（光学工程专业论文）光生物安全性的测试与评价研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 光生物安全性是指光源光辐射对人体的危害性，例如紫外辐射可以引起皮 肤癌、白内障等，强激光可以灼伤皮肤、视网膜等。过去，由于科学技术的不 发达，人们受到的主要是日光辐射，而由于大气的保护作用，光辐射引起的危 害相对较小。而现今科学技术飞速发展，越来越多的人工光源被生产制造出来， 这些人工光源虽然改善了人们的生活，但它们也将人们暴露在更大的光辐射危 害中。另外近年来l e d 产业飞速发展，高亮度、大功率的l e d 不断涌现，过 去的l e d 出射光不会对人体造成危害的时代一去不复返了，人们不得不开始关 注l e d 产品的光生物安全性。还有激光产品在光通信、显示、指示等各个领域 的使用也加大了人们受到光辐射危害的可能性。因此，尽快使人们意识到光生 物安全性的重要性已经迫在眉睫。 但是对于光生物安全性的研究，发达国家尤其是欧洲处于绝对的领先地位， 我国对这方面的研究尚处于起步阶段，与国际存在较大差距。可我国是当今世 界的制造业加工中心，而且加入了w r i d ，为了在国际竞争中获得主动就必须缩 小这一差距。因此我们在国内率先开展了光生物安全性的测试与评价的方法的 研究。 按照被测光源类型的不同，光生物安全性的测试与评价分为相干光源( 激 光) 和非相干光源的光生物安全性测试与评价，对此国际照明委员会( c i e ) 和 国际电工委员会( 1 e c ) 都出版了相关的标准，但是在某些地方尚存在不足。本 文对相干和非相干光源的测试与评价分别作了相应研究并进行了实验验证，此 外还对光生物安全性的测试与评价过程中涉及的表观光源测试、脉冲特性测试 和扫描特性测试等难点问题作了相应研究并构建了适用的测试系统。 通过本课题的研究，建立了一整套比较完善的光生物安全性测试与评价系 统，并为p h i l i p s 公司的l e d 产品进行了测试。 关键词：光生物安全性，测试，评价，表观光源，曝辐限值( e l ) ，可达发射 极限( a e l ) 浙江大学顾士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lm d i a t i o ni s au b i q u i t o u ss t r e s s o rt h a tm a yb ei m p t i n gh u m a na n d e c o l o g i c a ls y s t e m so nag l o b a ls c a l e t o 嬲s e s s m c n tt l l i si l i l p a c t ，p e o p l es t a nt h e s t u d yo f p h o t o b i o l o g y c a l 咖 t h ec o n c e p to f ”p h o t o b i o l o g ”a l 鼢f c t y ”h a sb e e ns t u d i e df i ) r5 0y e a r so rm o r e i nt h a tt i m e ，w h a tp c o p l em a i n l yc o n c e m e di sr a ys o u r c e n o w a d a y s ，w eh a v e k n o w nl i g h tm o r e ，c o n s e q u e n t l yw eg oo nt oc o n c e r i lm o r el i g h ts o u r c e s ，s u c ha s t r a d i t i o n a l1 锄p s ，l 船e rp r o d u c t sa n dl e d s d e v e l o p e dc o 眦抽e sh a v em a d eg r e a t p r o g r e s si ns n l d y i n gp h o t o b i o l o g i c a ls a f e t y i c n i i 强h a v em a d es e v e m ls 诅t e m e 眦s 肌dg u i d e l i n e s ，、h i l ec i e 柚di e ch a v ep u b l i s h e ds e v e r a ls t a n d a r d s i no r d e rt o k n o wm o r ea _ b o u tp h o t o b i o l o g y c a ls b 饥w es t a n 也i st l l e m e t l l i sm e m em a i l l l yd e a l t 诵t 1 1 协er e s e a r c ho fm e a s u r e m e n ta i l da s s e s s m e n to f p h o 幻b i o l o g i c a l 鼢f c 饥i n c l u d e dt l l em e a s u r e m e n ta n da s s e s s m e n to fc o h