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各种灯光及其光谱对视力的影响

日常生活中主要的灯有白炽灯,日光灯,LED灯,可能很多人不会在意这些灯对人们的健康和视力有哪些影响。笔者可以为大家粗略分析一下,希望能够抛砖引玉。

这些灯发光原理,电压波形和光谱各不相同,主要从以下三大方面对视力造成影响。

(1)灯的电压波形造成的闪烁光: 低频闪烁造成眼睛疲劳近视;高频闪烁伤害视细胞,造成视力下降;

(2)灯发出的红外线.紫外线和高幅度蓝光,长期有可能造成晶状体蛋白变性,会导致白内障,黄斑病变等眼疾。

(3)电磁辐射: 可能造成的危害

1)细胞癌的诱导;2)异常的激素;3)强烈的钙流失;4)触发性痴呆;5)异常妊娠和分娩;6)高血压和心脏疾病;7)电磁波过敏症;8)抑郁症增加

一.下面来谈一谈白炽灯,就是我们俗称的灯泡。

白炽灯的电压波形造成的闪烁光属于低频闪烁光 。

白炽灯依靠灯丝达到几千摄氏度的高温发光,在这种高温下还会发出红外线。

1.1低频闪烁光

通常民用电压110伏60赫兹交流正弦电压加在白炽灯灯丝上,(赫兹:一秒之内电压从最高峰值电压经过零点到最低谷底电压,再经过零点回到峰值电压次数。)当正弦电压峰值(最高点)电压加在灯丝上,灯达到最大亮度,当正弦电压零点加在灯丝上,灯丝亮度最小;一秒亮度从明到暗有60次变化。

incandescent voltage waveform

图1.白炽灯60赫兹交流电压波形

人的瞳孔在亮的时候会收缩,在暗的时候会扩张,波兰Wroclaw技术大学测量了瞳孔大小与低频光的明暗的关系。[1]

眼部肌肉一秒之内随着亮度变化调节瞳孔收缩扩张60次,长久就会疲劳松弛而不能调节眼睛看清远处的东西,近视就造成了。

中国南通大学附属医学院发现低频光对于老鼠造成近视。[2]

澳大利亚La Trobe大学用小鸡做实验发现低频光促进了近视。[3]

incandescent flicker

图2.高速照相机下白炽灯闪烁光,低频闪烁光下照片, 右边是瞳孔在暗(darkness)时扩大和亮(light)时收缩的照片

http://en.wikipedia.org/wiki/Power-line_flicker网站解释了电网中电压变化因素导致闪烁。

美国电气电子工程学会,对低频,高频闪烁光对视力健康影响做了研究,Biological Effects and Health Hazards From Flicker, Including Flicker That is Too Rapid To See. 结果总结在论文中的表格1。[4]

2.红外线

白炽灯依靠灯丝发热达到几千度以上来发光,会产生红外线,长久红外线会造成晶状体,视网膜损伤。

瑞典乌普萨拉大学医院神经眼科做了研究。一些科学的数据表明,近红外辐射可能会导致在晶状体的累积损伤[5]。

德州大学奥斯汀分校的生物医学工程部门做了试验,发现1300nm红外线对家兔视网膜造成损伤。 [6]。

二.再来谈谈日光灯,就是我们常说的荧光灯, 节能灯或是灯管。

日光灯的电压波形成的闪烁光是高频闪烁光, 我们电脑屏幕在调光状态下就是高频闪烁光。

日光灯. 依靠高压击穿惰性气体产生紫外线打在灯管内部荧光粉上发光,光线中含紫外线。

1.高频交流电压(高于1000赫兹)造成高频闪烁光

震流器产生频率高于100赫兹的交流正弦电压加在日光灯上,灯的亮度随着电压峰值到零点变化而变化,产生高频闪烁光。

50kvoltage

图3.日光灯高频交流电压波形

fluorescentflicker

图4.高速相机拍摄的日光灯长灯管和弯曲形灯管的闪烁光。

眼部肌肉已经跟不上这么高的频率,强光直接照在视网膜上,长久会感到刺眼,头痛,视力下降。许多小朋友玩手机,平板电脑,视力下降跟高频闪烁光有关。

佛罗里达大学的眼科学系发现强光照射和年龄相关黄斑变性相关联,年龄相关黄斑变性是致盲主要因素,连续强光照射容易造成视网膜光化学损伤[7]。

英国Essex大学,加拿大国家研究委员会,美国Northeast大学,做了LED灯闪烁的健康研究:闪烁(70赫兹)以上可引起全身乏力,头痛及视力障碍[8]。

2 紫外线

日光灯高压击穿惰性气体产生紫外线,打在灯管壁上的荧光粉上发光,所以荧光灯发出的光中含紫外线,紫外线长期照射造成皮肤癌,白内障。因为日光中含有紫外线,眼科医生建议戴墨镜,抵挡紫外线,防止白内障。

纽约市Fordham大学自然科学系发现紫外线辐射是造成白内障和黄斑变性的危险因素。[9]

三.最近几年非常流行的LED灯对眼睛有益吗?我们可以通过它的电压波形和光谱分析一下。

1. 电池直接加在灯的两端,由于没有反馈检测电压,电压漂移造成低频闪烁光:

