Comment les LED affectent-elles la vision ?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

L'article traite des conditions de formation d'une dose excessive de lumière bleue sous éclairage LED. Il est montré que les évaluations de la sécurité photobiologique, réalisées conformément à GOST R IEC 62471-2013, doivent être clarifiées en tenant compte de l'évolution des diamètres de la pupille de l'œil sous éclairage LED et de la répartition spatiale de la lumière -pigment absorbant la lumière bleue (460 nm) dans la macula de la rétine.

Les principes méthodologiques de calcul de la surdose de lumière bleue dans le spectre de l'éclairage LED par rapport à la lumière solaire sont présentés. Il est indiqué qu'aujourd'hui aux États-Unis et au Japon, le concept d'éclairage à LED évolue et que des LED à lumière blanche sont créées pour minimiser les risques de dommages à la santé humaine. Aux États-Unis notamment, ce concept s'étend non seulement à l'éclairage général, mais aussi aux écrans d'ordinateur et aux phares de voiture.

De nos jours, l'éclairage LED est de plus en plus introduit dans les écoles, les jardins d'enfants et les établissements médicaux. Pour évaluer la sécurité photobiologique des luminaires à LED, GOST R IEC 62471-2013 « Lampes et systèmes de lampes. Sécurité photobiologique". Il a été préparé par l'Entreprise unitaire d'État de la République de Mordovie « Institut de recherche scientifique sur les sources lumineuses nommé d'après A. N. Lodygin "(Entreprise unitaire d'État de la République de Mordovie NIIIS nommée d'après AN Lodygin") sur la base de sa propre traduction authentique en russe de la norme internationale IEC 62471: 2006 « Sécurité photobiologique des lampes et des systèmes de lampes » (IEC 62471: 2006 « Sécurité photobiologique des lampes et des systèmes de lampes ») et lui est identique (voir article 4. GOST R IEC 62471-2013).

Un tel transfert de la mise en œuvre standard suggère que la Russie n'a pas sa propre école professionnelle pour la sécurité photobiologique. L'évaluation de la sécurité photobiologique est extrêmement importante pour assurer la sécurité des enfants (génération) et réduire les menaces à la sécurité nationale.

Analyse comparative de l'éclairage solaire et artificiel

L'évaluation de la sécurité photobiologique d'une source lumineuse repose sur la théorie des risques et une méthodologie de quantification des valeurs limites d'exposition à la lumière bleue dangereuse sur la rétine. Les valeurs limites des indicateurs de sécurité photobiologique sont calculées pour la limite d'exposition spécifiée du diamètre pupillaire de 3 mm (surface pupillaire de 7 mm2). Pour ces valeurs du diamètre de la pupille oculaire, les valeurs de la fonction B (λ) sont déterminées - la fonction de risque spectral pondéré de la lumière bleue, dont le maximum tombe sur la plage de rayonnement spectral de 435 à 440 nm.

La théorie des risques d'effets négatifs de la lumière et la méthodologie de calcul de la sécurité photobiologique ont été développées sur la base des articles fondamentaux du fondateur de la sécurité photobiologique des sources lumineuses artificielles, le Dr David H. Sliney.

David H. Sliney a été pendant de nombreuses années chef de division au Centre de promotion de la santé et de médecine préventive de l'armée américaine et a dirigé des projets de sécurité photobiologique. En 2007, il a terminé son service et a pris sa retraite. Ses intérêts de recherche portent sur des sujets liés à l'exposition des yeux aux UV, au rayonnement laser et aux interactions tissulaires, aux dangers du laser et à l'utilisation des lasers en médecine et en chirurgie. David Sleeney a été membre, consultant et président de nombreuses commissions et institutions qui ont élaboré des normes de sécurité pour la protection contre les rayonnements non ionisants, en particulier les lasers et autres sources de rayonnement optique de haute intensité (ANSI, ISO, ACGIH, IEC, OMS, NCRP et ICNIRP). Il est co-auteur de The Safety Handbook with Lasers and Other Optical Sources, New York, 1980. De 2008 à 2009, le Dr David Sleeney a été président de l'American Society of Photobiology.

Les principes fondamentaux développés par David Sleeney sous-tendent la méthodologie moderne pour la sécurité photobiologique des sources lumineuses artificielles. Ce schéma méthodologique est automatiquement transféré aux sources lumineuses LED. Il a soulevé une grande galaxie d'adeptes et d'étudiants qui continuent d'étendre cette méthodologie à l'éclairage LED. Dans leurs écrits, ils tentent de justifier et de promouvoir l'éclairage LED à travers la classification des risques.