e r e n ta n d i n c o h e r c n to 州c a lr a d i a t i o n b a s e do ns t a l l d a r d so fc i ea n di e c ，w ee s t a b l i s ha 1 1 i i l t e 掣a t e dm e 嬲u r e m e n ts y s t e m ，a 1 1 ds o l v e dm em e a g u r e m e n ta n da s s e s s m e n to f a p p 盯e ms o u r c e ，p u l s e dr a d i a t i o na n ds c a n n e dr a d i a t i o n t h i sp 印e rf i r s td e p i c t sn l er e l a t e dp r i n c i p l eo fp h o t o b i 0 1 0 9 y c a ls 疵t ya i l d 硫d u c t i o n st 1 1 eg l o b a la c t i l a l i 够s e c o n di tm a k e sad e t a i l i n 订o d u c t i o no f t h ei m p a c t o fo p t i c a lr a d i a t i o n ，a n dd e p i c t sm cc x p o s u r cl i m i t sr c c o 咖e n d e db yi c n i i m1 1 1 i r d i ti m r o d u c t i o n so u rm e a s u r 啪e n ts y s t e m f o u r mi ti n t r o d u c t i o n sa 1 1e x p e r i m e n t 砒i o n a n dg i v ead e t a i l e da 1 1 a l y s i so ft l l eo l l t c o m e i nt l l ee n d ，i tm a k e sas u m m 撕z ea 1 1 d g i v e sae x p e c t a t i o no f m e 缸t l l r ew o r k b a s e do n 也i st h e m e ，w e 彻f i l l e d0 1 1 ra n t i c i p 砷e do b j e c t i v c k e yw o r d s ：p h o t o b i o l o g y c a l ，i n e a s u r e m e n t ，a s s e s s m e n t ，a p p a r e n ts o u r c e ，e x p o s u r e l i m i t ( e l ) ，a c c e s s i b l ee m i s s i o nl i m i t ( a e l ) 1 1 浙江大学硕士学位论文 1 1 概述 1 1 1 电磁辐射和光 第一章绪论 光是能量的一种形态f 1 心【3 】，这种能量从一个物体传播到另一个物体，在传 播过程中无需任何物质作为媒介。这种能量的传递方式被称为辐射，辐射的含 义是指能量从能源出发沿着直线向四面八方传播，尽管实际上它并不总是沿直 线方向传播的，特别在通过物质时方向会有所改变。现已知道，有些形式的辐 射是由粒子组成的，例如由放射性物质引起的辐射。光一度也被认为是电子束， 但后来经实践证明，用波动来描述光的特性更为恰当，光线的方向也就是波传 播的方向。约l o o 年前，人们已证实了光的本质是电磁波，后来又搞清了在波 长范围极其宽广的电磁波中，可见光波仅占极小的一部分( 图1 1 ) 。 圈1 1 ：电磁波谱 1 可见光 电磁波可见部分的波长范围约在3 8 0 啪到7 8 0 脚之间，在这个范围内的各 种波长，都可凭眼睛的颜色感觉来加以区别。蓝色和紫色属于短波，红色属于 长波，黄色和绿色处于可见波长范围的中间，也是人眼最敏感的区域。可见光 的最重要的效应就是我们的视觉，视觉是将光能转化为电能或者神经冲动的过 程，它的光化学反应就是光物理与光异构化作用。视觉是人类最重要的知觉功 能，人类接收的外界信息中的百分之八十到九十来自视觉，可见光使我们能够 浙江大学硕士学位论文 感觉、认识、记忆这个世界，使我们能够维持我们的方位。 2 紫外辐射 紫外辐射是指波长范围在l o o 4 0 0 衄的光辐射，一般把l o o 2 8 0 帆称作 u v c ，把2 8 0 3 1 5 n m 称作u v b ，把3 1 5 4 0 0 n m 称作u v a 。其中l o o 2 0 0 1 l i n 的紫外辐射被大气吸收，对人类没有影响，被称为真空紫外，因此对人类有影 响主要是2 0 0 4 0 0 1 1 m 的紫外辐射。人眼不能够感觉到紫外线的存在，但是紫外 线对人的生理也有影响( 表1 1 ) 。 3 红外辐射 波长范围在7 8 0 姗1 m m 的光辐射称为红外光，7 8 啦! 4 0 0 眦为i r a ， 1 4 0 0 3 0 0 0 n m 为脚，3 0 0 0 n m 1 m m 为i r c ，更长的波段属于无线电波的范围。 