Требования безопасности при использовании светодиодного освещения. Часть 1

Применение светодиодного освещения — ключевой фактор.

Применение светодиодного освещения является ключевым фактором, повышающим эффективность использования электроэнергии, что, в свою очередь, позволяет создавать креативные эффекты, которые не были возможны с использованием ламп накаливания и люминесцентных ламп.

Но выходной спектр, как и у люминесцентных ламп, весьма отличен от спектра солнечного света, на который рассчитан человеческий глаз.

Насколько это важно? Что вам необходимо знать о том, какие последствия для здоровья несет применение искусственного света?

Вот короткий ответ: Для любого вида освещения существуют уровни безопасности и опасности. Знания и стандарты помогают производителям и разработчикам систем освещения ориентироваться в этой обширной области.

Немного биологии.

Глазам приходится сталкиваться с большим количеством уровней освещенности и спектров.

Два типа оптических сенсоров на сетчатке глаза, плюс ко всему изменяющийся диаметр зрачка, и веки, которые помогают прищуриться, обеспечивают восприятие как минимум 90% интенсивности при распознавании цветов от фиолетового (длина волны 400 нм) до красного (700 нм), с порогами чувствительности от 380 до 750 нм.

При самом тусклом освещении, палочки-сенсоры могут различать передвигающиеся объекты или изображения.

Поскольку палочки-сенсоры различают только одного вида, в сумерках отсутствует возможность цветового восприятия.

Оказавшись в темноте, палочки и соединенные с ними нервы становятся более чувствительными, примерно за 30 минут достигая своего максимума, хотя большая часть изменений происходит за первых пять минут. И наоборот, вся дополнительная чувствительность может быть потеряна буквально за секунды – так ночное зрение, которому необходимы минуты на адаптацию, падает во время попадания вспышек света в ваши глаза.

Пиковая чувствительность палочек составляет примерно 498 нм, обычно находясь между 400 и 600 нм. При 640 нм срабатывания не будет, вот почему задние панели большинства самолетов и автомобилей имеют ярко выраженную красную подсветку – так называемый красный конус (см. ниже), позволяющую создать хорошее отражение на длинах волн, которые не могут ослабить ночное зрение при прямом наблюдении. Синее или зеленое освещение не могут справиться с этой важной задачей.

По мере того, как свет становится ярче, палочки отключаются и включается второй тип оптических сенсоров, называемых колбочками.

Колбочки в 100 раз более чувствительны, чем палочки. Цветовое восприятие возможно благодаря наличию в сетчатке глаза трех типов колбочек: синих (пик приходится на 419-420 нм), зеленых (531-534 нм) и желтых (558-564 нм), соответствующих одному из трех видов фоточувствительных белков.

Красные колбочки называются так из-за своей чувствительности к длинам волн, превышающим 700нм.

Различные комбинации трех типов колбочек отвечают за восприятие всевозможных оттенков цвета при ярком освещении.

Колбочки сконцентрированы в центре сетчатки глаза. Вокруг них находятся палочки. По этой причине астрономы, ведущие поиск тусклых звезд, должны смотреть в телескоп краем глаза.

Входящий свет максимально контролируется радужной оболочкой глаза, которая изменяет диаметр зрачка от 2 до 7 мм автоматически для сигналов от колбочек и палочек соответственно.

Чувствительные, но “слепые” клетки.

Открытые только несколько лет назад, есть еще и третий вид сенсоров глаз, которые не формируют изображения. В сущности, они называются “фоточувствительными ретинальными нейронами”. Данные виды клеток также имеют влияние на зрачок и ответственны за синхронизацию природных циркадных ритмов мозга с солнечным светом.

Фоточувствительные нервные клетки являются предметом интенсивных исследований. Их восприятие осуществляется с помощью вещества, называемого меланопсином, который реагирует на широкий диапазон цветов, достигая пика при 480 нм (примерно между спадами пиков чувствительности синего и зеленого цветов), а также может иметь и другие пики чувствительности, т.к. этот вид клеток все еще слабо изучен ввиду своей сложности.

