Под катом обзор механизмов незрительного действия света: фотоповреждения и воздействия на циркадную систему.
Фотоповреждение:
Энергия электромагнитной волны может повредить биологическую ткань. Опасны либо большое количество света, либо его концентрация на маленький участок, либо освещение квантами высокой энергии.
Много искусственного света бывает редко – для справки в офисах нормируется освещенность 300 лк, а естественная освещенность в средней полосе в солнечный день в тени 10 000 лк.
Сконцентрировать много света на малый участок сетчатки просто — посмотрите на яркий объект. Яркий, значит излучающий много света с малой площади, например нить лампы накаливания или светодиод. Оптическая система глаза спроецирует яркий объект на пропорционально ярко освещенный участок сетчатки и — здравствуй дискомфорт и фотоповреждение. Обратимое при малой дозе и необратимое при большой.
Проекция изображения яркого объекта на пропорционально интенсивно освещенный участок сетчатки.
Опасна синяя компонента белого света — близкая на шкале и по свойствам к ультрафиолету. Энергия кванта больше, вероятность запуска фотохимических реакций выше (сам ультрафиолет для сетчатки не опасен, так как отфильтровывается хрусталиком).
Насколько опасны спектральные составляющие прописано в ГОСТ Р МЭК 62471-2013 «Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность».
Спектральные взвешенные функции опасности синего света для сетчатки B(?) и тепловой опасности R(?)
Про «R» можно не говорить, так как для термического повреждения нужно ну очень много света, кривая фотохимической опасности «B» интересней. Противники светодиодного освещения утверждают, что синей составляющей в свете светодиодов больше, а значит фотоопасность при прочих равных выше. Этот миф развеем ниже.
Фотоповреждение сетчатки светодиодным светом – реальная опасность при условии наличия мощных дискретных светодиодов в поле зрения. Субъективно воспринимаемый признак фотоповреждения – дискомфорт при взгляде на яркие светодиоды. Дискомфортно – не смотрите! И закрывайте светодиоды рассеивателем.
Рассеиватель снижает яркость светодиодов на несколько порядков. Например офисные светильники 60?60см (площадь 3600 см2) с типичным максимальным световым потоком 3600 лм вписываются в норматив по яркости 5000кд/м2 по ГОСТ 54350-2011 для потолочных светильников. Удобное отношение – 1 лм на 1см2.
По аналогии заключаем, что светильник безопасен, если один квадратный сантиметр рассеивателя излучает не более одного люмена светового потока. Если меньше – светильник неярок и комфортен, если больше — ярок и дискомфортен, а возможно и опасен. Посчитайте сколько люмен с одного квадратного сантиметра рассеивателя излучает ваш домашний светильник.
Влияние сета на циркадные ритмы
Выработка гормона сна мелатонина регулируется единственным фактором – синей составляющей света, попадающей в глаза. Вот график:
Кривая эффективности воздействия на циркадную систему c(?). Tapan K. et al. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. Journal Physiology 535 (2001) pp.261-267.
Максимум, как видно, приходится на синий свет. Зеленый и более длинные волны не влияют на циркадную систему. Например, золотистый свет натриевых ламп, которым освещают дороги, освещает, но не будит. И лампы накаливания почти не будят, так как в их теплом свете почти нет синего.
А вот дневной холодный свет, в котором синего много, подавляет выработку мелатонина эффективно. Если окна выходят на солнечную сторону и шторы не задернуты, подъем будет ранним.
Общее правило: чем выше цветовая температура света, чем он холодней, чем больше в нем синей компоненты, тем выше его биологическая эффективность, тем сильней он воздействует на циркадную систему (и тем он опасней при высокой яркости источника!).
А теперь главный вопрос: больше ли синего света в светодиодном спектре по сравнению с дневным или со светом люминесцентных ламп при равной цветовой температуре?!
Ответим, посчитав биологический эквивалент, то есть долю синего света в данном спектре по отношению к свету лампы накаливания. Будем считать эквивалент по аналогии с расчетом светового потока, но интегрируя спектр не с кривой видности, а с кривыми биологической эффективности c(?) и B(?) (методику ввел бывший президент МКО Wout van Bommel):
Получается вот что:
LED — светодиоды, F — люминисцентные лампы, A — лампа накаливания, D — дневной свет, MAX и MIN — теоретически возможные максимумы и минимумы BioEq (для несуществующих в природе спектров, найденых методом линейного программирования)
Видно, что для реальных источников света биологическое действие зависит от цветовой температуры, но не зависит от природы света. И белый свет светодиодов не отличается от люминесцентного или дневного белого света по своему незрительному действию.