眼睛也不能感觉到红外辐射的存在，但红外辐射对人的生理也有影响( 表1 1 ) 。 1 1 2 光生物学 光生物学是研究光辐射作用与生物体相互关系的科学【4 】【5 1 ，包括生物体系或 某些组成部分吸收光能后的一系列反应过程，以及生物发光过程。光生物学范 围很广，大体上可分为四大类：第一类是指那些正常的光生物过程，如光合作 用、视觉等；第二类是指光辐射对生物体的损伤效应，较明显的如紫外线危害； 第三类是与光有关的其它重要光生物学过程，如光动力作用和光复活作用等； 第四类是指与光的作用相反的过程，即生物发光。光生物学历史悠久，例如5 0 0 多年前人们就开始了对视觉过程的研究【6 】。 1 1 3 光生物安全性 近年来的光生物学研究表明，光辐射与人类健康息息相关，不管是紫外光、 可见光、红外光，在照射适当的情况下，都能对人体的生理产生积极的影响。 然而，当照射不足或者照射过度的情况下，光辐射带来的影响要么是可以忽略 的，要么就存在潜在危害。对光生物安全性的研究是对光辐射对人体的危害性 的研究。为了评估光辐射的危害性，为人们提供安全用光指导，我们开展了光 生物安全性的测试与评价方法的研究。表1 1 f 7 】所示是各个波段的光辐射对人体 2 浙江大学硕上学位论文 的各种生理学上的影响。 表1 1 ：紫外、可见与红外光辐射的生理影响 影响或戍州 紫外( 1 0 0 4 0 0 n m )可见与近红外红外( 1 4 0 0 n m ) ( 3 0 0 1 4 0 0 n m l 皮肤红斑( 光化学和延时的)烧伤烧伤 致癌作用 红斑( 热和直接的) 红斑( 热和直接 老化作用药物感光性的、 药物感光性 黑素生成 ( 恶性) 黑素瘤，( 良性) 胎 记瘤 眼睛光致结膜炎 角膜光致角膜炎烧伤，震动 晶状体白内障( 直接和跃期的)近红外白内障效应红外白内障效应 染色 硬化症 视网膜视网膜变异热损伤 震动损伤 日光视网膜炎( 光化学损伤) 斑点恶化 光线疗法牛皮癣视网膜分离 单一结构的疱疹糖尿病的视网膜病 牙科胆红素分解 青光眼 去除深红色污点和纹身 光力学治疗 外科学 冬季抑郁症 换班。l 作，飞行时差反 3 浙江大学硕士学位论文 应 持续不变的活动p 8 h ) 低水平激光治疗 益处维他命d生物钟辐射加热 保护性的色素沉着荷尔蒙效应 行为 1 2 光生物作用机理 1 2 1 光的发射与吸收 l 再 f 五 f 图l 一2 ：物质的能级 按照光辐射和吸收的量子理论，物质发射光或吸收光的过程都是与构成物 质的原子( 或分子、离子，为了简化通称原子) 在其能级之间的跃迁联系在一起 的，处于低能级的原子吸收光能跃迁到高能级。 物质受到某种能量的激发，例如电能、热能、光能或高速粒予的轰击会产 生能量的转换，物质粒予( 原子、分子) 会从基态能级跃迁到较高的能级，如 图1 2 所示，从e o e 4 的能级，这时的物质被称为处于激发态或受激态。受激 状态的物质粒子是不稳定的，它始终要趋向稳定的状态，量子力学中就称为跃 迁，这种跃迁不是随意的，它必然遵循叫选择定则的一个定则，按选择定则产 生跃迁时就会有光子发生，这就是光的发射。 1 光的发射 光的发射有自发辐射和受激辐射。 4 浙江大学硕士学位论文 处于高能级e 2 的原子是不稳定的，即使没有任何外界光场的作用，它也有 可能自发地跃迁到低能级e 】，并且发射一个频率为v ，能量为h v = e 2 e l 的光子， 这种光发射称为自发辐射。 对于物质中处于高能级e 2 的各个原子而言，它们各自独立地、随机地自发 跃迁到低能级e - 并发射具有相同能量，从而具有相同频率的光子。但诸光子之 间彼此是不相关的，其运动方向、偏振方向都是随机杂乱的。普通光源的发光 过程就是处于高能级的大量原子的自发辐射过程。 受激辐射是指处于高能级e 2 上的原子，还可能在能量为l l v = e 2 e l 的外来光 子的激励下受激地跃迁到低能级e 1 ，并发射与外来激励光子完全相同，即属于 同一光子态的光子，这种发射是受激辐射。 在外场的激励下，由于处于高能级e 2 的诸多原子所发射的受激辐射光子都 与激励光子具有相同的光子态，或者说都属于同一光波模式，显然，受激辐射 光场是相干的。激光是受激辐射的光放大。 2 光的吸收 当光穿经物质时会被物质吸收的现象称为光学吸收。光学吸收也和物质的 微观能级结构有关，只有和物质内部两能级之差相对应的光子能量才能被物质 吸收。 根据爱因斯坦光子理论，单个光予携带能量为：e = h v ，式中v 为光的频率。 一个光子的能量h v 不能再分割，只能作为一个整体被一个原子吸收。 当一束激光照射到物体表面时，假设在单位时间内该激光束中有1 个光子 的能量全部被物体表面某个原子吸收。假设该原子原来处于能级e l ，吸收光子 能量后，原子能量上舞，跃迁到更高的能级e ，从而该原子热运动加剧。如 式1 1 所示： 巨+ 枷= e ( 1 1 ) 若是h v 不能满足上式，则不能被吸收，也即物质对光子具有选择吸收或称为特 征吸收。 物质的选择吸收特性决定于它自身的能级结构，若有h v i 的复色光穿经物 质，由选择定则决定的各能级的能量差确定了该物质对h v i 光的吸收。 浙江大学硕士学位论文 光学吸收符合光学吸收定律又称朗伯一比尔定律，是由朗伯和比尔总结的 实验定律。 