Leur travail est soutenu par Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia et d'autres fabricants d'éclairage LED. Actuellement, le domaine de la recherche intensive et de l'analyse des possibilités (et des limites) dans le domaine de l'éclairage LED implique:

• des agences gouvernementales telles que le département américain de l'Énergie, le ministère de l'Énergie de la RF;

• des organisations publiques telles que l'Illuminating Engineering Society of North America (IESNA), l'Alliance for Solid-State Illumination and Technologies (ASSIST), l'International Dark-Sky Assosiation (IDA) et NP PSS RF;

• les plus grands fabricants Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia et

les fabricants russes Optogan, Svetlana Optoelectronica;

• ainsi que de nombreux instituts de recherche, universités, laboratoires: Lighting Research Center at Rensselaer Polytechnic Institute (LRC RPI), National Institute of Standards and Technology (NIST), American National Standard Institute (ANSI), ainsi que NIIIS im. UN Lodygin , VNISI eux. SI. Vavilov.

Du point de vue de la détermination d'une surdose de lumière bleue, l'ouvrage "Eclairage à LED de sécurité optique" (CELMA-ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper Eclairage à LED de sécurité optique_Final_Juillet2011) est intéressant. Ce rapport européen compare les spectres de la lumière solaire avec des sources lumineuses artificielles (lampes à incandescence, fluorescentes et LED) conformément à l'exigence de la norme EN 62471. A travers le prisme du paradigme moderne de l'évaluation hygiénique, considérez les données présentées dans ce rapport européen afin de déterminer la proportion excessive de lumière bleue dans le spectre de la source de lumière blanche LED. En figue. 1 montre le motif spectral d'une LED à lumière blanche, qui se compose d'un cristal émettant de la lumière bleue et d'un phosphore jaune dont il est recouvert pour produire de la lumière blanche.

En figue. 1. Sont également indiqués les points de référence auxquels l'hygiéniste doit prêter attention lors de l'analyse du spectre de la lumière provenant de n'importe quelle source. De ce point de vue, considérons les spectres de la lumière solaire (Fig. 2).

La figure montre que dans la plage de température de couleur de 4000 K à 6500 K, les conditions de la "croix de mélanopsine" sont observées. Sur le spectre énergétique de la lumière, l'amplitude (A) à 480 nm doit toujours être supérieure à l'amplitude à 460 nm et 450 nm.

Dans le même temps, la dose de lumière bleue à 460 nm dans le spectre de la lumière solaire avec une température de couleur de 6500 K est 40 % plus élevée que celle de la lumière solaire avec une température de couleur de 4000 K.

L'effet de la "croix de mélanopsine" est clairement visible à partir d'une comparaison des spectres des lampes à incandescence et des lampes LED avec une température de couleur de 3000 K (Fig. 3).

La proportion excédentaire de lumière bleue dans le spectre du spectre LED par rapport à la proportion de lumière bleue dans le spectre d'une lampe à incandescence dépasse plus de 55%.

Compte tenu de ce qui précède, comparons la lumière du soleil à Tc = 6500 K (6500 K est la température de couleur limite pour la rétine selon David Sleaney, et selon les normes sanitaires elle est inférieure à 6000 K) avec le spectre d'une lampe à incandescence Tc = 2700 K et le spectre d'une lampe LED avec Tc = 4200 K à un niveau d'éclairement de 500 lux. (fig. 4).

La figure montre les éléments suivants:

- La lampe LED (Tc = 4200 K) a une émission de 460 nm de plus que la lumière solaire (6500 K);

- dans le spectre lumineux d'une lampe LED (Tc = 4200 K), le creux à 480 nm est d'un ordre de grandeur (10 fois) supérieur à celui du spectre solaire (6500 K);

- dans le spectre lumineux d'une lampe LED (Tc = 4200 K), le dip est de 480 nm plusieurs fois plus important que dans le spectre lumineux d'une lampe à incandescence (Tc = 2700 K).

Il est connu que sous éclairage LED, le diamètre de la pupille de l'œil dépasse les valeurs limites - 3 mm (surface 7 mm2) selon GOST R IEC 62471-2013 "Lampes et systèmes de lampes. Sécurité photobiologique".

