LED光源如何来发展以造福人类健康和福祉

光对我们的睡眠周期和健康存在影响，这是公认的。在现代社会中，人造光无处不在，可以像日光一样影响昼夜循环。对于固态照明（SSL）行业来说既是一个激动人心的机会，也是一个潜在的担忧。在本文中，将讨论一下关于光的非视觉方面的知识，以及LED光源如何来发展以造福人类健康和福祉。

在二十一世纪初期，基于对光和睡眠的开创性研究，研究人员在我们的视网膜中发现了尚未知晓的细胞：ipRGCs。这些细胞对光敏感，这类细胞可以接收光信号，并直接连接到我们大脑调节睡眠模式的部分，影响昼夜节律。

这些细胞最重要的是它们对蓝光很敏感，它们的峰值敏感度大约在450-480nm的波长处。当被光刺激时，它们发出一个唤醒的信号。该信号在各种生理反应中可以被观察到；例如，它可以阻止我们的身体释放褪黑素，而褪黑素与我们的昼夜节律循环密切相关。对蓝光的最大灵敏度与自然光线有关：蓝光辐射在早晨更普遍，白天减弱，晚上没有；因此，我们的身体将它作为生物钟同步的提示。

机遇与挑战

一方面，可以提供额外的光线，帮助那些在自然条件下得不到足够光的人。例如，早上少量的蓝光可以帮助那些生活在阳光不充足地区的人，或者那些昼夜节律周期不那么规则的人群，如青少年和老年人。我们对早晨的蓝光特别敏感，在起来后的头一到两个小时。

另一方面，晚上暴露在光线下会产生不必要的影响。研究表明，常见的室内照明条件（100 lx及以上）足以显著影响昼夜周期。这种效果在光线关闭后持续数小时，因此会延迟睡眠。来自手机和平板电脑的光线是另一个值得关注的问题。 随着LED照明的普及，这种担心变得更加严重，尤其是使用强蓝光的LED。

为昼夜节律调节光谱

昼夜生理节奏与蓝光的总量成比例。蓝光的总量是两个因素的产物：一个是总光量；另一个是光谱中蓝光辐射的相对量。为了影响昼夜循环，可以改变光照水平和光谱。

目前，已经有提出各种度量，来量化蓝光的总量，但是，这种作用光谱在450-480nm处具有峰值敏感度。因此，修改此范围内的光谱提供了最大的机会。

LED技术可以根据需要形成光谱，尤其是重新组织光谱来增加或消除蓝光辐射，但同时必须要保持光的其他重要特性。一个关键的方面是光本身的色度，应该保持白色。如果简单地从白光源去除所有蓝光辐射（例如，用蓝光抑制滤光器），则所产生的光会呈现黄绿色，对实际使用来说不适宜。因此，减少光源的昼夜节律刺激不能简化为简单地去除蓝光辐射。

早上和晚上的需求

白光的特点是其相关的色温（CCT）。高温光，例如日光，包含更多的短波长辐射，而低温光则包含更多的红色辐射（图1）。这样，可以通过调整其CCT和强度来调节光源的昼夜节律，早上高、晚上低。人类视觉系统通过色彩适应过程来自然地适应不同CCT的光线，因此广泛的CCTs对于一般照明是可接受的。

图1

该图描绘了各种光源的色度。黑线表示白光的黑体轨迹。从白炽灯中去除蓝色辐射会让它变成黄绿色。虽然烛光在技术上分类为白光，但烛光具有明显的黄色色调。

这种方法可以在早上很好地增加昼夜节奏，将CCT提高到4000-5000K，并将光照强度提高到1000lx以上。各种医学研究已经证实，富含蓝光、高CCT的光可以帮助同步睡眠时间，特别是对于需要医疗条件来改变昼夜节律周期的人群。 因此，照明行业已经接受了这个概念，并且推出了一批蓝光辐射强的产品。

另一方面，生产出一种在晚上生理刺激低的光源更具挑战性。为了减少总蓝光量，必须调整光量和光谱。光强度可以稍微降低一些，从典型的100-300 lx降到30-50 lx，但是对于家庭使用来说，就太暗淡了。要想获得非常少的蓝色辐射的光谱时，会出现更严重的挑战，因为降低色温达到了极限。如果CCT远低于2700K，相当于白炽灯泡的温度，那么就不那么完美了。尽管在技术上表现为白光，但是光线呈黄色。一个例子就是蜡烛产生的光；CCT为2000K，在特定情况下可能会令人愉快，但对于大多数家庭活动来说，这看起来太黄了。

