарты безопасности для защиты от неионизирующих излучений, в частности от лазеров и других высокоинтенсивных источников оптического излучения (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, ВОЗ, НКРЗ, и ICNIRP). David H. Sliney в соавторстве издал справочник «Безопасность с лазерами и другими оптическими источниками», Нью-Йорк, 1980. В 2008–2009 годах доктор David H. Sliney являлся президентом Американского общества по фотобиологии.

Разработанные David H. Sliney в стенах Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины армии США основополагающие принципы лежат в основе современной методологии фотобиологической безопасности искусственных источников света. Это методология была автоматически перенесена и на светодиодные источники света. На этой методологии воспитана большая плеяда последователей и учеников, которые продолжают распространять эту методологию на светодиодное освещение. В своих трудах они пытаются через классификацию рисков обосновывать и продвигать светодиодное освещение. Их работы поддерживают Philips, Lumileds, Osram, Cree, Nichia и другие производители светодиодного освещения. В настоящее время в сферу интенсивных исследований и анализа возможностей (и ограничений) в области светодиодного освещения вовлечены:

- государственные учреждения, такие как Минэнерго США, Минэнерго РФ;

- общественные организации: Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination andTechnologies (ASSIST), InternationalDark-Sky Assosiation (IDA) и НП ПСС РФ;

- крупнейшие фирмы-производители Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и российские производители «Оптоган», «Светлана Оптоэлектроника»;

- ряд НИИ, университетов, лабораторий: Lighting Research Center atRensselaer Polytechnic Institute (LRCRPI), National Institute of Standardsand Technology (NIST), AmericanNational Standard Institute (ANSI), а также НИИИС им. А.Н. Лодыгина, ВНИСИ им. С.И. Вавилова.

Ежегодное количество публикаций по светодиодной тематике исчисляется сотнями, число международныхконференций – десятками, денежные средства, потраченных на внедрение светодиодного освещения, исчисляется миллиардами рублей. В этих условиях оценка фотобиологической безопасности является крайне актуальной для обеспечения безопасности детей (поколения), снижения угроз национальной безопасности [1–4].

С точки зрения определения избыточной дозы синего света представляет интерес работа «Оптическая безопасность светодиодного освещения» (CELMA-ELC LED WG(SM) 011 ELC CELMA position paper optical safety LED lighting July 2011). В этом европейском отчете в соответствии с требованием стандарта EN 62471 проведено сравнение спектров солнечного света со светом искусственных источников (лампой накаливания, люминесцентными и светодиодными лампами). Через призму современной парадигмы гигиенической оценки рассмотрим представленные в этом европейском отчете данные с целью определения избыточной доли синего света в спектре светодиодного источника белого света. На рис.1 показан спектральный спектр света белого светодиода, который состоит из кристалла, излучающего синий свет, покрытого желтым люминофором для получения белого света.

 

Сравнение спектров различных источников света

На рис.1 также показаны реперные точки, на которые должен обращать внимание гигиенист при анализе спектра света от любого источника. С этой точки зрения рассмотрим спектры солнечного света (рис.2).

На рис.2 показано, что в интервале цветовой температуры от 4000 К до 6500 К соблюдаются условия «меланопсинового креста». В энергетическом спектре света амплитуда (А) на длине волны 480 нм должна быть всегда больше, чем амплитуда на длинах волн 460 нм и 450 нм.

При этом доза синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 6500 К на 40% больше, чем у солнечного света с цветовой температурой 4000 К.

Эффект «меланопсинового креста» наглядно виден из сравнения спектров ламп накаливания и светодиодной лампы с цветовой температурой 3000 К (рис.3).

Избыточная доля синего света в спектре светодиода превышает на 55% долю синего света в спектре лампы накаливания

Учитывая выше сказанное, сравним солнечный свет при Тк = 6500 К (6500 К – предельная цветовая температура для сетчатки глаз по Давиду Слини, а по санитарным нормам должна быть менее 6000 К) со спектром лампы накаливания Тк = 2700 К и спектром светодиодной лампы с Тк = 4200 К при уровне освещенности 500 люкс (рис.4).

