Завод Светорезерв провел научные исследование о безопасности светодиодного освещения для человеческих глаз

Рассказывает один из руководителей предприятия Е.Смолин.

LED освещение безопасно для детей - подтверждают научные исследования<

Почти 15 лет прошло с момента открытия неизвестного ранее типа светочувствительных клеток (ipRGC), обладающих способностью реагировать на свет, влияющих на количество мелатонина в крови и изменяющих циркадный ритм. С того времени биологическое действие света на выработку важного гормона мелатонина и причины его блокировки интенсивно исследуется. МКО недавно опубликовала доклад о невизуальном биологическом действии света, в нем подтверждается перспективность исследований и признается, что нерешенных вопросов достаточно много. В ходе исследований совсем недавно обнаружено влияние на циркадный ритм УФ излучения. МКО создала план действий по тщательному исследованию параметров внутреннего освещения благоприятно влияющего на здоровье человека и призвала мировое сообщество к поиску ответов на возникшие вопросы с применением метрики по фотометрической и циркадной фотометрии, опубликованной в отчете международного семинара.

При классификации ИС по коррелированной величине цветовой температуры Ткц в каждой категории возникают различные уровни воздействия синего цвета, но разница между группами незначительна.

Величина дозы, которая может вызвать неблагоприятное воздействие, накопляется в течение от одной до двух минут действие на глаза концентрированного света специального ИС с большой долей синей составляющей. В реальных условиях никто так поступать не будет, сработают естественные защитные реакции.

Для организации школьного освещения рекомендуется использовать светодиодные светильники (СД) с установленными на них рассеивателями света. Идеальными считаются матовые рассеиватели, но не запрещено использование иных типов рассеивателей, в том числе и призматических. Следовательно, никаких проблем с внедрением в школьные учреждения светодиодных светильников не существует.

Какие лампы, с каким Ткц их применять, в большой степени зависит от культурных традиций, например на юге Европы популярностью пользуются светодиодные лампы с высоким Ткц.

Глаза ребенка обладают повышенной чувствительностью к синему излучению. Ткц естественного дневного света – 6400 K, поэтому при умеренной яркости ИС с такой цветовой температурой абсолютно безопасны, причем особой разницы нет, излучает ли этот свет солнце, люминесцентная лампа или светодиодный светильник.

Конечно, идеальная для школы система – динамичная, с изменяемым спектром ИС, следящая за солнечным спектром, ведь в процессе эволюции человек привык к Солнцу и его влиянию.

Сравнение с точки зрения гигиены условий освещения люминесцентными светильниками и светодиодными лампами в общеобразовательных учреждениях

Испытательная лаборатория центра Таможенного союза, в компетенцию которой входит исследования по безопасности товаров для детей, электротехнических и строительных материалов. В результате проведенных испытаний выяснились следующие обстоятельства.

Интенсификация в полной мере коснулась школьного образования с запредельными нагрузками и началом изучения информационных технологий с начальных классов, тем самым увеличивая нагрузку на зрение и организм в целом. Решение задачи по уменьшению физиологической стоимости обучения невозможно без использования всех возможных резервов.

Проведенная сравнительная гигиеническая оценка освещения с применением светодиодных светильников с традиционными светильниками на люминесцентных лампах, которые обеспечивали освещением четыре поколения школьников. 

В исследованиях участвовало более 300 учеников одних и тех же, естественный свет исключался полностью с помощью плотных штор, а освещение ЛЛ (ОЛЛ) заменялось светильниками СД (ОСД). Для получений реальных результатов подбирались светильники близкие по конфигурации светового потока, освещенность поддерживалась на уровне 400 лк. Показатель дискомфорта составлял 15 и UGR около 17. Измеренный коэффициент пульсаций освещенности около 10% и 4500 К. Реальные отражательные характеристики потолков, стен, полов не отличались от стандартных величин. Основной критерий сравнительной оценки – ответные естественные реакции школьников 4 – 11 классов, их психофизическое состояние и состояние зрительной системы.

Главная и основная гипотеза – если при светодиодном освещении реакции сравнимы и не хуже, то такое освещение можно использовать. В результате тщательных сравнительных замеров было однозначно установлено, что ОСД не хуже, а даже лучше чем ОЛЛ.

Частота случаев выраженного сильного утопления при достоверном определении умственной работоспособности была ниже при освещении ОСД, чем при освещении ЛЛ в старших и в начальных классах.