Методами математического моделирования можно создать спектры из отдельных тонких линий в нужных местах, которые имеют кратно больший или кратно меньший биологический эквивалент при той же цветовой температуре. Реальные же спектры, более-менее заполняющие видимый диапазон имеют практически одинаковый биологический эквивалент, пропорциональный только цветовой температуре.
А теперь зададимся вопросом – опасно ли пусть даже кратное повышение биологического эквивалента? Посмотрим на заглавную иллюстрацию — «Завтрак гребцов» Ренуара. На этой картине изображена сцена с освещенностью около 5 000 лк дневным светом с цветовой температурой около 5000 К. Биологическое действие этого освещения в десятки раз превышает биологическое действие любых «офисных» светильников дающих нормируемые 300 лк при любой реальной цветовой температуре. И люди на картинке, отметьте, счастливы.
Ждем вас на ЛедФоруме. И пишите в комментариях вопросы для специалистов! Ответы лягут в основу новых нормативных документов.
Комментарии (26)
Meklon
04.11.2015 16:20+2Насчёт фототоксичности и безопасности для сетчатки согласен. Хотя не надо забывать, что и зрачок/диафрагма меняет диаметр днём и вечером. От 1 до 8 мм. Пересчитать свет лень, если кто-то сможет — сравните.
Насчёт циркадных ритмов не согласен. Там важны пропорции, а не абсолютная плотность фотонов нужной длины волны.
Celtis
04.11.2015 21:48А насколько важна плавность спектральной характеристики источника? Будует ли польза, к примеру, если к основному освещению примешивать освещение RGB-лент с их игольчатой характеристикой, чтобы имитировать заход солнца?
Meklon
04.11.2015 21:53Мы трихроматы. У нас всего три типа сенсора. Все проблемы в неравномерности спектра лишь в том, что возможны искажения оттенков предметов. Если будет основное освещение, то «подкрашивание» особо не повлияет на цвета, как мне кажется. Так чтобы это психологически раздражало.
iva2000
04.11.2015 22:05Ставьте холодные белые и теплые белые светодиоды (и те и другие с высокой цветопередачей, т.е. с плавным спектром) в один светильники и диммируйте их независимо, тем самым регулируя цветовую температуру. И это будет хорошее решение. RGB в примеси теоретически может дать пользу, но я этим занимался практически — практически ничего хорошего не выходит.
Alexufo
05.11.2015 03:20Я никак не могу по не знанию кое что сообразить. Если мы используем RGB светодиод, варьируя яркость каждого для получения оттенков, мы реально получаем разные длины волн из видимого спектра или это иллюзия для глаза и получить конкретное точное значение длины волны между R и G, как если бы мы использовали дополнительный светодиод между ними с точной длиной волны, нельзя? Там есть какие то мертвые зоны?
Celtis
05.11.2015 03:34+1Это иллюзия.
«RGB-светодиод» — это, по сути, маркетинговое название сборки из трех диодов основных цветов.
Меняя яркость каждой из составляющих мы лишь меняем высоту игольчатого пика соответствующего цвета. Промежуточные значения, увы, не появляются.
Moskus
05.11.2015 01:22На самом деле, важно не столько само по себе изменение диафрагмы, но и величина этого изменения, как функция спектра.
Потому что глаз, как и типичная цифровая фотокамера, регулирует количество света, попадающего на сетчатку, вовсе не одинаково, пропорционально освещенности. Спектральный зеленый заставляет зрачок закрыться заметно сильнее, чем синий или красный. И ровно по этой причине, реакция зрачка на ртутно-флюоресцентную лампу, у которой жирная линия на 546нм, и на светодиод, у которого голубой пик и желтый горб, разная.
lebytea
05.11.2015 07:04Со стороны обычного обывателя выглядит как «корпоративные войны» против светодиодов.
FransuaMaryDelone
05.11.2015 11:09Что означает термин «цветовая температура»?
iva2000
05.11.2015 11:11FransuaMaryDelone
05.11.2015 12:311. какая-то порочная практика — «цветовой тон» приравнивать к набору частот. Ведь один тон можно несколькими разными наборами частот описать, нужны дополнительные слова о том, какой именно набор частот соответствует тону.
