LED光生物安全检测技术研究

论文摘要

光辐射会对人体产生生理物理效应,简称为光生物效应。按照光生物效应的作用机理,可分为光的视觉效应、光的非视觉效应、光的辐射效应。适量的光生物效应可对人体产生有益作用,而过量的光生物效应则会对人体产生危害,因此,需要对光生物效应的安全性加以研究。其中,光的辐射效应的安全性问题,被称为“光生物安全”。不同波段的光辐射,会产生不同类型的光生物安全危害,以400nm-500nm波段产生的视网膜蓝光危害最为典型。各种光源及发光体均存在潜在的光生物安全问题,由于LED光源亮度高、体积小、应用广泛、光谱中蓝光成分占比大,LED的光生物安全问题就成为了光源的生产者和使用者共同关注的问题。在本研究中,对LED的光生物安全检测技术进行了一系列研究和探讨,为LED照明环境中的实际光生物安全的测量、计算、评价提供理论和实验依据。本研究的主要内容及成果如下:1、总结了光生物效应的概念和机理,对其中光生物安全的概念、机理、作用结果和评价方法进行了梳理和阐述。归纳了与光生物安全中的蓝光危害相关的测量标准的主要内容,分析了其标准体系的演变过程,指出蓝光危害测量标准演变的原则是其测量对象越来越趋于实际应用。比较了蓝光危害测量方法中辐亮度测量的标准方法、替代方法和辐照度测量标准方法的优缺点,说明了辐亮度测量的标准方法的适用性最为广泛。分析指出目前光生物安全测量所遵循的“最不利原则”会导致两个问题:1、测量结果不能完全反映实际应用中的受危害程度;2、使测量操作变得复杂。2、通过理论分析和实验验证,对蓝光危害的相关特性进行研究,总结得出拓展蓝光加权辐亮度LB的辐射特性和光谱特性。LB的辐射特性本质上由光源的配光曲线决定,测量中与测量视场、测量距离、测量角度有关。LB的光谱特性本质上由光源的光谱决定,表现出混合光谱的蓝光危害效能KB,v必然介于原光谱所对应的KB,v之间的规律。提出了计算LB与辐射距离、LB与配光曲线、KB,v与色温之间关系的数学模型或经验公式。根据拓展蓝光加权辐亮度LB的辐射特性和光谱特性,提出了拓展蓝光加权辐亮度LB与本征蓝光加权辐亮度LBS之间的换算方法、蓝光危害相对强度B（φ）计算方法、拓展蓝光加权辐照度LB的空间分布LB（φ,s）的模拟算法。应用LB（φ,s）的模拟算法,可以简化对实际光环境中的蓝光危害的测量和计算。3、通过对现有蓝光危害测量系统进行回顾和总结,基于实际光环境中的蓝光危害测量需求,完善了便携式蓝光危害测量系统设计方案。该测量系统以CMOS图像传感器和微型光谱仪分立测量亮度和光谱,由上位机完成信息采集、计算和结果输出作为基本设计方案,完成了测量系统功能和性能设计。在样机系统搭建和调试过程中,提出了亮度测量的光谱响应校正方法、图像均匀度校正方法、灰度-亮度转化算法,并基于上述方法完成了系统标定。通过验证实验和不确定度分析,验证了此便携式蓝光危害测量系统设计方案能够实现设计的功能和性能。最后,说明了此设计方案是一种普遍适用于光生物安全测量的测量系统设计方案。4、根据蓝光危害的特性研究结果和便携式蓝光危害测量系统的功能设计,提出基于实际光环境的蓝光危害测量方法。基于实际光环境的测量方法的主要思想,是以“光”为核心,是在光源、灯具或照明系统的实际使用场景中对光环境的蓝光危害进行测量和评价。该测量方法强调“所见即所测”,即测量结果反映的是人眼在面对真实的光环境时所能受到的蓝光危害的强度。这种测量方法简化了测量操作,其测量结果对于在实际环境中进行蓝光危害防护更有指导意义。5、应用基于实际光环境的蓝光危害测量方法对LED照明产品的蓝光危害和蓝光危害防护产品的有效性进行了测量。结果表明,日常照明光源或显示器所产生蓝光危害较弱,不需要进行特殊防护;蓝光危害防护产品有一定的有效性,在必要时可以使用。6、阐述了应用紫外辐射进行杀菌是一项重要的光生物效应的应用。研究了UVC LED杀菌能力的影响因素和应用条件,设计实验在不同作用时间和作用距离下使用UVC LED对大肠杆菌进行灭菌处理,并计算杀菌率。实验结果表明,UVC LED的杀菌能力,随紫外辐射剂量减小呈指数减小,受到紫外辐射通量、辐照时间、辐照距离三者影响,并以此总结了计算UVC LED杀菌率的经验公式。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭玮宏

导师: 张涛

关键词: 光生物安全,蓝光危害,真实光环境,测量系统

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

分类号: Q691;TN312.8

DOI: 10.27581/d.cnki.gksjw.2019.000027

总页数: 189

文件大小: 9699K

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