Зрительное утомление – критическая частота слияния мелькания, сокращенно КЧСМ в гигиене принимается за интегральный показатель. В результате измерений КЧСМ выявилось предпочтение ОСД. Замечено, что при ОСД объем аккомодации выражен больше. Впервые предприняты попытки изучения реакции кардиоваскулярной системы на свет от различных источников. Тщательно измерялась динамика ИДП (индекса двойного произведения). С величиной ИДП связаны аэробные возможности организма, ведь чем ИДП ниже, тем больше скрытые резервы и дольше период активной работоспособности и тем позже наступает утомление. При ОЛЛ в середине недели, уже в среду при освещении ЛЛ состояние детей заметно ухудшалось. Напротив, в классах, которые освещались светодиодными лампами, уменьшение работоспособности происходило на день позже, в четверг. Следовательно, ухудшение самочувствия детей отодвигалось на целые сутки к концу учебной недели. Достоверно установлено, что количество жалоб невротического характера у учеников начальных классов при ОСДбыло заметно ниже.

В результате проведенных исследований не определена достоверная разница по головным болям, по всем остальным параметрам определена объективно установленная разница – концентрация внимания, тревожность и чувство усталости, плаксивость, сонливость или бессонница были меньше выражены при ОСД.

Проведенный анализ утомляемости для школьников 4 класса при освещении ЛЛ и светодиодном освещении (ОСД) выявил значительную разницу по следующим критериям:

• Латентный (скрытый) компонент околомоторной реакции, КЧСМ.
• Моторный компонент околомоторной реакции.
• Длительность предельно быстрой реакции в течение 5 секунд.
• Максимальная частота двигательной риторики.
• Нестабильность длительной риторики.
• Интервал максимально быстрого чередования движений.
• Длительность переключения внимания и ошибки при переключении.

 

Основной вывод – по всем вышеперечисленным критериям в случае применения для освещения LED ламп или светодиодных офисных панелей человеческому организму работать легче.

Точно так же исследовалась способность учеников 4 – 11 классов решать задачи, требующие умственной работоспособности. Делались замеры скорости и точности работы, величина утомления и общий показатель работоспособности. И в этом результаты показали, что предпочтительнее светодиодное освещение.

Такие результаты можно объяснить низким уровнем пульсаций потока света светодиодных светильников и спектром СД близким к естественному освещению. Для испытаний были применены светильники на светодиодных лампах с высокой равномерностью света, достигнутого благодаря рассеивателю.

КПО (коэффициент пульсации освещения) при применении освещения СД не превышал 0,5%, а при использовании ОЛЛ – до 2,5%. В более ранних исследованиях влияние КПОпри значениях ниже 10% считалось нулевым, но по результатам проведенных исследований, возможно, нужно произвести пересмотр норм порогового уровня пульсаций.

Дети, которые приняли участие в исследованиях, наблюдались в течение 1,5 лет и за это время жалоб учившихся при светодиодном освещении (ОСД) не поступало. Но родители другой группы учащихся, которые учатся при освещении ОЛЛ, требуют от администрации школы заменить существующее освещение светодиодными светильниками.

В результате проведенных испытаний были разработаны гигиенические требования к приборам искусственного освещения на светодиодах (ОСД), а проект изменений был подан в СанПиН 1278-03 имеющий длинное название – Гигиенические требования к различным видам освещения - естественному, искусственному или комбинированному освещению объектов, жилых, общественных зданий и других инфраструктурных сооружений. Главная идея проекта – создать нормативную базу для использования светодиодного освещения СД в учреждениях школьного, дошкольного и профессионально технического образования со следующими требованиями:

• ТКЦ светодиодных светильников не может превышать 4000 К.
• В светильниках разрешено использовать СД до 0,3 Вт.
• Светодиодные светильники должны использоваться с рассеивателями.
• Максимальная суммарная яркость светильников не более 5000 кд/м2.
• Индекс цветопередачи Ra не менее 80

 

 

Светодиоды белого свечения излучают только часть спектра естественного света, но он значительно ближе к естественному освещению, чем свет ЛЛ. Для улучшения световой среды с целью снижения физиологической стоимости обучения необходимо, чтобы требования к освещению распространялись на все известные источники света.

Об ограничении коррелированной величины Ткц светодиодов при освещении помещений дошкольных, школьных и лечебных учреждений.

По этой теме сделал доклад профессор Павел Зак, ведущий научный сотрудник лаборатории Института биохимической физики.

Сегодня уже никто не сомневается, что ОСД по множеству параметров превосходит устаревшее «традиционное» освещение и недалек тот час, когда ОСД полностью заменит существующие неэкономичные светильники. Сегодня на повестке дня – активное внедрение в осветительную технику белых СД, свет которых сформирован спектрами синего (450-460 нм) излучения кристалла и смешанного с зелено-желто-красным свечением люминофора. По величине доли излучения синей части спектра условно белые СД делятся на три вида:

• Тепло-белый световой поток – 3000 К.
• Нейтрально белый цвет излучения – 4000 – 5500 К.
• Холодно белый цвет потока света – более 5500 К.