1 ) 朗伯定律 朗伯以实验证明( 图1 3 ) ：物质的光学吸收和光经过物质的路程的关系 是： 一以= q l 胡( 1 2 ) 图1 3 ：证明朗伯一比尔定律的实验模型 两边按光强和路径积分： 一织= f q l 埘 ( 1 3 ) 得。 l = c e 一叫( 1 4 ) 这是朗伯总结的光强变化的指数规律，后人称为朗伯定律，为了在测试的应用， 往往化为线性表达的关系： 等= e 4 ，t g 等= ，- 吼g e = k - ， o s ， 式中： k = o 0 4 3 4 3 q ，称为消光系数。 瓯是吸收系数。 因此，定义吸光度： 6 浙江大学硕士学位论文 4 = - g j ；= t g 亭 c t 一6 ， a = k ，是表征吸收多少的物理量，吸光度和物质的消光系数成正比，和光通 过的路径长度成正比。 2 ) 比尔定律 比尔证明物质的光学吸收的多少即吸光度也和物质的浓度成线性关系： 4 = k c - ，( 1 7 ) 氏= k c ，氏是单位长度( 路径) 单位浓度的消光系数，统称为消光系数。 这个式子也包含了朗伯的实验结果，因此后人称为朗伯一比尔定律的线性 表达式。 对于混合物，如果在同一吸收波长上都具有吸收时，混合物的吸光度具有 可加性： 4 = c i ， ( 1 8 ) f = l 条件：混合的各组分没有引起化学反应，是各个独立的吸收成分。 1 2 2 光化学作用机制 光化学过程是在光作用下的化学过程，但是它不同于一般的化学反应，因 为分子吸收光能后有它自己的特殊的化学和物理性质，并且因为是激发分子的 化学反应，所以与光物理过程也很难区分。 光化反应实际上包括两个步骤：第一步是光量子的吸收，此过程是在光作 用下直接产生的反应，叫做光反应；第二步是化学反应，由于它是光反应的继 发反应，所以叫暗反应。在光生物作用中着重讨论的是光化学反应的第一步光 反应，也叫光化学反应。 1e i n s t e i n 定律嘲 任何初级光化学反应中每个光子不多不少地只和一个分子( 或离子、原子) 反应。举例说明，若光化反应过程如下： 浙江大学硕1 ：学位论文 h i + 厅v + h + i( 卜9 a ) h + h i 寸h 2 + i ( 1 - 9 b ) i + i 斗1 2 ( 1 9 c ) 其中，式1 9 a 是初级光化学反应，式1 9 b 和式1 9 c 是次级暗反应。那么初级 光化学反应的量子效率为l ( 式1 9 a ) ，总的光化反应量子效率为2 。 2 温度与光化反应 研究表明，对于初级光化学反应，不同温度下的反应速率几乎不变；但是 对于次级暗反应，温度越高，其反应速率越快。 这一特性为人们研究整个光化反应过程提供了便利。我们可以先在低温下 积聚初级反应生成物，对初级反应进行研究，之后逐渐提高温度，使次级反应 一个接一个的进行。 3 光化学作用剂量 光化学作用的剂量由曝光时间和有效辐照度决定，与曝光时间和有效辐照 度成正比。例如，强光短曝光时间或弱光长曝光时间都能达到同样的光化学危 害效果。 4 几种主要的光化学反应【5 】 ( 1 ) 光解离和预解离 分子吸收光能后发生解离。举例如式1 1 0 所示： a b 二专a b + a + b( 卜1 0 ) ( 2 ) 异构化 分子吸收光能后发生顺反异构反应。 ( 3 ) 光氧化还原反应 光还原在光化学中，是指一个氢原子或一个电子对分子的加成作用。举例 如式1 一1 1 所示： a o ! = _ a o + ( 1 一1 1 a ) a o + h z 手a o h - 卜z +( 卜1 1 b ) 光氧化是指氧对分子的加成作用，主要有两种形式，举例如下： 1 ) m 生l m + 旦。 m o ，( 卜1 2 a ) r 浙江大学硕士学位论文 2 ) m + o ，+ 斗m o ，( 卜1 2 b ) ( 4 ) 光敏化反应 通过敏化剂吸收光能，再经能量转移使分子激发，激发分子与其他分子作 用生成产物。举例如式1 1 3 所示： s ! l s +( 卜1 3 a ) s + + m 斗m + + s ( 1 1 3 b ) m + + x o m x ( 卜1 3 c ) 敏化剂s 吸收光能激发，激发态s 与m 作用发生能量转移使m 激发，激发态 m 与分子x 作用生成m x 。 1 2 3 热作用机制 与光化学作用不同，热作用引起的危害由被照射区域的热传递决定，热作 用的极限值和曝光时间与有效辐照度没有明显关系。由于周围环境的热传递作 用，只有达到一定强度的光辐射才能在短时间内造成热危害。一般情况下，只 有当温度达到4 5 摄氏度时才会发生热危害，要在更短的时间内造成热危害就要 有更高的温度。热作用的极限值和曝光区域大小和曝光区域周围的环境温度有 关，曝光区域越小，热传递引起的冷却效应越明显，需要更强的有效光辐射。 热传斟9 1o 】【1 主要有三种形式：热传导、热对流和热辐射。 l 热传导 热传导是由于分子热运动强弱程度( 即温度) 不同所产生的能量传递。当 存在温度梯度时，作杂乱无章运动的分子，在空间交换分子对的同时交换了具 有不同热运动平均能量的分子，因而发生能量的迁移。固体和液体中分子的热 运动形式为振动。温度高处分子热运动能量较大，因而振动的振幅大；反之， 温度低处分子振动的振幅小。