D'après les données présentées sur la figure 2, on peut voir que la dose de lumière bleue à 460 nm dans le spectre de la lumière solaire pour une température de couleur de 4000 K est bien inférieure à la dose de lumière bleue à 460 nm dans le spectre de la lumière solaire à une température de couleur de 6500 K.

Il s'ensuit que la dose de lumière bleue à 460 nm dans le spectre de l'éclairage LED avec une température de couleur de 4200 K dépassera de manière significative (de 40 %) la dose de lumière bleue à 460 nm dans le spectre de la lumière solaire avec une température de couleur de 4000 K au même niveau d'éclairement.

Cette différence entre les doses est l'excès de dose de lumière bleue sous éclairage LED par rapport à la lumière du soleil avec la même température de couleur et un niveau d'éclairement donné. Mais cette dose doit être complétée par une dose de lumière bleue provenant de l'effet d'un contrôle inadéquat de la pupille dans des conditions d'éclairage LED, compte tenu de la répartition inégale des pigments qui absorbent la lumière bleue à 460 nm en volume et en surface. C'est une dose excessive de lumière bleue qui entraîne une accélération des processus de dégradation qui augmentent les risques de déficience visuelle précoce par rapport à la lumière solaire, toutes choses égales par ailleurs (un niveau d'éclairement, une température de couleur et un travail effectif de la rétine maculaire donnés, etc.)

Caractéristiques physiologiques de la structure de l'œil, affectant la perception sûre de la lumière

Le circuit de protection rétinienne a été formé à la lumière du soleil. Avec le spectre de la lumière solaire, il existe un contrôle adéquat du diamètre de la pupille de l'œil à fermer, ce qui entraîne une diminution de la dose de lumière solaire atteignant les cellules de la rétine. Le diamètre de la pupille chez un adulte varie de 1,5 à 8 mm, ce qui permet de modifier l'intensité de la lumière incidente sur la rétine d'environ 30 fois.

Une diminution du diamètre de la pupille de l'œil entraîne une diminution de la zone de projection lumineuse de l'image, qui ne dépasse pas la zone du "tache jaune" au centre de la rétine. La protection des cellules rétiniennes contre la lumière bleue est assurée par le pigment maculaire (avec un maximum d'absorption de 460 nm) et dont la formation a sa propre histoire évolutive.

Chez les nouveau-nés, la zone de la macula est de couleur jaune clair avec des contours indistincts.

A partir de trois mois, un réflexe maculaire apparaît et l'intensité de la couleur jaune diminue.

À un an, le réflexe fovéolaire est déterminé, le centre devient plus foncé.

À l'âge de trois à cinq ans, le ton jaunâtre de la zone maculaire se confond presque avec le ton rose ou rouge de la zone centrale de la rétine.

La zone maculaire chez les enfants de 7 à 10 ans et plus, comme chez les adultes, est déterminée par la zone rétinienne centrale avasculaire et les réflexes lumineux. Le concept de "tache maculaire" est né de l'examen macroscopique d'yeux cadavériques. Sur les préparations planaires de la rétine, une petite tache jaune est visible. Pendant longtemps, la composition chimique du pigment qui tache cette zone de la rétine était inconnue.

Actuellement, deux pigments ont été isolés - la lutéine et l'isomère de lutéine zéaxanthine, appelés pigment maculaire ou pigment maculaire. Le niveau de lutéine est plus élevé dans les endroits à plus forte concentration de bâtonnets, le niveau de zéaxanthine est plus élevé dans les endroits à plus forte concentration de cônes. La lutéine et la zéaxanthine appartiennent à la famille des caroténoïdes, un groupe de pigments végétaux naturels. On pense que la lutéine a deux fonctions importantes: premièrement, elle absorbe la lumière bleue nocive pour les yeux; deuxièmement, c'est un antioxydant, il bloque et élimine les espèces réactives de l'oxygène formées sous l'influence de la lumière. La teneur en lutéine et en zéaxanthine de la macula est inégalement répartie sur la zone (maximum au centre, et plusieurs fois moindre sur les bords), ce qui signifie que la protection contre la lumière bleue (460 nm) est minimale sur les bords. Avec l'âge, la quantité de pigments diminue, ils ne sont pas synthétisés dans l'organisme, ils ne peuvent être obtenus qu'à partir de l'alimentation, donc l'efficacité globale de la protection contre la lumière bleue au centre de la macula dépend de la qualité de la nutrition.