Крайне важные для защиты глаза, эти нервные клетки могут влиять на зрачок, делая его минимальным, в то время как колбочки и палочки могут только слегка сокращать зрачок, из чего следует, что он снова увеличится через примерно 10 секунд (см. ниже относительно 480 нм).

Как рассказали исследователи из Миссури Ян Ли Чжоу и Даниэль Ту в своей работе 2007 г.: “Внутренняя система восприятия света сетчаткой (фоточувствительные нервные клетки) генерирует длительные и усиленные реакции на продолжительное освещение высокой интенсивности, таким образом заставляя зрачок сузиться при ярком свете”.

В дополнение к краткосрочным периодам адаптации в секунды и минуты, существуют и более длительные периоды адаптации.

Например, зрачок маленького ребенка уязвим к ультрафиолету солнечного света, в то время как взрослые защищены фильтрующими химическими веществами, накапливающимися в передней части глаза на протяжении нескольких лет. Также были предложены некоторые защитные механизмы – люди, проживающие в высоких широтах, должны быть более осторожны во время отпусков в теплых краях.

Глаз взрослого, совместно с физиологическими реакциями наподобие прикрытия век и моргания, способен справиться с солнечным светом на своей родной широте – за исключением случаев, описанных ниже.

Чтобы нанести ущерб, освещение должно быть ярким, а его спектр играет важнейшую роль при этом.

Короткие длины волн несут в себе больше энергии, чем длинные, поэтому синие фотоны могут нанести больше вреда, чем красные.

Ультрафиолетовые фотоны будут наиболее опасными. Однако, светодиодное освещение не испускает их.

Если глаз подвергается воздействию ультрафиолета (например, из солнечного света), то он поглощается передней частью глаза. Большие дозы могут привести к световым вспышкам в глазах – болезненному, но обычно обратимому, ущербу от ультрафиолета. Длительное поглощение ультрафиолета хрусталиком глаза может послужить причиной развития катаракты.

Опасность синего освещения.

Опасность синего освещения

В отличие от ультрафиолета, синее освещение из видимого спектра представляет наибольшую опасность, причиняя повреждения сетчатки своим фотохимическим действием.

Изредка ультрафиолет достигает сетчатки, также вызывая ее повреждение – это случается с маленькими детьми и, например, с теми, чьи хрусталики глаз были удалены по медицинским причинам.

Наши лица кое-чем обязаны энергии синего освещения.

“У нас эволюционировала защита от солнечного излучения. Когда солнце находится высоко в небе, то излучение более синее — вот почему у нас есть брови и ресницы. Когда же солнце находится низко, то, как правило, излучение более красное” – сказал Джон О’Хаген, глава лазерной и оптической радиационной дозиметрической группы британского Агентства по защите здоровья.

Негативное влияние синего освещения высокой интенсивности довольно хорошо изучено. Оно имеет кумулятивную природу по своему воздействию.

Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) собирает научные доказательства по мере их поступления и, благодаря анализу экспертами, выпускает передовые руководства и рекомендации. Таким образом, ее влияние всеми признано и является основой для мировых стандартов в обеспечении безопасности освещения.

ICNIRP предлагает “использование шлемов, очков, специальной одежды и структур“ для защиты глаз и кожи от пагубного воздействия солнечного ультрафиолета.

Здоровье глаз в долгосрочной перспективе.

Существует вероятность того, что уровни синего освещения, которые не вызывают повреждений в течении нескольких часов, могут причинить кумулятивный вред в течении нескольких лет. Предполагается, что так возникает возрастная дегенерация желтого пятна (AMD).

С учетом вышесказанного, все еще нет полной ясности во взаимосвязи синего освещения и возникновении AMD.

“Недавние исследования предполагают, что синий край видимого спектра может способствовать повреждениям сетчатки и даже вызвать AMD” – говорит Американский фонд исследований AMD. “Сетчатка может быть повреждена высокоэнергетической видимой радиацией синего/фиолетового освещения, которая проникает в макулярный пигмент, находящийся в глазу. В соответствии с исследованиями Шипинского глазного института, низкая плотность макулярного пигмента может представлять фактор риска для возникновения AMD, предполагая больший урон от воздействия синего освещения.”

Соображения о’Хагена.