因为整个固体或液体都是由化学键把所有分子联 接而成的连续介质，一个分子的振动将导致整个物体的振动，同样局部分子较 大幅度的振动也将导致其他分子的平均振动振幅增加。热运动能量就是这样借 助于相互联接的分子的频繁振动逐层传递开去的。 热传导的傅立叶定律： 9 浙江大学硕士学位论文 。：啪车爿( 1 _ 1 4 ) 以 即：热流( 单位时间内通过的热量) 母与温度梯度d t d z 及横截面积a 成 正比，其中比例系数1 c 称为热导系数，单位为w m t k ，其数值由材料性质决 定。若引入热流密度( 单位时间内在单位截面积上流过的热量) ，则 妒：币擘 ( 1 - 1 5 ) 口= 一f 一 l l 1 ) d z 式1 1 4 和式1 1 5 仅适用于热量沿一维流动的情况。 2 热对流 流体从某处吸收热量后流到别处向较冷的流体释放出热量的过程称为对流 传热。由于存在温度差而使流体内部密度不同，温度高的流体密度小，浮力使 它上升，周围温度较低，密度较大的流体乘势流入补充，这一过程称为自然对 流。受迫对流是由外力驱动所产生的对流。 对流换热的基本定律是牛顿冷却定律： 警坝写圳一( 1 _ 1 6 ) 式中k 为比例系数，t l 、t 2 为相邻介质绝对温度。 3 热辐射 物体通过电磁波来传递能量称为辐射，物体会因各种原因发出辐射能，其 中因热发出辐射能的现象称为热辐射。 ( 1 ) 黑体辐射 斯忒藩一玻耳兹曼定律： m 8 = 口c r 4 = 盯7 1 4( 1 一1 7 ) 即黑体辐射出射度m 8 与黑体表面温度的四次方成正比，其中斯忒藩一玻耳兹 曼常数：g = 5 6 6 9 l o 8w m 。一。 ( 2 ) 非黑体的热辐射 基尔霍夫定律： m = 删8 = 口盯r 4 ( 1 1 8 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 式中m 是非黑体的辐射出射度，口是非黑体的吸收率。 1 3 光生物安全性的国内外研究现状 1 3 1 国际 目前国际上对于光生物安全性的研究已经取得了较大的成就，出版了许多 指导方针，制定了一系列相关标准。 1 国际非电离辐射防护委员会( i c m r p ) i c n i r p 根据对生物物理数据的评估提供推荐曝光限值，并且出版非相干光 源和激光束的光生物安全方面的指导方针和声明。 2 国际照明委员会( c l e ) c i e 出版了c i es0 0 9 ，e ：2 0 0 2 标准，对灯与灯系统的光生物安全性做出了规 定。c i e 极少出版标准，c i es0 0 9 e ：2 0 0 2 是c i e 出版的仅有的几个标准之一， 该标准的重要性可见一斑，i e c 于2 0 0 2 年全部引用。c ms0 0 9 ，e ：2 0 0 2 对光辐 射造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、 视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等危害的曝辐限值做 出了规定，这些曝辐限值是根据i c n i r p 的相应指导方针得到的。同时这个标 准还提供了参考测试条件，并为评估和控制来自非相干的宽波段光源的光辐射 所产生的光生物危害提供了一个安全等级的分类规则。 3 国际电工委员会( i e c ) l e c 提供制造业标准，包括处理光辐射安全性问题的标准，如激光产品的光 安全标准i e c 。6 0 8 2 5 ，又由于m c 与产业联系得更紧密，它的标准往往比c i e 等其他组织的标准推广更多。 4 欧洲和美国 欧美等发达国家对光生物安全性的要求更是走在世界前列。如今所有销往 欧洲的激光和l e d 产品都必须按照e n 一6 0 8 2 5 ( 等价于i e c 一6 0 8 2 5 ) 经过严格测 试评价。而进入美国的激光产品要严格符合美国食品与药物管理局( f d a ) 下 浙江大学硕士学位论文 属的设备仪器与放射健康中心( c d i m ) 制定的2 lc f r1 0 4 0 1 0 和1 0 4 0 “的 要求。除此之外，美国有些州还有自己的规章，如佛罗里达的管理法规( f a c ) 。 1 3 2 国内 1 需求 ( 1 ) 产品出口需要 目前国外发达国家已经形成了一整套较完善的评价光辐射安全性的体系， 任何销往该地区的产品都需要符合相关标准的规定。我国已经加入w 1 0 ，国内 市场与国际市场的进一步融合。因此，对于建立与国际接轨的光生物安全测试 系统要求迫切。 ( 2 ) 实施绿色照明工程需要 对光生物安全性的测试与评价方法的研究也是目前国际国内正在大力推广 的绿色照明工程的需要。根据绿色照明定义：绿色照明是指通过科学的照明设 计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，改善和提高人们 工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有 益的环境并充分体现现代文明的照明。概念中的安全应该不仅仅指的是电器特 性上的安全，也应该包括光生物效应的安全。另外概念中的舒适也应该包括光 生物效应上的舒适。