长电线连接在电池和灯之间, 电池电压=电线电压+LED灯电压,电线电压=电流*电线电阻,电线通过电流发热,电线电阻增大,电线电压增大, 电池电压不变,LED灯电压减小,灯变暗,电流减小,电线电压减小,电池电压不变,LED灯电压增大,灯变亮,电流增大。 眼部肌肉随着亮度变化调节瞳孔收缩扩张,长久就会疲劳松弛而不能调节晶状体看清远处的东西,近视就造成了。

2.高频纹波造成高频闪烁光

LED电源会产生高频纹波,纹波是在基准直流电压附近的电压波动,因为LED电压与电流成指数关系,微小电压波动将造成很大电流波动,高频电压纹波会造成高频亮度闪烁。

LEDripple

图5.LED灯上有纹波的直流电压

V&I LED

图6.LED电压与电流关系曲线

当工作点由于纹波电压微小变化a点移到b点,Va到Vb电压变化微小,但是对应电流ia到ib有很大变化,灯亮度正比于灯的功率,b点功率=Vb*ib远远大于a点功率=Va*ia,所以灯的亮度有很大变化。微小纹波造成亮频闪烁。

3. 恒流控制,在内部开关电源开关打开关断瞬间,会有电压尖峰,造成电流大的变化,造成高频闪烁光

LED flicker light

图7.高速相机拍摄的LED闪烁光。

4. 高端调光灯具用调节开关时间来调节亮度,高频开关造成灯高频闪烁光

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图8.高频开关调光电压电流波形。

眼部肌肉已经跟不上这么高的频率,强光直接照在视网膜上,长久会感到刺眼,头痛,视力下降。

5. 市场上很多的LED灯珠含有较强蓝光,蓝光造成视网膜黄斑病变。

有些含有紫外线,有些含有红外线,紫外线造成白内障,红外线造成晶状体蛋白变性。

位于德克萨斯州,圣安东尼奥市Northrop Grumman信息技术公司做研究 收集的数据显示:近紫外线 蓝光产生眩光 降低视觉性能[10]。

德克萨斯西南医学中心发现强烈的蓝色光可引起黄斑变性等视力问题[11]。

如果要防止近视,最大限度减少眼睛疲劳,必须避免低频交流电压,高频交流电压加在灯上,必须除掉电源中的电压纹波,恒定直流电压加在灯上。

要预防白内障,必须除掉灯光谱中的紫外线;

要预防视网膜损伤,必须除掉灯光谱中的红外线;

要预防视网膜黄斑病变,必须除掉光谱中的有害蓝光;

要减少电磁辐射对人体伤害,必须设计过滤器符合国际电磁标准。

Upright Lighting LLC, www.uprlt.com 设计的E27型LED恒明台灯,专利技术除掉低频,高频闪烁光,UL电磁测试证明符合国际标准,精选灯珠采用连续光谱模拟太阳光,没有尖峰单色光分量,不含紫外线,不含红外线,不含有害蓝光,理论在国际眼科杂志发表,US National Library of Medicine, US National Institutes of Health收录, 美国认证机构UL认证电源, 中国国家家用电器质量监督检验中心检验通过。

我们的产品与市场LED灯的比较

市场上的LED电源用以下三种控制方式:

1.电池控制:长电线连接在电池和灯之间,没有反馈,会有低频闪烁光。

2.恒压控制:电压在直流电压附近波动,因为LED电压,电流指数关系,电压微小波动造成电流大的变化,造成高频闪烁光;

以下是市场上通用的用作LED电源的恒压控制电源加在LED灯上的交流纹波波形,示波器采用Tektronix TDS1001B.

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图9.恒压控制电源纹波,交流峰值在40毫伏左右,造成高频闪烁光,伤害视网膜和视细胞

3. 恒流控制:在内部开关电源开关打开关断瞬间,会有电压尖峰,造成电流大的变化,造成高频闪烁光,

以下是市场上通用的用作LED电源的恒流控制电源加在LED灯上的交流纹波波形,示波器采用Tektronix TDS1001B.

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图10.恒流控制电源,电压尖峰在15毫伏左右,造成高频闪烁光,伤害视网膜和视细胞。

我们的专利技术去掉低频,高频闪烁光。

以下是Upright Lighting 护眼台灯LED灯上的电压, 纹波是0。示波器采用Tektronix TDS1001B. 我们的灯既没有低频闪烁光,也没有高频闪烁光。最大限度减少眼睛的疲劳,预防近视,减缓近视加深。

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图11.Upright Lighting 护眼台灯LED灯上的电压, 纹波是0。

Upright Lighting LLC, www.uprlt.com 设计的E27型LED台灯, 专利技术除掉低频,高频闪烁光,最大限度减少眼睛的疲劳, 预防近视,减缓近视加深; UL电磁测试证明符合国际安全标准,精选灯珠采用连续光谱模拟太阳光,没有尖峰单色光分量,让眼睛感觉灯光柔和,舒适; 不含紫外线, 预防白内障; 不含红外线,预防晶状体蛋白质变性。不含有害蓝光, 预防黄斑病变。 理论在国际眼科杂志发表,US National Library of Medicine, US National Institutes of Health收录; 美国认证机构UL认证电源, 中国国家家用电器质量监督检验中心检验通过。

参考文献

  • [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
  • [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]Biological Effects and Health Hazards From Flicker, Including Flicker That is Too Rapid To See. IEEE Standard P1789 2/15/10
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  • [6] 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
  • [7] 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.
  • [8]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.
  • [9] 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
  • [10]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
  • [11]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.