 

В общеобразовательных школах России допустимо использование нейтрально-белого цвета светодиодных светильников. Но профессор Павел Зак считает, что согласно выводам европейских экспертов ученики младших классов с еще не сформировавшимся зрением, входят в группу повышенного риска. Для этой группы избыточное освещение синим цветом противопоказано. Согласно экспертным оценкам величина и предельная избыточность пока еще не определена и требует дополнительных исследований и обоснований, т. к. в мировой научной литературе нет данных о влиянии синего спектра на человеческий организм при оптимальном повседневном освещении. 

Медико-биологические исследования, которые были проведены не так давно, выполнялись при однократных и кратковременных световых экспозициях, следовательно, эти данные нельзя применить для оценки безопасности работающих значительное время осветительных систем. Несколько научных групп постоянно ведут сравнительные исследования по влиянию повседневного ОСД с разным спектральным составом на стабильность зрительных функций экспериментальных животных. Подбирается вид животных с коротким сроком жизни и исследуется изменения в течение всей их жизни. Тщательно проведенные исследования на лабораторных мышах доказали, что к концу их жизни при постоянном освещении ОСД с цветовой температурой более 5500 К происходит деградация 50% зрительных клеток. Независимые исследования подтвердили зависимость развития оптики детского глаза от спектрального состава освещения. Отрицательное воздействие оказывает переизбыток излучения по краям видимого спектра, как красного, так и синего.

Профессор Павел Заков подчеркнул, что содержание в лабораторных условиях животных (японский перепел) при низком уровне синего света активировало процессы биохимического обмена в сетчатке приблизительно в 1,5 раза в молодом возрасте, но с течением времени эта активация приводила к более ранней деградации сетчатки с появлением необратимых возрастных нарушений.

В прошлом веке были проведены исследования признанные классическими. Эти исследования дают четкое и ясное представление – максимальная зрительная работоспособность человека в условиях кабинета достигается при использовании светодиодного освещения с длиной волн от 500 нм и выше.

По мнению профессора Павла Зака ситуация на сегодняшний день не совсем понятна, поэтому рекомендуется при установке светодиодного освещения (ОСД) в детские и школьные учреждения использовать светильники с LED лампами тепло-белого света спектр излучения которых близок к спектру света ламп накаливания. Эти лампы должны иметь Ткц около 3000 К.

Свет с позиции хронофизиологии

Доклад доктора медицинских наук Константина Данильченко. Заместитель директора по лечебной и научной работе ФГБНУ.

Основа анатомии хронобиологии – наличие биологических часов в гипоталамусе Они работают автономно в циклическом режиме, который генетически закреплен и синхронизирует всю хронофизиологическую систему. Нервные волокна связывают шишковидную железу в мозгу с биологическими часами. Железа вырабатывает мелатонин, информирует организм о смене времени суток на биохимический язык, который понятен организму, таким образом, синхронизируя суточный цикл всего организма.

В глазах имеются меланопсиновые фоторецепторы, которые подают сигналы для гипоталамуса для циклической синхронизации со временем суток. Другие факторы, например физическая нагрузка, прием пищи и даже информация о времени суток не оказывают влияние на работу биологических часов. На них действует только свет.

Первый закон хронобиологии: воздействовать потоком света в нужное время

Принцип действия на организм светом чрезвычайно прост: если воздействовать набиочасы светом ранним утром, то они сдвинутся на раннее время, если произвести воздействие светом в конце дня (вечером), то биологические часы сдвинутся на более позднее время. В результате экспериментов была получении кривая фазового ответа, которая отражена в таблицах доклада.

Второй закон хронобиологии: высокий уровень освещения при необходимости и минимальный уровень света, если он не нужен.

На биологическую систему активно воздействует не только уровень освещения, но и спектральный состав. Ведь меланопсиновые рецепторы имеют максимальную чувствительность к бирюзовой и синей составляющих спектра. Кроме того имеет большое значение предыдущая световая история. Амплитуда суточного ритмамелатонина зависит от контраста между уровнем ночного освещения и дневным светом. Здоровье организма напрямую связано с амплитудой суточного ритма мелатонина – чем большее амплитуда, тем здоровее организм. В процессе старения организма амплитуда снижается.

Молодые люди, у которых уровень мелатонина достаточно высок, хорошо спят ночью. С возрастом его уровень снижается, и пожилые люди часто страдают бессонницей из-за низкого уровня мелатонина.

Увеличение освещенности днем для пожилых людей, которые страдали бессонницей, увеличивало у них концентрацию мелатонина почти в два раза. Если же здоровых людей удерживать в полной темноте днем, то ночной уровень мелатонина у них резко снижается.