总之，在考虑提高照明质量时应该考虑光生物效应的因素， 使照明条件朝着全面适合人类生理、心理健康发展的趋势发展。 ( 3 ) 国情需要 最后，这也是国情的需要。我们炎黄子孙的黄皮肤黑眼睛和世界其它国家 地区的人群肤色眼睛的颜色不一样，这代表着我们对光辐射各个波长的吸收也 不一样，因此单单套用国外发达国家制定的现有标准并不一定是科学合理的， 寻找建立适合我国国情的光生物安全性测试评价方法是必由之路。 2 现状 ( 1 ) 相关标准和条款 鉴于以上原因，我们国家也在参考借鉴国际标准的基础上制定了一些光安 全方面的标准： 1 2 浙江大学颁士学位论文 1 ) 激光产品安全国家标准 g b7 2 4 7 1 2 0 0 l ：激光产品的安全第l 部分：设备分类、要求和用户指南。 该国家标准等同于i e c6 0 8 2 5 。1 ：1 9 9 3 + a 1 ：1 9 9 7 ，但是现在i e c 最新版标准是： i e c ：1 9 9 3 + a l ：1 9 9 7 + a 2 ：2 0 0 1 ，所以应该尽快更新该国家标准。 2 ) 非相干、宽波段光源标准 灯与灯系统的光生物安全性国家标准，该标准等同于c i es0 0 9 e ：2 0 0 2 f i e c 于2 0 0 2 年全部引用并作为正式标准) 。北师大与浙江大学三色仪器有限公司于 2 0 0 2 年初就着手翻译于研究。2 0 0 3 年开始，国家标准立项，2 0 0 4 年完成制定。 3 ) 其它标准中的光安全条款 在其他相关标准中，也多次出现了光安全方面的相关条款。如：g b 7 0 0 0 1 2 0 0 2 i e c6 0 5 9 8 - 1 ：1 9 9 9 灯具一般安全要求与试验标准、 g b l 4 1 9 6 2 2 0 0 2 等对家庭和类似场合普通照明用的卤钨灯、家庭用和出口的紫 外辐射源和汽车灯( 卤钨灯，金卤灯) 等的特定有效紫外辐射功率作了规定。 ( 2 ) 浙江大学三色仪器有限公司 浙江大学三色仪器有限公司在国内首先开展了非相干光源光辐射安全的测 试仪器的研究，包括宽波段紫外和可见光谱分析。为浙江、广东等出口型企业 提供检测手段，2 0 0 5 2 0 0 6 年相继为国际著名测试认证公司n j v 的两大实验室 提供紫外辐射安全测试设备。 目前，浙大三色在l e d 的光辐射安全测试方面又取得了重大突破，并为 p h i l i p s 公司进行了照明l e d 测试工作，研制完成了具有中国自主知识产权的 l e d 辐射安全检测系统。 1 4 本文主要内容及研究成果 本文对光生物安全性的测试与评价方法进行了专门的研究，包括普通非相 干光源、激光和l e d 的测试与评价。了解了光生物安全性原理，熟悉了国际国 内的现状趋势，研究了光生物安全性测试和评价的要求和方法，介绍了一整套 较为完整的光生物安全性测试的过程方法以及对应的测试系统，并进行了实验 和分析了实验结果。 围绕这个主题，本论文的主要 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论：首先简单介绍了光与光生物学有关内容，之后介绍了光生物 作用机理，再后介绍了国内外光生物安全性方面研究现状，最后介绍了本课题 的研究内容和研究成果。 第二章光生物安全性：主要介绍了光生物安全性研究对象和安全评价的曝 辐限值规定。 第三章测试与系统：介绍了光生物安全性测试的实验系统。 第四章实验与结果：介绍了实验并进行了结果分析。 第五章总结与展望：总结全文，提出了今后的工作任务和前景展望。 本课题的研究成果主要是： 建立了一整套较完善的测试和评价光源光生物安全性的测试系统，可测试 目标涵盖了非相干光源、激光和l e d 的测试。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章光生物安全性 2 1 光生物安全性研究对象 皮肤是人体最大器官，眼是对光辐射最敏感的器官，因此光生物安全性主 要研究的是光辐射对皮肤和眼睛的作用。 2 1 1 光辐射与眼睛 l 光辐射的作用区域f 1 2 】 巩熊 图2 1 ：光辐射波段与眼睛作用区域 如图2 1 所示，由于各波段光辐射的渗透能力的不同，不同光谱范围的光辐 射与人眼的作用区域不同，也可参考表2 - l 。 表2 1 ：各波段光辐射与人眼的作用区域 辐射波段作用区域 u v c 平| j u v b ( 部分)角膜结膜 u v b ( 部分) 和u v a晶状体 可见光 视网膜 i r a ( 部分)视网膜，玻璃体 浙江大学硕士学位论文 l l u ( 部分)晶状体 i r b 和i r c角膜，结膜 此外，光辐射对人眼的渗透深度还与人的年龄有关，年轻人眼睛前部的透 光能力要优于老年人。 2 光辐射对人眼的危害【1 2 】f 1 3 】【1 4 】i 博】 高强度的光辐射能够对人眼造成危害，至于危害在哪里发生则与光辐射的 作用区域有关，如表2 1 和图2 1 所示。直接的危害发生在光被吸收的位置， 但是也存在间接危害，例如由于晶状体周围区域被加热也可以导致晶状体损伤。 以下介绍几类主要的由于光辐射导致的眼睛损伤。 ( 1 ) 光致角膜炎和光致结膜炎 只要照射几个小时，甚至几分钟，高强度的紫外辐射就会损伤眼球最前部 区域，从而引发光致角膜炎和光致结膜炎，这些问题也能够由发生在上皮细胞 的光化学反应造成。