L'effet d'un contrôle inadéquat des élèves

En figue. 5. est un schéma général de comparaison des projections du spot lumineux d'une lampe halogène (le spectre est proche du spectre solaire) et d'une lampe à LED. Avec la lumière LED, la zone d'éclairage est plus grande qu'avec une lampe halogène.

La différence dans les zones d'éclairage allouées est utilisée pour calculer une dose supplémentaire de lumière bleue à partir de l'effet d'un contrôle inadéquat de la pupille dans des conditions d'éclairage LED, en tenant compte de la répartition inégale des pigments qui absorbent la lumière bleue à 460 nm en volume et en surface. Cette évaluation qualitative de la proportion excédentaire de lumière bleue dans le spectre des LED blanches peut devenir une base méthodologique pour des évaluations quantitatives à l'avenir. Bien qu'à partir de cela, il soit clair que la décision technique sur la nécessité de combler l'écart dans la région de 480 nm au niveau de l'élimination de l'effet de « croix de mélanopsine ». Cette solution a été formalisée sous la forme d'un certificat d'inventeur (source de lumière blanche LED combinée à un convecteur photoluminescent à distance. Brevet n°2502917 du 2011-12-30.). Cela garantit la priorité de la Russie dans le domaine de la création de sources de lumière blanche à LED avec un spectre biologiquement adéquat.

Malheureusement, les experts du ministère de l'Industrie et du Commerce de la Fédération de Russie ne se félicitent pas de cette direction, ce qui est la raison de ne pas financer les travaux dans cette direction, qui concerne non seulement l'éclairage général (écoles, maternités, etc.), mais également le rétroéclairage des moniteurs et des phares de voiture.

Avec l'éclairage LED, il se produit un contrôle insuffisant du diamètre de la pupille de l'œil, ce qui crée des conditions pour obtenir une dose excessive de lumière bleue, ce qui affecte négativement les cellules de la rétine (cellules ganglionnaires) et ses vaisseaux. L'effet négatif d'une dose excessive de lumière bleue sur ces structures a été confirmé par les travaux de l'Institut de physique biochimique. N. M. Emmanuel RAS et FANO.

Les effets identifiés ci-dessus d'un contrôle inadéquat du diamètre de la pupille oculaire s'appliquent aux lampes fluorescentes et à économie d'énergie (Fig. 6). Dans le même temps, il y a une augmentation de la proportion de lumière UV à 435 nm ("Sécurité optique de l'éclairage LED" CELMA ‐ ELC LED WG (SM) 011_ELC CELMA position paper Optical Safety LED lighting_Final_July2011)).

Au cours d'expériences et de mesures effectuées dans des écoles américaines, ainsi que dans des écoles russes (Institut de recherche sur l'hygiène et la protection de la santé des enfants et des adolescents, SCCH RAMS), il a été constaté qu'avec une diminution de la température de couleur corrélée des sources lumineuses, le diamètre de la pupille de l'œil augmente, ce qui crée les conditions préalables à une exposition négative à la lumière bleue sur les cellules et les vaisseaux sanguins de la rétine. Avec une augmentation de la température de couleur corrélée des sources de lumière artificielle, le diamètre de la pupille de l'œil diminue, mais n'atteint pas les valeurs du diamètre de la pupille à la lumière du soleil.

Une dose excessive de lumière bleue UV entraîne une accélération des processus de dégradation qui augmentent les risques de déficience visuelle précoce par rapport à la lumière solaire, toutes choses égales par ailleurs.

Une dose accrue de bleu dans le spectre de l'éclairage LED affecte la santé humaine et le fonctionnement de l'analyseur visuel, ce qui augmente les risques de handicap visuel et de santé en âge de travailler.

Le concept de création de sources lumineuses à semi-conducteurs avec une lumière biologiquement adéquate

Contrairement au conservatisme des experts du ministère de l'Industrie et du Commerce de la Fédération de Russie et du Centre d'innovation de Skolkovo, le concept de création de sources de lumière blanche à semi-conducteurs avec une lumière biologiquement adéquate cultivée par les auteurs de l'article gagne des partisans partout dans le monde. monde. Par exemple, au Japon, Toshiba Material Co., LTD a créé des LED utilisant la technologie TRI-R (Fig. 7).

Une telle combinaison de cristaux violets et de phosphores permet de synthétiser des LED avec des spectres proches du spectre de la lumière solaire avec différentes températures de couleur, et d'éliminer les déficiences ci-dessus dans le spectre LED (cristal bleu recouvert de phosphore jaune).

