В статье рассмотрены условия формирования избыточной дозы синего света при светодиодном освещении. Показано, что оценки светобиологической безопасности, проводимые по ГОСТ Р МЭК 62471-2013, нуждаются в уточнении с учетом изменения диаметров зрачка глаза при светодиодном освещении и пространственного распределения светопоглощающего синий свет (460 нм) пигмента в желтом пятне сетчатки глаза. Приведены методические принципы расчета избыточной дозы синего света в спектре светодиодного освещения относительно солнечного света. Указано, что сегодня в США и Японии изменяется концепция светодиодного освещения и создаются светодиоды белого света, минимизирующие риски нарушения здоровья человека. В частности, в США эта концепция распространяется не только на общее освещение, но и на мониторы компьютеров и автомобильные фары.
В настоящее время все шире 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». Он подготовлен 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») и является идентичным ему (см. п.4. ГОСТ Р МЭК 62471-2013).
Такой трансфер внедрения стандарта говорит о том, что в России нет собственной профессиональной школы по светобиологической безопасности. Оценка фотобиологической безопасности является крайне актуальной для обеспечения безопасности детей (поколения) снижения угроз национальной безопасности.
Сравнительный анализ солнечного и искусственного освещения
В основе оценки светобиологической безопасности источника света лежит теория рисков и методология количественной оценки предельных норм воздействия опасного синего света на сетчатку глаза. Предельные значения показателей светобиологической безопасности рассчитываются для установленного предела облучения диаметра зрачка 3 мм (площадь зрачка 7 мм2). Для этих значений диаметра зрачка глаза определены значения функции B(λ) — взвешенная спектральная функция опасности от синего света, максимум которой приходится на спектральный диапазон излучения 435-440 нм.
Теория рисков негативного влияния света и методология расчетов фотобиологической безопасности была разработана на базе основополагающих статей основателя фотобиологической безопасности искусственных источников света доктора Дэвида Слини (David H. Sliney).
Дэвид Слини (David H. Sliney) 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 закончил службу и вышел на пенсию. Его научные интересы сосредоточены на предметах, связанных с УФ-воздействием на глаза, взаимодействий лазерного излучения и тканей, лазерных опасностей и применения лазеров в медицине и хирургии. Дэвид Слини 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). Он, в соавторстве издал Справочник «Безопасность с лазерами и другими оптическими источниками», Нью-Йорк, 1980. В 2008-2009 годах доктор Дэвид Слини служил президентом Американского общества по фотобиологии.
Разработанные Дэвидом Слини основополагающие принципы лежат в основе современной методологии фотобиологической безопасности искусственных источников света. Этот методологический паттерн автоматически перенесен и на светодиодные источники света. На нем 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 типа Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), International Dark-Sky Assosiation (IDA) и НП ПСС РФ;
• крупнейшие фирмы-производители Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia и
российские производители «Оптоган», «Светлана Оптоэлектроника»;
• а также ряд НИИ, университетов, лабораторий: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), а также НИИИС им. А.Н.Лодыгина«, ВНИСИ им. С.И. Вавилова.
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_Final_July2011). В этом европейском отчете в соответствии с требованием стандарта EN 62471 проведено сравнение спектров солнечного света со светом искусственных источников света (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 представлен спектральный паттерн светодиода белого света, который состоит из кристалла, излучающего синий свет, и желтого люминофора, которым он покрыт для получения белого света.
Рис. 1. Спектр света белого светодиода.
На рис. 1. также указаны 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).
Рис.2. Спектр солнечного света в зависимости от времени суток.
Из рисунка видно, что в интервале цветовой температуры от 4000 К до 6500 К соблюдаются условия «меланопсинового креста». На энергетическом спектре света амплитуда (А) на 480 нм должна быть всегда больше, чем амплитуда на 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).
Рис. 3. Эффект «меланопсинового креста»
Избыточная доля синего света в спектре светодиодного спектра по отношению к доле синего света в спектре лампы накаливания превышает более 55%.
Учитывая выше сказанное, сравним солнечный свет при Тк = 6500 К (6500 К-предельная цветовая температура для сетчатки глаз по Дэвиду Слини, а по санитарным нормам 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).
Рис. 4. Сравнение спектров солнечного спектра, лампы накаливания и светодиодных ламп.