На рис.4 показано следующее:

- светодиодная лампа (Тк = 4200 К) имеет выброс на длине волны 460 нм больше, чем у солнечного света (6500 К);

- в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на длине волны 480 нм –в 10 раз больше, чем в спектре солнечного света (6500 К);

- в спектре света светодиодной лампы (Тк= 4200 К) провал на длине волны 480 нм в разы больше, чем в спектре света лампы накаливания (Тк= 2700 К).

Известно, что при светодиодном освещении диаметр зрачка глаза превышает предельные значения 3 мм (площадь 7 мм2) по ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность».

Из этого следует, что дозы синего света на длине волны 460 нм в спектре светодиодного освещения с цветовой температурой 4200 К будут значительно (на 40%) превышать дозу синего света на длине волны 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 4000 К при одинаковом уровне освещенности.

Эта разница и составляет избыточную дозу синего света при светодиодном освещении относительно солнечного света той же цветовой температуры и заданном уровне освещенности.

Но эта доза должна быть ещё дополнена дозой синего света, получаемой от неадекватного управления зрачком в условиях светодиодного освещения и неравномерности по объему и площади распределения пигментов желтого пятна, поглощающих синий свет с длиной волны 460 нм. Именно суммарная избыточная доза синего света приводит к ускорению деградационных процессов, которые увеличивают риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях (заданного уровня освещенности, цветовой температуры и эффективной работы желтого пятна сетчатки) [1–4].

 

Формирование зрения и его защита у взрослого человека

Система защиты сетчатки глаза сформировалась в условиях солнечного света. При спектре солнечного света происходит адекватное управление диаметром зрачка глаза на закрытие, что приводит к уменьшению дозы света, попадающего на клетки сетчатки. Диаметр зрачка у взрослого человека изменяется от 1,5 до 8 мм, что обеспечивает изменение интенсивности падающего на сетчатку света примерно в 30 раз.

Уменьшение диаметра зрачка глаза приводит к уменьшению площади световой проекции изображения, которая не превышает площадь «желтого пятна» в центре сетчатки. Защита клеток сетчатки от синего света осуществляется пигментом желтого пятна (с максимум поглощения на дине волны 460 нм), формирование которого имеет свою эволюционную историю:

- у новорожденных область желтого пятна светло-желтого цвета с нечеткими контурами;

- с трехмесячного возраста появляется макулярный рефлекс и уменьшается интенсивность желтого цвета;

- к одному году определяется фовеолярный рефлекс, центр становится более темным;

- к 3–5-летнему возрасту желтоватый тон макулярной области почти сливается с розовым или красным тоном центральной зоны сетчатки;

- область желтого пятна у детей 7…10 лет и старше, как и у взрослых, определяется по бессосудистой центральной зоне сетчатки и световым рефлексам.

На плоскостных препаратах сетчатки видно небольшое пятно желтого цвета. В настоящее время выделены два пигмента – лютеин и изомер лютеина зеаксантин, которые называют пигментом желтого пятна, или макулярным пигментом. Уровень лютеина выше в местах большей концентрации палочек, уровень зеаксантина –в местах большей концентрации колбочек. Лютеин и зеаксантин относятся к семейству каротиноидов –группе натуральных пигментов растительного происхождения. Считается, что лютеин выполняет две важные функции: во-первых, он поглощает вредный для глаз голубой свет; во-вторых, является антиоксидантом, блокирует и удаляет образующиеся под действием света активные формы кислорода. Содержание лютеина и зеаксантина в макуле неравномерно распределено по площади (в центре максимум, а по краям в разы меньше) и снижается с возрастом. Это значит и защита от синего света (460 нм) уменьшается с возрастом. Эти пигменты в организме не синтезируются, их можно получить только с пищей. Значит, общая эффективность защиты от синего света в центре желтого пятна зависит и от качества питания.