En figue. huit.présente une comparaison du spectre de la lumière solaire (TK = 6500 K) avec les spectres des LED utilisant la technologie et la technologie TRI-R (cristal bleu recouvert de phosphore jaune).

De l'analyse des données présentées, on constate que dans le spectre de lumière blanche des LED utilisant la technologie TRI-R, le gap à 480 nm est supprimé et il n'y a pas de surdose de bleu.

Ainsi, mener des recherches pour identifier les mécanismes de l'effet de la lumière d'un certain spectre sur la santé humaine est une tâche d'État. Ignorer ces mécanismes entraîne des coûts de plusieurs milliards de dollars.

conclusions

Les Règles Sanitaires enregistrent les normes issues des documents normatifs techniques d'éclairage, en traduisant les normes européennes. Ces normes sont formées par des spécialistes qui ne sont pas toujours indépendants et mènent leur propre politique technique nationale (entreprise nationale), qui souvent ne coïncide pas avec la politique technique nationale de la Russie.

Avec l'éclairage LED, un contrôle inadéquat du diamètre de la pupille de l'œil se produit, ce qui jette un doute sur l'exactitude des évaluations photobiologiques selon GOST R IEC 62471-2013.

L'État ne finance pas la recherche avancée sur l'impact de la technologie sur la santé humaine, c'est pourquoi les hygiénistes sont obligés d'adapter les normes et les exigences aux technologies promues par le secteur du transfert de technologie.

Les solutions techniques pour le développement de lampes à LED et d'écrans de PC devraient prendre en compte la sécurité des yeux et de la santé humaine, prendre des mesures pour éliminer l'effet de la "croix de mélanopsine", qui se produit pour toutes les sources lumineuses à économie d'énergie et le rétroéclairage actuellement existants de dispositifs d'affichage d'informations.

Sous un éclairage LED avec des LED blanches (cristal bleu et phosphore jaune), qui ont un écart dans le spectre à 480 nm, le contrôle du diamètre de la pupille de l'œil est insuffisant.

Pour les maternités, les institutions pour enfants et les écoles, des lampes avec un spectre de lumière biologiquement adéquat, tenant compte des caractéristiques de la vision des enfants, devraient être développées et faire l'objet d'une certification hygiénique obligatoire.

Conclusions succinctes de l'éditeur:

1. Les LED émettent très brillamment dans les régions bleues et proches des UV et très faiblement dans le bleu.

2. L'œil "mesure" la luminosité afin de rétrécir la pupille par le niveau de couleur non pas bleue, mais bleue, qui est pratiquement absente dans le spectre d'une LED blanche, par conséquent, l'œil "pense" qu'il est sombre et ouvre la pupille plus large, ce qui conduit au fait que la rétine reçoit beaucoup plus de lumière (bleue et UV) que lorsqu'elle est éclairée par le soleil, et cette lumière "brûle" les cellules photosensibles de l'œil.

3. Dans ce cas, un excès de lumière bleue dans l'œil entraîne une détérioration de la clarté de l'image. une image avec un halo se forme sur la rétine.

4. L'œil des enfants est d'un ordre de grandeur plus transparent au bleu que celui des personnes âgées. Par conséquent, le processus d'"épuisement" chez les enfants est beaucoup plus intense.

5. Et n'oubliez pas que les LED ne sont pas seulement un éclairage, mais maintenant presque tous les écrans.

Si nous donnons une autre image, alors les dommages oculaires causés par les LED s'apparentent à la cécité dans les montagnes, qui se produit à cause de la réflexion des UV de la neige et est plus dangereuse uniquement par temps nuageux.

La question se pose, que faire pour ceux qui ont déjà un éclairage LED, comme d'habitude, à partir de LED d'origine inconnue ?

Deux options me viennent à l'esprit:

1. Ajoutez un éclairage bleu supplémentaire (480 nm).

2. Mettez un filtre jaune sur les lampes.

J'aime plus la première option, parce que il y a en vente des bandes LED bleues (bleu clair) avec un rayonnement de 475 nm. Comment pouvez-vous vérifier quelle est la longueur d'onde réelle?

La deuxième option "mange" une partie de la lumière et la lampe sera plus faible, et, de plus, on ne sait pas non plus quelle partie du bleu nous supprimerons.