受照后，角膜和结膜最外层细胞被破坏，而在受照6 到8 小 时后，人将感觉到一阵钻心的疼痛。发生此种损伤时人们的会有眼睛里有沙子 的感觉。但是，这类损伤是可以修复的，由于角膜和结膜的细胞不断再生，l 到2 天之内就可痊愈，但在此期间人们对此种损伤无能为力。电弧辐射的强紫外 线能造成此种危害( 图2 2 ) 。 图2 2 ：电弧强紫外辐射可损伤人眼 ( 2 ) 紫外辐射导致白内障 图2 3 ：白内障眼 长期的紫外光照射会引发白内障。光化学反应改变了组成晶状体的特殊蛋 白质，再加上其它因素的影响，导致细胞内色素沉着、晶状体不清爽( 图2 3 ) 。 随着时间的推移，这种效应越来越明显，直到丧失视觉。而且很不幸的是，晶 状体组织不同于其他组织，它不生成新的细胞，所以这种病变是不可修复的， 1 6 浙江大学硕士学位论文 现代医学采用人工晶状体代替人限本来的晶状体来治疗白内障患者。u 、，a 和 u v b 能造成这一损伤，但是确切的作用波段还没有被确证。造成这种危害的紫 外辐射强度不需要和能够造成角膜炎和结膜炎的辐射强度一样强，太阳光的紫 外辐射也能造成这种危害，所以长期在户外工作的人群更亦受到影响，如农民、 海员等。另外，年龄越高的人群，发生白内障的比例越高，白内障已经成为一 种常见疾病。 ( 3 ) 视网膜灼伤 d p i l 吲 图2 - 4 ：角膜与视网膜照度 如图2 4 所示，d p u p i i 是瞳孔直径，最大情况下为7 i 岫，d r e t 是视网膜上成 像区域，最小直径约1 0 微米。设入射到瞳孔的光通量为，那么，角膜上的照 度为： e 一= i l v a m j p l i = l 收万d 五吲，4 ) 套3 8 5 ( 2 一1 ) 而视网膜上的照度： e 耐= ( 1 i a 崩= i l i ( 石d ：4 ) 【7 8 5 1 0 击 ( 2 2 ) 因此： e 日e 一= 3 8 5 7 8 5 1 0 4 5 x 1 0 5 ( 2 3 ) 即视网膜上的照度最大可为角膜上照度的5 0 万倍! 由以上分析可知当可见光渗入视网膜并被吸收，极易造成对视网膜的危害。 当非常强的光辐射照射到视网膜上时，光辐射的热效应能灼伤视网膜。这一危 害不仅发生在自然光照射情况，如人眼直视太阳，也发生在人工光源照射情况， 如直视激光。视网膜灼伤是不可修复的。有些情况下灼伤如果不是发生在视觉 最敏感的区域一中央凹，人甚至不能感觉到。而当灼伤发生在视神经的聚集 处盲点的时候，视网膜灼伤将致盲。造成这种危害的效果最明显的波段是 4 3 5 4 4 0 n m 。 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 视网膜蓝光危害 伴随着视网膜热危害，3 0 肌7 0 0 n m 波段的光辐射能对视网膜造成光化学危 害，甚至能够引发视网膜炎。中等或高强度的光辐射作用l o s 后，光化学反应 改变了视网膜上的细胞，较下层的组织浮现出来。这种危害一般在曝光4 到4 8 小时后显现出来，这种危害也可由长时期的弱光照射造成。因为这是一种光化 学危害，所以危害效应与辐射波长紧密相关，波长“0 i l i i l 的光危害最大。 ( 5 ) 红外辐射导致自内障 多年受到红外辐射影响会引发白内障。危害最大的波段是7 8 肚1 4 0 0 n m ，但 也有人认为是7 8 3 0 0 0 脚。这种危害的机制还没被完全搞清，一般认为这种危 害和晶状体受到的直接影响、晶状体周围环境对晶状体的间接影响都有关。同 样，这种损伤是不可修复的。这种病变发生率较高的职业是传统的在熔化炉边 的吹玻璃工人和在熔炼耐火石边与液态金属打交道的工人( 图2 5 ) 。现在，这 些工作场合的工人都配备了适当的防护设备，所以这种危害造成的病变发生率 已经很小。 图2 5 ：红外辐射导致白内障 2 1 2 光辐射与皮肤 1 光辐射对皮肤的危害 ( 1 ) 皮肤晒黑f 8 】 一般所讲的皮肤晒黑包含两个组成：即时晒黑和耐久性晒黑。 1 8 浙江大学硕士学位论文 1 ) 即时晒黑 所谓e 口使晒黑，是最初在太阳或其它人工光源下晒几分钟完成的。停晒之 后颜色就开始褪下去，几小时之后就褪清了。即时晒黑是由于在表皮中存在着 一种少量的物质的光化学氧化所致，这种氧化作用的生产物是黑色素。即时晒 黑对于具有深色皮肤的人来说，要比浅色皮肤的人更为显著。紫外和可见辐射 对此都有效。起作用的光谱波段在3 2 0 6 0 0 n m 范围内。即时晒黑是一种可逆 的反应，因此它不会导致长期的晒黑。 2 ) 耐久晒黑 除此之外，光辐射还会引起其它光化学反应，但它们并不即刻产生可以觉 察得出的结果。这些反应主要发生在活的表皮细胞里，但部分地在角质层中也 有所发生。由此而生成的化合物扩散到基细胞和真皮中去。接下来( 几小时之 后) 引发了各种变化。 a ) 真皮里血管的扩张，表现为皮肤发红。 b ) 大剂量照射时，神经也会受到影响。 c ) 大约与血管恢复它本来粗细的同时，在表皮中也发生新的变化，它们是： 已经在表皮的最底层浓集成为颗粒状的称为黑色素体的黑色素开始向皮肤表面 迁移。同时，有更多的黑色素开始以很快的速率生成。这两个过程的结果导致 皮肤的耐久不退的晒黑，如在夏天经常去游泳的人的晒黑。 