 

Воздействие на глаз человека различных источников искусственного освещения

На рис.5 показана общая схема сравнения проекций светового пятна галогенной лампы (по спектру близка к солнечному спектру) и светодиодной лампы. При светодиодном свете площадь засветки сетчатки глаза больше, чем от галогенной лампы (ГЛ).

По разнице выделенных площадей засветки рассчитывается дополнительная доза синего света от эффекта неадекватности управления зрачком в условиях светодиодного освещения с учетом неравномерности распределения пигментов, поглощающих синий свет с длиной волны 460 нм по объему и площади. Данная качественная оценки избыточной доли синего света в спектре белых светодиодов может стать методической основой для количественных оценок в будущем. Из этого ясно техническое решение необходимости заполнения провала в области длин волн около 480 нм до уровня ликвидации эффекта «меланопсинового креста». Такое решение было оформлено в виде авторского свидетельства на изобретение (Светодиодный источник белого света с комбинируемым удаленным фотолюминесцентным конвектором. Патент № 2502917 от 30.12.2011), что обеспечивает приоритет России в области создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. К большому сожалению, эксперты Минпромторга РФ данное направление не сочли приоритетным, поэтому не стали финансировать эти работы, которые касаются не только общего освещения (школ, роддомов), но и мониторов компьютеров и автомобильных фар.

Неадекватное управление диаметром зрачка глаза при светодиодном освещении создает условия для получения избыточной дозы синего света, которая негативно воздействует на клетки сетчатки (ганглиозные клетки) и ее сосуды, что подтверждено работами ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН [5].

Выше выявленные эффекты по неадекватному управлению диаметром зрачка глаза справедливы и для люминесцентных и энергосберегающих ламп (рис.6). Аналогичная ситуация происходит и при использовании светодиодных ламп с цветовой температурой 4100К. При этом (рис.6) отмечается повышенная доля УФ света при длине волны 435 нм.

В школах США были проведены измерения диаметра зрачка глаз школьников при замене люминесцентных ламп (Тк = 3600 К) люминесцентными лампами (Тк = 5500 К). Площадь зрачка уменьшилось на 2,3 мм2 при общем ухудшение психофизического состояния учеников, подобное тем, что наблюдали специалисты НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков НЦЗД РАМН в ходе опытов на школьниках при замене в школе люминесцентных ламп светодиодными светильниками. В частности при использовании люминесцентных ламп с Тк =4000 К диаметр зрачка глаза был равен 4,9 мм. С уменьшением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света увеличивался диаметр зрачка глаза, что создает предпосылки для негативного воздействия синего света на клетки и сосуды сетчатки. А с её увеличением уменьшается диаметр зрачка глаза, но не достигает значений, регистрируемых при солнечном свете.Избыточная доза УФ синего света также может приводить к ускорению деградационных процессов, увеличивать риски раннего ухудшения зрения по сравнению с солнечным светом при прочих равных условиях.

Повышенная доза синего в спектре светодиодного освещения влияет на здоровье человека и функционирование зрительного анализатора, что увеличивает риски инвалидизации по зрению и ухудшения здоровья в трудоспособном возрасте, что по большому счету составляет угрозу национальной безопасности. Свет определенного спектра является оружием воздействия на большие массы людей. Это подтверждают исследования DARPA, проведенные в 2008 г. по теме SB082-055 ВМС США. В этом же году, не привлекая широкого внимания, три профессора: Стив Ден Баарс, Джим Спек и Сюдзи Накамура, к которым присоединились ведущие специалисты из Philips Lumileds и Intel, собрали команду высококлассных инженеров и основали новую компанию Soraa по выпуску светодиодных ламп нового поколения (фиолетовый светодиод и RGB-люминофор). Они получили финансирование от Минэнерго СШАи построили опытный завод в Фримонте, штат Калифорния (США) [6]. Свои амбициозные планы специалисты фирмы Soraa закрепили патентом US2015/0062892 A1 от 5 марта 2015 г. «Circadian friendly led light source» (SORAA, INC, Fremont, CA(US).