“Я буду очень удивлен, если окажется, что синие светодиоды повышают риск возникновения AMD. Синее освещение от солнца намного более опасно.” – сказал он. “Наука еще не достигла однозначного мнения касательно данного вопроса. С точки зрения физики, высокоэнергетическое синее или ультрафиолетовое излучение может вызывать повреждения. Оно будет облучать сетчатку ребенка солнечным светом, когда защитный механизм еще не приобретен. А это предполагает длительный период времени перед тем, как возникнет AMD”.

Также необходимо понимать, что имеет место кумулятивное воздействие, которое вызывает данные эффекты при срабатывании определённого порога чувствительности, что может означать, что накапливается только синее излучение определенных уровней. И опять-таки, потенциальные эффекты незначительны, что говорит об ограниченности понимания современной науки.

ICNIRP опубликовал график риска для синего излучения, который определяет опасность излучений по длине волны, что может послужить предпосылкой установления норм для рабочих смен на каждый день.

график риска для синего излучения

Данный график показывает, что достаточно мощное излучение в пределах 400-500 нм повреждает глаза. Если же был удален хрусталик глаза, то диапазон начинается с 310 нм.

Глаз частично уязвим для излучений между 420 и 470 нм, что в точности совпадает с диапазоном, для которого прекращается эмиссия в полупроводниках светодиодов InGaN: индиго и ультрафиолет.

Это характерно для светодиодов всех производителей, а также для большинства люминесцентных ламп и разрядных ламп высокой интенсивности.

Спектр излучения различных люминесцентных ламп широко варьируется. Их начали выпускать с 1950-х в виде тонких голубых ламп, генерирующих излучение в диапазоне 430-450 нм.

Исследования, которые проводились до конца 1980-х, так и не выявили вреда для глаз.

Раскаленная лампа имеет непрерывный спектр, сходный с солнечным светом, за исключением того, что в нем меньше синего. Потому они по сути безопасны при долгосрочном использовании, если не слишком яркие.

Так где же пределы? Какой мощностью должно обладать излучение?

Начиная от солнечного освещения и заканчивая просмотром телевизора — еще никто не сказал, что сила света 300 кд/м2 от телевизионного экрана будет вызывать повреждения сетчатки – за пределами этих значений излучение опасно.

Данные ограничения определяются интенсивностью, спектром и временем, а также научными знаниями.

Гарантированный вред.

При определенных интенсивностях глазам наносится непоправимый ущерб.

Если прямо смотреть на солнце (интенсивность 1.6×10^9 кд/м2), то за доли секунд будет нанесен непоправимый ущерб.

Дуговая электросварка без защиты глаз может привести к аналогичным результатам. За пол секунды синее излучение от сварки может повредить глаза. Что говорить о сварке на протяжении всего дня? На электрическую дугу от сварки нельзя смотреть более 0.47-4.36 с в день.

С другой стороны, несмотря на спектр, в котором доминирует синее излучение, глаз способен справиться с интенсивностью 5000 кд/м2 ясного голубого неба. Хотя, если пристально вглядываться в небо на протяжении нескольких лет, то глаза получают кумулятивный ущерб и даже больше, если жить на залитой солнцем планете, то в конце концов глаза получат кумулятивные повреждения.

Интенсивность люминесцентных ламп составляет 10000 кд/м2, что вероятнее всего является максимально безопасным уровнем для глаз, если смотреть беспрерывного на такое освещение. Интенсивность излучения нити накаливания электроламп вообще может составлять 10 миллионов кд/м2.

Данные выводы следуют из детального исследования безопасности применения светодиодов, которое проводили профессор Франклин Бехер и офтальмологи парижского Университета им. Декарта. Оно называется “Светодиоды для бытового освещения: существует ли риск для глаз?”.

Данный отчет обращает внимание на то, что интенсивность яркого солнечного света на поверхности белой стены с южной стороны может превышать 50000 кд/м2, что требует использования солнцезащитных очков для обеспечения безопасности глаз. То же самое касается снега и песка в похожих условиях.

Исследования, проведенные научной группой, довольно неоднозначны, т.к. светодиод со световым потоком 212 лм при средней интенсивности излучения 6.2×10^7 кд/м2 не опасен для глаз, ведь на него можно смотреть с близкого расстояния.