可见，耐久性的皮肤晒黑往往代表着皮肤中细胞的受损，所以皮肤晒黑本 身并不一定是健康的。人们把晒黑误认为健康往往是由于与晒黑有关的生活方 式( 如户外运动) 被认为是健康的。 导致皮肤发红和发痛的最有效的波段是3 2 0 1 1 i n 以下的紫外辐射。 ( 2 ) 皮肤老化 研究表明，长期的光辐射能加速皮肤老化，呈现干燥、粗糙、皮革状和皱 纹累累的外观。 ( 3 ) 皮肤癌 长期接受紫外辐射导致的最严重结果是引发皮肤癌。实验表明u v a 和u v b 能使老鼠患皮肤癌。三种典型皮肤癌：基底细胞癌、鳞癌、恶性黑素瘸，如 图2 6 所示。 浙江大学颁七学位论文 基底细胞癌 鳞癌 恶性黑素瘤 图2 - 6 ：三种典型皮肤癌 2 2 光生物安全性曝辐限值 人们在接近光源的过程中应该使自身的受照程度不超过光生物安全曝辐限 值。目前各个标准中采用的曝辐限值一般都来自于i c n i r p 指导方针( 尽管 其他如美国产业卫生专家会议【1 7 】( a c g i h ) 也制定了类似指导方针，但是由于 缺乏透明度而难以采用) ，而这些指导方针都来自于最适用的实验研究结果。 2 2 1 非相干光源 1 紫外危害【1 3 】【1 4 l 因为紫外辐射波长最短，能量最高，紫外辐射是危害最烈的光辐射，所以 一直是光生物学所关心的主要对象。紫外线是j w m t t e r 于1 8 0 1 年发现的，1 8 7 7 年人们第一次观察到了紫外线对生命系统的效应，当时d o w n e s 和b l u n t 报道了 细菌的钝化。在1 9 2 8 年是第二个里程碑，当时g a t e s 发现，对杀死细菌而言不 同波长辐射的相对效率( 即致死的作用光谱) 平行于核酸碱基的吸收光谱。 研究表明，紫外线的有害效应主要是由于紫外线对脱氧核糖核酸( d n a ) 的作用造成的。最有害的效应是细胞致死，其它的效应则包括致突、致癌、干 扰d n a 、核糖核酸( r n a ) 和蛋白质的合成、细胞分裂的延迟、以及在通透性 浙江大学硕士学位论文 和能动性上的变化等。但是紫外线也有有益效应，如能促进人的皮肤中产生维 生素d 。 过去的数十年里，各安全指导方针、规章、标准出现并不断发展来指导人 们避免受到紫外辐射的危害。随着人们对紫外辐射光生物效应的认识程度的加 深，曝辐限值的规定在过去几十年间被逐渐修订、完善。最早的紫外辐射指导 方针出现在1 9 4 6 年，用于评价和控制低压汞灯的紫外辐射：1 9 7 2 年a c g i h 制 定了基于光谱效应函数的新的指导方针；1 9 8 5 年国际辐射防护协会( i 砌) a ) 下 属的国际非电离辐射委员会( i n m c ) 制定了类似的基于光谱效应函数的指导 方针，而且在随后几年对光谱效应函数进行了更新。而i n l r c i 融 a 就是i c n i r p 的前身，i c n 冲于2 0 0 4 年更新了非相干光源紫外辐射曝辐限值指导方针。 ( 1 ) 皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限值 入射到没有采取保护措施的皮肤和眼睛的紫外辐射的曝辐限值适用于照射 时间在8 小时以内的情况，在任何一天中超过8 小时的连续辐射在这里都不予 考虑。为了保护眼睛或皮肤不受由宽波段光源产生的紫外辐射的损伤，光源的 有效积分光谱辐照度b 不应超过由下式定义的限值。 4 蚰 e ，= 易( 五，f ) - ( ) 出五3 0 j - 研1 2 ( 2 4 ) 式中 2 0 02 2 02 4 0 2 6 02 8 03 0 03 2 03 4 03 6 03 8 04 0 0 波长( r a ) 图2 7 ：光化学紫外危害加权函数 e x ( k t 卜一光谱辐照度，单位是w m 。n m 一： s u v ( a 卜一光化学紫外危害加权函数( 图2 - 7 ) 波k 带宽，单位是n m ； 2 l o 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 吨一叱一吨一吨一吨一 浙江大学硕士学位论文 t _ 辐照时间，单位是秒。 ( 2 ) 眼睛的近紫外危害的曝辐限值 光谱范围在3 1 5 4 0 0 n m ( u v a ) 之间的光辐射对眼睛的总的曝光量，在时 间小于1 0 0 0 s 的情况下将不能超过1 0 0 0 0j m 。2 ；在时间大于1 0 0 0 s 的情况下， 对没有保护措施的眼睛的u v a 波段辐照度e u v a 不应该超过1 0 w m 。 4 0 0 五删f = e ( 屯f ) f 五1 0 0 0 0 j 肌- 2 0 l o o o s ) ( 2 5 a ) 3 i5f 日h l o 阡州。0 1 0 0 0 s ) ( 2 5 b ) 式中： e “k t 卜光谱辐照度，单位是w m 一； a 波长带宽，单位是啪； 卜一辐j ! i ( 时间，单位是秒。 注；对近紫外区域对眼睛的照射，i c n i r p 在1 9 8 9 年改变了上面的曝辐限值，把1 0 0 0 0 j m 。曝辐限量的辐照时间从1 0 0 0 s 增加到1 0 0 0 0 s ( 2 6 小时) ，并将辐照时间为 1 0 0 0 0 s 旦璺0 0 0 0 s ( 8 小时)