今天，所有“睡眠友好”型的灯泡都使用这种低色温方法（色温范围从2000-2300K），因此光色不自然。由于这个颜色质量有问题，制造商建议，这种灯泡只能用于一些照明灯具，例如，床头灯。值得注意的是，迄今为止这些产品的有效性还没有得到临床研究的证实。

同样的方法也适用于显示器：从f.lux等计算机程序到Apple Nightshift等智能手机功能，通过在夜间降低屏幕色温可降低蓝光辐射量。但是，色温只能降到某个点（大约3500K），然后屏幕就变成黄色，看起来不能接受。

图2是各种商业光源的蓝光辐射量。从图上看，基本上由色温决定。这也揭示了一个看似不可避免的折衷：低蓝只能靠非常黄的光色获得。实际上，这种权衡取决于传统LED技术的基本属性：依靠蓝光泵浦LED来产生白色光谱，造成蓝光辐射量和光色度基本上相关。

图2

蓝光辐射量因不同的光源而异。传统的LED通过降低色温来减少蓝色辐射，蓝光量几乎与相同温度的自然光的量相同，如橙线所示。BlueFree技术摆脱了这种折衷，在舒适的色温下可以实现非常低的蓝光量。

一个无蓝光的解决方案

确定并理解这种折衷的根本原因之后，实际上可以规避它，以最少的蓝光量提供真正的白光。Soraa开发的BlueFree SSL技术就是一个例子。它依靠紫光LED来替换标准的蓝光LED，通过去除相对较窄的光谱范围内的能量，可以保持白炽灯的色温，同时实际上从光谱中去除任何蓝光辐射。

基于紫光的全光谱LED可以显著改善光的质量。在这些全光谱产品中，紫光LED由三种荧光粉（蓝色、绿色和红色）补充，以产生非常高显色性的全白色光谱。 然而，在BlueFree案例中，只使用了绿色和红色荧光粉。通过仔细选择这些荧光粉，尽管没有蓝光辐射，仍然可以保持非常好的显色性。

图3比较了相同色温2700K下各种白光源的光谱，并说明了BlueFree方法。标准LED在440-490nm范围内具有高光谱量，在这个范围内，昼夜节律敏感度是最大的。相反，BlueFree光谱在这个范围内显示出非常小的辐射。

图3

测试理论

为了验证BlueFree方法的有效性，Soraa邀请斯坦福大学教授Jamie Zeitzer和睡眠医学领域的全球专家研究其生理影响。他设计了一个实验来测量受试者在暴露在光线后的“照明后瞳孔反应”（PIPR）。在暂时暴露于光线之后（瞳孔从完全扩张到完全收缩），瞳孔回到残余收缩状态，其大小由控制昼夜循环的ipRGC细胞控制。更高量的蓝光会出现更多的残余收缩，这表明昼夜节律刺激更高。

图4显示参与者在35 lx照度下受到光照刺激后的瞳孔扩张速度，由两种光源诱导：标准LED和BlueFree LED，均在2700K的色温下。这两个光源具有相同的色度，因此参与者不能直观地区分它们。BlueFree LED产生更明显的扩张速度。

图4

这个实验证实，BlueFree光谱能够显著减少昼夜节律刺激，而不用采用低色温。因此BlueFree灯可以在家庭环境中无缝使用，产生白光和良好的显色性，对睡眠周期影响较小。

由于我们眼睛中存在会调节我们昼夜节律的细胞，这些细胞对蓝光敏感，家庭环境中的光线（尤其是富含蓝光的LED照明）有可能在晚上扰乱我们的睡眠模式并引起长期的健康问题。目前一些商业产品试图通过发出极低色温的光来减轻这种影响，但是黄色色调会令人不舒服。相比之下，更新的技术可以采用紫光LED来产生真正的白光，而几乎没有蓝光辐射。斯坦福大学Zeitzer教授的临床实验表明，与标准LED光源相比，BlueFree灯泡对我们的昼夜节律系统的破坏性要小得多。