Из рисунка видно следующее:
— светодиодная лампа (Тк = 4200 К) имеет выброс на 460 нм больше, чем у солнечного света (6500 К);
— в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 480нм на порядок (в 10 раз) больше, чем в спектре солнечного света (6500 К);
— в спектре света светодиодной лампы (Тк = 4200 К) провал на 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 данных, приведенных на рис.2, видно, что доза синего света 460 нм в спектре солнечного света для цветовой температуры 4000 К намного меньше, чем доза синего света 460 нм в спектре солнечного света при цветовой температуре 6500 К.
Из этого следует, что дозы синего света 460 нм в спектре светодиодного освещения с цветовой температурой 4200 К будет значительно (на 40%) превышать дозу синего света 460 нм в спектре солнечного света с цветовой температурой 4000 К при одинаковом уровне освещенности.
Эта разница между дозами и составляет избыточную дозу синего света при светодиодном освещении относительно солнечного света с той же цветовой температурой и заданным уровнем освещенности. Но эта доза должна быть дополнена дозой синего света от эффекта неадекватности управления зрачком в условиях светодиодного освещения с учетом неравномерности распределения пигментов, поглощающих синий свет 460 нм, по объему и площади. Именно 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 температурой и эффективной работы желтого пятна сетчатки и т.п.)
Физиологические особенности строения глаза, влияющие на безопасное восприятие света
Схема 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 солнечного 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 460 нм) и формирование которого имеет свою эволюционную историю.
У новорожденных область желтого пятна светло-желтого цвета с нечеткими контурами.
С трех месячного возраста появляется макулярный рефлекс и уменьшается интенсивность желтого цвета.
К одному году определяется фовеолярный рефлекс, центр становится более темным.
К трех — пятилетнему 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. Понятие «желтое пятно» возникло в результате макроскопического исследования трупных глаз. На плоскостных препаратах сетчатки видно небольшое пятно желтого цвета. Долгое время химический состав пигмента, окрашивающего эту зону сетчатки, был неизвестен.
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 распределено по площади неравномерно (в центре максимум, а по краям в разы меньше), это значит и защита от синего света (460 нм) минимальна по краям. С возрастом количество пигментов снижается, в организме они не синтезируются, их можно получить только с пищей, поэтому общая эффективность защиты от синего света в центре желтого пятна зависит от качества питания.
Эффект неадекватности управления зрачком
На рис. 5. приведена общая схема сравнения проекций светового пятна галогенной лампы (по спектру близка к солнечному спектру) и светодиодной лампы. При светодиодном свете площадь засветки больше, чем от галогенной лампы.
Рис. 5. Сравнение площади световой засветки сетчатки галогенной и светодиодной лампой.
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 460 нм, по объему и площади. Данная качественная оценка избыточной доли синего света в спектре белых светодиодов может стать методической основой для количественных оценок в будущем. Хотя из этого ясно техническое решение о необходимости заполнения провала в области 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.). Это обеспечивает приоритет России в области создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром.
К большому сожалению, эксперты Минпромторга РФ данное направление не приветствуют, что является основанием не финансировать работы в данном направлении, которое касается не только общего освещения (школ, роддомов и т.п.), но и подсветку мониторов и автомобильных фар.
При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что создает условия для получения избыточной дозы синего света, которая негативно воздействует на клетки сетчатки (ганглиозные клетки) и ее сосуды. Негативное воздействие избыточной дозы синего света на эти структуры потверждено работами ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и ФАНО.
Выше выявленные эффекты по неадекватному управлению диаметром зрачка глаза рапространяются на люминесцентные и энергосберегающие лампы (рис. 6). При этом имеет место быть повышенная доля УФ-света при 435 нм («Оптическая безопасность светодиодного освещения» CELMA‐ELC LED WG(SM)011_ELC CELMA position paper optical safety LED lighting_Final_July2011)).
Рис.6. Спектры люминесцентных ламп с различными значениями коррелированной цветовой температуры.
В ходе экспериментов и измерений, проведенных в школах США, а также в российских школах (НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков НЦЗД РАМН) было установлено, что с уменьшением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света увеличивается диаметр зрачка глаза, что создает предпосылки для негативного воздействия синего света на клетки и сосуды сетчатки. С увеличением коррелированной цветовой температуры искусственных источников света уменьшается диаметр зрачка глаза, но не достигает значений диаметра зрачка при солнечном свете.