В соответствии с этим патентом идеология «циркадно дружественного светодиодного источника света» распространяется на источники света для:

- общего освещения;

- подсветки мониторов компьютеров;

- автомобильных фар.

Одним словом, новая идеология Сюдзи Накамуры распространяется на все значимые области применения светодиодных источников света.

В противовес консерватизму экспертов Минпромторга РФ и Инновационного центра «Сколково» предлагаемая нами концепция создания полупроводниковых источников белого света с биологически адекватным светом набирает сторонников по всему миру. Например, в Японии (фирма Toshiba Material Co., LTD) созданы светодиоды по технологии TRI-R (рис.7).

Такая комбинация фиолетовых кристаллов и люминофоров позволяет синтезировать светодиоды со спектрами, близкими к спектру солнечного света, с различной цветовой температурой, и устранить недостатки в спектре традиционного светодиода (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

На рис.8 показано сравнение спектра солнечного света (TK = 6500 К) со спектрами светодиодов по технологии TRI-R и традиционной технологии (т.е. синий кристалл, покрытый желтым люминофором).

Из анализа представленных данных видно, что в спектре белого света светодиодов по технологии TRI-R устранен провал на длинах волн около 480 нм и отсутствует избыточная доза синего.

Нам остается только поздравить наших зарубежных коллег и выразить надежду, что исследования по выявлению механизмов воздействия света определенного спектра на здоровье человека станут государственной задачей. Скорейшее осознание важности этой проблемы позволит избежать многомиллиардных издержек в будущем.

 

Выводы

1. В Санитарные Правила РФ переносятся нормы из светотехнических нормативных документов, путем перевода европейских стандартов. Эти стандарты формируются специалистами, которые проводят свою национальную техническую политику (национального бизнеса), которая часто не совпадает с национальной технической политикой России.В частности, это ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность».

2. При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что ставит под сомнение корректность фотобиологических оценок по ГОСТ Р МЭК 62471-2013.

3. Государство не финансирует опережающие исследования по влиянию технологий на здоровье человека, из-за чего врачи-гигиенисты вынуждены адаптировать нормы и требования под технологии, которые продвигается бизнесом по технологиям трансфера.

4. Технические решения по разработке светодиодов-светильников и экранов ПК должны обеспечивать безопасность глаз и здоровья человека, принять меры по исключению эффекта «меланопсинового креста», характерного для всех ныне существующих энергосберегающих источников света и устройств отображения информации.

5. При светодиодном освещении белыми светодиодами (синий кристалл и желтый люминофор), которые имеют провал в своем спектре на длинах волн около 480 нм, происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза.

6. Для родильных домов, детских учреждений и школ должны использоваться светильники с биологически адекватным спектром света, учетом особенностей детского зрения, прошедшие обязательную гигиеническую сертификацию.

 

Литература

1. Капцов В.А., Дейнего В.Н. Иммунная система и искусственная световая среда. Аллергология и иммунология, 2015. – Т.16. – №3. – С.253–258.

2. Дейнего В.Н., Капцов В.А. и Сорока А.И. Влияние света и физических полей на риск дисгармонизации синтеза мелатонина в шишковидной железе. Анализ риска здоровью, 2014. – №2. – С.30–41.

3. Дейнего В.Н., Капцов В.А. Гигиена зрения при светодиодном освещении. Современные научные представления. Гигиена и санитария, 2014. – Т.93. – №5. – С.54–58.

4. Капцов В.А., Дейнего В.Н. Риски влияния света светодиодных панелей на состояние здоровья оператора. Анализ риска здоровью, 2014. – №4. – С.37–46.

5. Зак П.П., Зыкова А.В., Трофимова Н.Н. и др. Экспериментальная модель для исследования механизмов возрастных и дегенеративных изменений в сетчатке глаза человека (японский перепел C. japonica) // ДАН. – 2010. – Т.434, №2. – С.272–274.

6. Капцов В.А., Дейнего В.Н. Изменения в концепции построения светодиодов для освещения с учетом здоровья человека //Электронный журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». – 2015. – №4 (41).

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus