矽穀雄風

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照明技術發展和對人體健康以及視力影響

(2014-07-21 15:00:13) 下一個
各種燈光及其光譜對視力的影響
日常生活中主要的燈有白熾燈,日光燈,LED燈,可能很多人不會在意這些燈對人們的健康和視力有哪些影響。
筆者可以為大家粗略分析一下,希望能夠拋磚引玉。

這些燈發光原理,電壓波形和光譜各不相同,主要從以下三大方麵對視力造成影響。

(1)燈的電壓波形造成的閃爍光: 低頻閃爍造成眼睛疲勞近視;高頻閃爍傷害視細胞,造成視力下降;
(2)燈發出的紅外線.紫外線和高幅度藍光,長期有可能造成晶狀體蛋白變性,會導致白內障,黃斑病變等眼疾。
(3)電磁輻射: 可能造成的危害
1)細胞癌的誘導;2)異常的激素;3)強烈的鈣流失;4)觸發性癡呆;5)異常妊娠和分娩;6)高血壓和心髒疾病;7)電磁波過敏症;8)抑鬱症增加
一.下麵來談一談白熾燈,就是我們俗稱的燈泡。
白熾燈的電壓波形造成的閃爍光屬於低頻閃爍光
白熾燈依靠燈絲達到幾千攝氏度的高溫發光,在這種高溫下還會發出紅外線。
1.低頻閃爍光
通常民用電壓110伏60赫茲交流正弦電壓加在白熾燈燈絲上,當正弦電壓峰值(最高點)電壓加在燈絲上,燈達到最大亮度,當正弦電壓零點加在燈絲上,燈絲亮度最小;一秒亮度從峰值最亮,經過零點最暗,到達穀底最亮,經過零點最暗,到達峰值最亮有60次變化。(赫茲:一秒之內電壓從最高峰值電壓經過零點到最低穀底電壓,再經過零點回到峰值電壓次數。)


圖1.白熾燈60赫茲交流電壓波形
人的瞳孔在亮的時候會收縮,在暗的時候會擴張,波蘭Wroclaw技術大學測量了瞳孔大小與低頻光的明暗的關係。[1]
眼部肌肉一秒之內隨著亮度變化調節瞳孔收縮擴張120次,長久就會疲勞鬆弛而不能調節晶狀體看清遠處的東西,近視就造成了。
中國南通大學附屬醫學院發現低頻光對於老鼠造成近視。[2];澳大利亞La Trobe大學用小雞做實驗發現低頻光促進了近視。[3]

圖2.高速照相機下白熾燈閃爍光,低頻閃爍光下照片, 右邊是瞳孔在暗(darkness)時擴大和亮(light)時收縮的照片
http://en.wikipedia.org/wiki/Power-line_flicker網站解釋了電網中電壓變化因素導致閃爍。
2.紅外線
白熾燈依靠燈絲發熱達到幾千度以上來發光,會產生紅外線,長久紅外線照射會造成晶狀體,視網膜損傷。
瑞典烏普薩拉大學醫院神經眼科做了研究。一些科學的數據表明,近紅外輻射可能會導致在晶狀體的累積損傷[4].
德州大學奧斯汀分校的生物醫學工程部門做了試驗,發現1300nm紅外線對家兔視網膜造成損傷。 [5].
二.再來談談日光燈,就是我們常說的熒光燈, 節能燈或是燈管。
日光燈的電壓波形成的閃爍光是高頻閃爍光, 我們電腦屏幕在調光狀態下就是高頻閃爍光。
日光燈. 依靠高壓擊穿惰性氣體產生紫外線打在燈管內部熒光粉上發光,光線中含紫外線。

1.高頻交流電壓(高於1000赫茲)造成高頻閃爍光
震流器把頻率高於1000赫茲的交流正弦電壓加在熒光燈上,燈的亮度隨著電壓峰值到零點變化而變化,產生高頻閃爍光。


圖3.日光燈高頻交流電壓波形


圖4.高速相機拍攝的日光燈長燈管和彎曲形燈管的閃爍光。

眼部肌肉已經跟不上這麽高的頻率,強光直接照在視網膜上,長久會傷害視細胞,損傷視網膜,感到刺眼,頭痛,視力下降。許多小朋友玩手機,平板電腦,視力下降跟高頻閃爍光有關。
佛羅裏達大學的眼科學係發現強光照射和年齡相關黃斑變性相關聯,年齡相關黃斑變性是致盲主要因素,連續強光照射容易造成視網膜光化學損傷[6] 。 英國Essex大學,加拿大國家研究委員會,美國Northeast大學,做了LED燈閃爍的健康研究:閃爍(70赫茲)以上可引起全身乏力,頭痛及視力障礙[7]。

2.紫外線
日光燈高壓擊穿惰性氣體產生紫外線,打在燈管壁熒光粉上發光,所以熒光燈發出的光中含紫外線,紫外線長期照射會導致造成皮膚癌,白內障。
因為日光中含有紫外線,眼科醫生建議戴墨鏡,抵擋紫外線,防止白內障。
紐約市Fordham大學自然科學係發現紫外線輻射是造成白內障和黃斑變性的危險因素。[8]

三.最近幾年非常流行的LED燈對眼睛有益嗎?我們可以通過它的電壓波形和光譜分析一下。
1. 電池直接加在燈的兩端,由於沒有反饋檢測電壓,電壓漂移造成低頻閃爍光:
長電線連接在電池和燈之間, 電池電壓=電線電壓+LED燈電壓,電線電壓=電流*電線電阻,電線通過電流發熱,電線電阻增大,電線電壓增大,
電池電壓不變,LED燈電壓減小,燈變暗,電流減小,電線電壓減小,電池電壓不變,LED燈電壓增大,燈變亮,電流增大。
眼部肌肉隨著亮度變化調節瞳孔收縮擴張,長久就會疲勞鬆弛而不能調節晶狀體看清遠處的東西,近視就造成了。
2.高頻紋波造成高頻閃爍光
LED電源會產生高頻紋波,紋波是在基準直流電壓附近的電壓波動,因為LED電壓與電流成指數關係,微小電壓波動將造成很大電流波動,高頻電壓紋波會造成高頻亮度閃爍。


圖5.LED燈上有紋波的直流電壓




圖6.LED電壓與電流關係曲線
當工作點由於紋波電壓微小變化a點移到b點,Va到Vb電壓變化微小,但是對應電流ia到ib有很大變化,燈亮度正比於燈的功率,b點功率=Vb*ib遠遠大於a點功率=Va*ia,所以燈的亮度有很大變化。微小紋波造成亮頻閃爍。

3. 恒流控製,在內部開關電源開關打開關斷瞬間,會有電壓尖峰,造成電流大的變化,造成高頻閃爍光,
眼部肌肉已經跟不上這麽高的頻率,強光直接照在視網膜上,長久會感到刺眼,頭痛,視力下降。

圖7.高速相機拍攝的LED閃爍光。

4.藍光
市場上的LED燈珠很多含有較強成分的藍光,有些含有紫外線,有些含有紅外線。較強成分的藍光可以造成視網膜黃斑病變。
位於德克薩斯州,聖安東尼奧市Northrop Grumman信息技術公司做研究 收集的數據顯示:近紫外線,藍光產生眩光降低視覺性能[9]。
德克薩斯西南醫學中心發現強烈的藍色光可引起黃斑變性等視力問題[10]。
日光燈的高頻電壓和高頻電流有一定的電磁輻射,有些LED開關電源不能達到電磁輻射安全標準。
如果要防止近視,最大限度減少眼睛疲勞,必須避免低頻交流電壓,高頻交流電壓加在燈上,必須除掉電源中的電壓紋波,恒定直流電壓, 恒定直流電流加在燈上;要預防白內障和視網膜損傷,必須除掉燈光譜中的紫外線,紅外線;要預防視網膜黃斑病變,必須除掉光譜中的有害藍光;要減少電磁輻射對人體傷害,必須設計過濾器符合國際電磁標準。
市場上的LED電源用以下三種控製方式:
1.電池控製:長電線連接在電池和燈之間,沒有反饋,會有低頻閃爍光。
2.恒壓控製:電壓在直流電壓附近波動,因為LED電壓,電流指數關係,電壓微小波動造成電流大的變化,造成高頻閃爍光;
以下是市場上通用的用作LED電源的恒壓控製電源加在LED燈上的交流紋波波形,示波器采用Tektronix TDS1001B.

圖8.恒壓控製電源紋波,交流峰值在40毫伏左右,造成高頻閃爍光,傷害視網膜和視細胞

3. 恒流控製:在內部開關電源開關打開關斷瞬間,會有電壓尖峰,造成電流大的變化,造成高頻閃爍光,
以下是市場上通用的用作LED電源的恒流控製電源加在LED燈上的交流紋波波形,示波器采用Tektronix TDS1001B.

圖9.恒流控製電源,電壓尖峰在15毫伏左右,造成高頻閃爍光,傷害視網膜和視細胞。

我們的專利技術去掉低頻,高頻閃爍光。
以下是Upright Lighting 護眼台燈LED燈上的電壓, 紋波是0。示波器采用Tektronix TDS1001B. 我們的燈既沒有低頻閃爍光,也沒有高頻閃爍光。最大限度減少眼睛的疲勞,預防近視,減緩近視加深。


圖10.Upright Lighting 護眼台燈LED燈上的電壓, 紋波是0。
Upright Lighting LLC, www.uprlt.com 設計的E27型LED台燈,
專利技術除掉低頻,高頻閃爍光,最大限度減少眼睛的疲勞, 預防近視,減緩近視加深;
UL電磁測試證明符合國際安全標準,精選燈珠采用連續光譜模擬太陽光,沒有尖峰單色光分量,讓眼睛感覺燈光柔和,舒適;
不含紫外線, 預防白內障; 不含紅外線,預防晶狀體蛋白質變性。不含有害藍光, 預防黃斑病變。
理論在國際眼科雜誌發表,US National Library of Medicine, US National Institutes of Health收錄;
美國認證機構UL認證電源, 中國國家家用電器質量監督檢驗中心檢驗通過。

參考文獻:
[1]Anna Sobaszek,Wioletta Nowak,Andrzej Hachol,Zbigniew Moron, Wroclaw University of Technology, Measurement of the eye pupil response to light stimuli with regulated waveform, wavelength and photopic level, Journal of Physics: Conference Series 238 (2010) 012032 doi:10.1088/1742-6596/238/1/012032
http://iopscience.iop.org/1742-6596/238/1/012032/pdf/1742-6596_238_1_012032.pdf
[2] Yu Y, Chen H, Tuo J, Zhu Y, Effects of flickering light on refraction and changes in eye axial length of C57BL/6 mice, Ophthalmic Res.2011;46(2):80-7.doi:10.1159/000323179. Epub 2011 Jan 26
[3] Crewther SG, Barutchu A, Murphy MJ, Low frequency temporal modulation of light promotes a myopic shift in refractive compensation to all spectacle lenses, Exp Eye Res. 2006 Aug;83(2):322-8. Epub 2006 Mar 31.
[4] Soderberg PG, Optical radiation and the eyes with special emphasis on children. Prog Biophys Mol Biol. 2011 Dec;107(3):389-92. doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2011.09.009. Epub 2011 Sep 21.
[5] Vincelette RL, Welch AJ, Thomas RJ, Rockwell BA, Lund DJ, Thermal lensing in ocular media exposed to continuous-wave near-infrared radiation: the 1150-1350-nm region. J Biomed Opt.2008 Sep-Oct;13(5):054005.doi:10.1117/1.2978066
[6] Chalam KV, Khetpal V, Rusovici R,Balaiya S, A review: role of ultraviolet radiation in age-related macular degeneration, Eye Contact Lens. 2011 Jul;37(4):225-32. doi: 10.1097/ICL.0b013e31821fbd3e.
[7]Wilkins, A.,Veitch, J.,Lehman, B. LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2010 IEEE, Date of Conference: 12-16 Sept. 2010, page 173.
[8] Roberts JE, Ultraviolet radiation as a risk factor for cataract and macular degeneration, Eye Contact Lens.2011 Jul;37(4):246-9.doi:10.1097/ICL.0b013e31821cbcc9
[9]Zuclich JA, Previc FH, Novar BJ, Edsall PR, Near-UV/blue light-induced fluorescence in the human lens: potential interference with visual function, J Biomed Opt. 2005 Jul-Aug;10(4):44021
[10]Walker DP, Vollmer-Snarr HR, Eberting CL., Ocular hazards of blue-light therapy in dermatology.J Am Acad Dermatol. 2012 Jan;66(1):130-5. doi: 10.1016/j.jaad.2010.11.040. Epub 2011 May 4.
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