Избыточная доза УФ-синего света приводит к ускорению деградационных процессов, которые увеличивают 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 здоровью в трудоспособном возрасте.
Концепция создания полупроводниковых источников освещения с биологически адекватным светом
В противовес консерватизму экспертов Минпромторга РФ и Инновационного центра «Сколково» культивируемая авторами статьи концепция создания полупроводниковых источников белого света с биологически адекватным светом набирает сторонником по всему миру. Например, в Японии компанией Toshiba Material Co., LTD созданы светодиоды по технологии TRI-R (рис. 7).
Рис.7. Технология TRI-R.
Такая комбинация фиолетовых кристаллов и люминофоров позволяет синтезировать светодиоды со спектрами, близкими к спектру солнечного света с различной цветовой температурой, и устранить вышеуказанные недостатки в спектре светодиода (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).
На рис. 8. представлено сравнение спектра солнечного света (TK = 6500 К) со спектрами светодиодов по технологии TRI-R и технологии (синий кристалл, покрытый желтым люминофором).
Рис. 8. Общая картина сравнения спектров света (Источник: http://trir-pj.com/technology/).
Из анализа представленных данных видно, что в спектре белого света светодиодов по технологии TRI-R устранен провал на 480 нм и отсутствует избыточная доза синего.
Итак, проведение исследований по выявлению механизмов воздействия света определенного спектра на здоровье человека является государственной задачей. Игнорирование этих механизмов приводит к много миллиардным издержкам.
Выводы
В Санитарные Правила записывают нормы из светотехнических нормативных документов, путем перевода европейских стандартов. Эти стандарты формируются специалистами, не всегда являющимися независимыми и проводящими свою национальную техническую политику (национального бизнеса), которая часто не совпадает с национальной технической политикой России.
При светодиодном освещении происходит неадекватное управление диаметром зрачка глаза, что ставит под сомнение корректность фотобиологических оценок по ГОСТ Р МЭК 62471-2013.
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.
Технические решения по разработке светодиодов светильников и экранов ПК должны учитывать обеспечение безопасности глаз и здоровья человека, принять меры по исключению эффекта «меланопсинового креста», который имеет место для всех ныне существующих энергосберегающих источников света и подсветки устройств отображения информации.
При светодиодном освещении с белыми светодиодами (синий кристалл и желтый люминофор), которые имеют провал в спектре на 480 нм, идет неадекватное управление диаметром зрачка глаза.
Для родильных домов, детских учреждений и школ должны разрабатываться светильники с биологически адекватным спектром света, учетом особенностей детского зрения и проходить обязательную гигиеническую сертификацию.
Выводы кратко от редакции:
1. Светодиоды очень ярко излучают в синей и ближней УФ области и очень слабо в голубой.
2. Глаз же «измеряет» яркость, чтобы сузить зрачек по уровню не синего, а голубого цвета, который в спектре белого светодиода практически отсутствует, поэтому, глаз «думает», что темно и раскрывает зрачок пошире, что приводит к тому, что на сетчатку попадает в разы больше света (синего и УФ), чем при освещении солнцем и этот свет «выжигает» светочувствительные клетки глаза.
3. При этом избыток синего света в глазу приводит к ухудшению четкости изображения, т.к. на сетчатке формируется картинка с ореолом.
4. Глаз детей примерно на порядок более прозрачен для синего, чем у пожилых, поэтому у детей процесс «выжигания» в разы интенсивнее.
5. И не надо забывать, что светодиоды — это не только освещение, но и сейчас почти все экраны.
Если дать еще один образ, то повреждения глаз от светодиодов сродни слепоте в горах, которая возникает от отражения УФ от снега и опаснее как раз в пасмурную погоду.
Возникает вопрос, что делать тем, кто уже имеет у себя светодиодное освещение, как обычно, из светодиодов непонятного происхождения?
Приходит в голову два варианта:
1. Добавить дополнительную подсветку голубым светом (480нм).
2. Поставить на лампы желтый светофильтр.
Первый вариант нравится больше, т.к. есть в продаже синие (голубые) светодиодные ленты с 475нм излучения. Как только проверить, какая там в реальности длина волны?
Второй вариант «съест» часть света и лампа будет тусклее, и, к тому же, тоже неизвестно, какую часть синего мы уберем.