2. «цветовая температура» — неоднозначный и какой-то противоестественный показатель. Формула Планка описывает непрерывный спектр (зависимость интенсивности от частоты). Чтобы считать эту «цветовую температуру» по формуле Планка, нужно обоснование хотя бы того, что она применима. Потом нужно выбрать на каких-то основаниях конкретную частоту, да еще и знать интенсивность.
— Зачем столько мороки, если известен спектр (зависимость интенсивности от частоты)? Какой смысл вкладывается в «цветовую температуру»? Чем она лучше интенсивности? Какую дополнительную информацию несет?iva2000
05.11.2015 12:42Спектром (набором из, например, 40-ка значений через каждые 5нм зрительного диапазона) оперировать могут далеко не все, а прочитать на этикетке одно значение цветовой температуры и понять — теплый свет или холодный, уже многие.
mousus
05.11.2015 11:39+1Вот про что совсем забыли (случайно/намерено) так это упомянуть про наличие у любого светодиодного светильника драйвера, который заставляет диод мигать и плохие диоды своим мерцанием наиболее вредны для зрения и здоровья. Требуется ещё и про мерцание и его вред для здоровья для люминесцентных и диодных ламп выкладки привести.
iva2000
05.11.2015 11:43Пульсации светового потока — вопрос в большей степени относящийся к люминисцентным, чем к светодиодным лампам.
Типичый уровень пулсьации светового потока люминисцетных ламп 4*18Вт с электромагнитным ПРА — 40%. Такие стоят в большинстве офисов, школ и детских садов страны.
У современных светодиодных аналогов в большинстве случаев пульсации кратно ниже. Я не хвалю светодиодные светильники, но указываю, что они значимо по этому параметру от люминисцетных ламп в худшую сторону не отличаются.
И поэтому в контексте обсуждения допуска или недопуска светодиодов в сады и больницы взамен люминисцетных предлагаю этот параметр не обсуждать.mousus
05.11.2015 12:07+1Нет, обсуждать это надо. Пока лично меня не коснулось не понял что это серьёзный блокер: когда менял дома лампы накаливания на светодиоды в санузел сначала купил плохие мигающие диоды и зрительный дискомфорт с головной болью начались после 3-5 минут нахождения в таком помещении, побежал тут же менять на другие. С приличной доплатой.
iva2000
05.11.2015 12:35В школах, садах и больницах накладывают жесткие требования на все параметры, в том числе второстепенные. Вводимое светодиодное освещение будет лучше люминесцентного хотя бы по причине такого «закручивания гаек».
Celtis
05.11.2015 12:05В обзорах LED-ламп всегда обращают внимание на коэффициент пульсации Kp. У оних ламп он лучше, у других — хуже.
Кстати странно, почему не выпускают лампы чуть дороже, но использующие в качестве драйвера стабилизированный источник?iva2000
05.11.2015 12:26Компоненты схемы снижающие пульсации с 20% до 1% стоят 20 центов и отъедают около 2%КПД. Это достаточно дорого для серийной продукции, и без заказа делаться не будет.
Первые икеевские лампы были такими, потом пульсации выросли снова до ~20%. Спроса на низкие пульсации нет из-за низкого уровня информирования населения. Но обзоры потихоньку делают свое дело.
qbertych
Еще объясните зачем считать свертку с B(?), если нас волнует влияние на циркадный ритм (аналогично, зачем считать свертку с C(?), если хочется оценить биологическую опасность). Кстати, свертку с чем именно вы считаете на графиках?
iva2000
1) Поправил картинки (уползла легенда), добавил подпись «LED — светодиоды, F — люминисцентные лампы, A — лампа накаливания, D — дневной свет, MAX и MIN — теоретически возможные максимумы и минимумы BioEq (для несуществующих в природе спектров, найденых методом линейного программирования)»
2) Свертку с c(?) считаем оценивая влияние на циркадный ритм, а с B(?) — оценивая биологическую опасность. С чем делалась свертка указано на подписи вертикальных осей графиков.
qbertych
Теперь понятно :). А в сколько раз отличаются минимально разрешенная и максимально разрешенная интенсивности света (хотя бы по тому же госту)?
iva2000
Не знаю как ответить на ваш вопрос. Нормируется ограничением снизу освещенность (то есть световой поток на единицу освещаемой площади). Иногда ограничивают сверху цветовую температуру, иногда рекомендуют какую-то конкретную цветовую температуру.