Создать идеальное освещение для школ технически возможно. Основные критерии такого освещения – изменение в динамике спектра светового потока в соответствии с изменением естественного солнечного освещения в течение дня по цветности и по интенсивности. Освещение такого типа получило название – «циркадный дом», но реализация его во всех школах страны весьма проблематична. Для увеличения работоспособности школьников важна как полнота светового спектра, таки и его соответствие естественному освещению. В конце дня, вечером «холодный» с большой долей синего свет крайне нежелателен, но и слишком яркое освещение также оказывает отрицательное влияние на организм.

Критерии нормирования коррелированной Ткц белых светодиодов для светильников

Доклад кандидата физико-математических наук Антона Шаракшанова главного редактора журнала «Светотехника». 

В спектре светового потока белого СД наблюдается ярко выраженный синий пик, но уровень воздействия на циркадную систему и неблагоприятное влияние синего цвета не зависит от амплитуды довольно узкого пика. Степень воздействия определяется общим уровнем излучения во всем спектральном диапазоне сине-голубого света. При необходимости иметь более точные значения следует учесть функции относительной величины спектральной эффективности ОСИ и выделения мелатонина. Правильная методика – сравнение эффекта освещения потоком света от различных источников и расчет их биологического эквивалента по методике В. Ван Боммеля 

Очень важно, что проведенный различными авторами расчет биологического действия спектров излучения различной природы показал один и тот же результат. Биологическое воздействие света пропорционально Ткц, чем он выше, тем сильнее воздействие. В результате исследований получен очень важный результат – при стабильно величине Ткц величина биологического воздействия абсолютно не зависит от природы источников света. Основываясь на этих исследованиях, Министерство Энергетики США еще в 2013 году опубликовало официальное заявление следующего содержания: «Светодиодная продукции не опаснее, чем другая осветительная техника с таким же Ткц. Белый свет светодиодных светильников соответствует международным стандартам и не несет никакой опасности воздействия синего цвета».

Уровень биологического воздействия светового потока определяется показателем яркости ИС, его пространственным расположением и временем воздействия. Следует учитывать, что при прочих одинаковых условиях основной параметр для контроля биологического действия светового потока - Ткц источника света.

Методами математического моделирования были определены спектры белого света, которые имели максимальное (МАХ) и минимальное (MIN) воздействие на биологические эквиваленты, определенные по ОСИ (BioEq(B)), а также по интенсивности воздействия на циркадную систему по (BioEq(c)) при определенной величине Ткц. Биологическое действие любого ИС созданного человеком не должен выходить за эти границы. Был составлен график с указанием биологических эквивалентов дл 87 реальных ИС разных типов. Были исследованы светильники на лампах накаливания (ЛН), люминесцентные лампы (ЛЛ) и светодиодные светильники (СД), а также естественный дневной свет с различной величиной Ткц. Полученный результат полностью согласуется с опубликованными результатами: LED светильники и люминесцентные (F) источники света, а также источники естественного света типа «А» и «D» имеют практически не различимое, одинаковое действие при неизменной величине Ткц.

Sh

Второй важный и хорошо известный потребительский параметр, определяющий цветовую температуру любого ИС – величина индекса цветопередачи Ra. Этот параметр в значительной степени определяет психофизиологическое состояние человека в световой среде, но притом уже косвенно определяет близость спектра ИС к естественному освещению. Максимальная величина Ra = 100, что соответствует солнечному освещению в полдень. Для искусственных светильников величина Ra определяет степень близости спектра излучения к естественному свету. Эта величина – один из критериев определения качества источника света и для источников света для школьных и детских учреждений величина Ra для светильников должна иметь величину Ra = 90, при минимальном значении в полном соответствии с рекомендациями Любови Такшуниной принять Ra=80.

Нет сомнений, что благоприятная световая среда, например, на тенистой террасе в яркий солнечный день имеет освещенность приблизительно 5000 К, поэтому биологическое действие естественного света на порядок выше, чем вечером при искусственном освещении любого типа. В вечернее время биологическое воздействие освещенности со световой яркостью в 5000 лк на циркадную систему человека, в несоответствующее биологическим ритмам бремя не будет благоприятным. Нарушение биологических ритмов способно «выбить из колеи» человека на несколько дней и может быть потенциально опасным.

Для сохранения зрения и здоровья детей в дошкольных учреждения и школах необходимо использовать светильники с высоким уровнем освещенности. РегулироватьТкц в течение дня технически сложно, поэтому необходимо Ткц ограничить одним стандартным для всех школ уровнем. Если применяются источники света с Ткц -4000 К, то исследования [9] подтверждают высокие оценки при проведении тестов на зрительский комфорт в обстановке учебного процесса. Не рекомендуется превышать  Ткц -4000 К, т. к. более высокая граничная величинаТкц считается потенциально опасной.

Поэтому предложение Павла Закова принять значения Ткц=3000 К, а также рекомендации ЛюбовиТакшуниной о величине максимального значения Ткц=4000 K можно считать целесообразными и научно обоснованными.