不同强度宽谱光源强风光对人脸的影响

不同强度宽谱光源强风光对人脸的影响

用明亮、光荣、神奇的武器为战场、反恐、抵抗暴力和其他场景带来了疗效。关于相干光源(激光)的毁伤、致盲研究的理论成果较多[1~3],已经形成较完善的体系和标准,研制了多种装备,如激光反导武器、激光致盲武器等。而关于宽谱非相干光源对人眼影响的研究目前主要集中于两方面:一是极强的核爆闪光对人眼的烧伤和致盲;二是夜间路灯、车灯对人员的炫目和视觉影响。由于宽谱光源不同光谱成分对人眼的致伤部位不同,致伤机制不同,情况非常复杂,因此还未形成详细的标准。随着强光手电筒、闪光弹和频闪炫目灯等非致命武器装备的发展,有必要对宽谱强闪光对人眼的损伤阈值和视力恢复时间等进行研究。本研究旨在通过对已公开发表文献的梳理,初步阐述宽谱强闪光对人眼视功能造成的影响及其阈值范围。1光栅损伤与视网膜损伤人眼是一个近似的球体,前后直径约24mm。位于眼球前端的外膜为角膜,位于眼球后端的中膜是脉络膜,内膜为视网膜。视网膜中央是视觉最灵敏的部位———黄斑。外界的光经由角膜、晶状体、玻璃体会聚在视网膜上。光辐射对人眼作用的机制主要为光化学作用和热作用。当波长<550nm时,光化学作用起主要作用;当波长>550nm时,热作用起主要作用。强光对人眼的损伤主要发生在角膜和视网膜。波长<380nm的紫外成分易被角膜吸收,引起角膜炎症,如焊接光、电火花和水银灯等光源照射眼后引起的“电光性眼炎”。光源中波长380~550nm的短波成分透过角膜后易与视网膜发生光化学作用,加速视网膜老化,产生所谓“蓝光危害”。波长>550nm的可见光和近红外成分不会产生光化学作用,只产生热作用。当人员裸眼或防护状况不佳的情况下观测日食时,可见光和红外线会造成视网膜烧伤,称作“太阳日食性视网膜烧伤”,热损伤的严重程度与光源在视网膜上的成像尺寸大小密切相关。进入眼内的光能量越多,造成的损害越严重,当人眼直视闪光源时,若将光源视为点光源,那么射入人眼的光能量可按下式计算:式中,W为进入人眼的光能量(lm·s)。根据光谱光效率函数V(λ)可将光能量换算为辐射能量(J);I为光源沿人眼方向的发光强度(cd);t为闪光作用时间(s)。由于人遭遇强光照射时会下意识地闭眼进行保护,闪光作用时间一般为闭目反应时间0.1~0.15s;l为光源到人眼的距离(m);d为瞳孔直径(mm)。人眼瞳孔在不同背景光亮度下直径不同,太阳光背景下约2mm,白天多云背景下为4mm,清晨或傍晚为6mm,完全黑暗时为8mm。依人眼接受的光能量多少和损伤程度的不同,强闪光对人眼产生的效应可大致分为3种:(1)不可恢复性永久性伤害,即视网膜烧伤;(2)可恢复性视觉功能暂时性紊乱,即闪光盲;(3)导致视觉分辨力下降的失能眩目。2光辐射对家兔的影响视网膜烧伤发生的概率不高,一般只有在裸眼观察核爆炸火球、太阳、氙灯等强烈的闪光时才会发生。事实上,日常环境中在灯下很少出现视网膜烧伤,由氙灯照射引起的这种临床症状,一般是在极端的环境中或者是在没有保护的条件下造成的。视网膜烧伤时热化学反应使蛋白质和其他主要细胞生物成分发生变性,同时生物组织损伤,光的吸收和开始损伤集中在接近视网膜色素上表皮细胞和脉络膜部位。视网膜烧伤的症状为畏光、流泪、剧痛和视力骤降。发生轻度损伤时,视网膜上出现凝固水肿斑;严重损伤时,视网膜爆裂,眼底大面积出血并流入玻璃体内。为了估算原子弹爆炸时光辐射对人眼的伤害,国外曾用家兔进行试验。兔眼与人眼结构相似,包括瞳孔的尺寸和视网膜感光细胞类型等。根据对兔眼的试验分析认为,人眼在0.15s左右,每cm2接受0.42J的光能,可造成轻微的眼睛烧伤。我国某次核试验时发现了2例视网膜烧伤病例,两人白天在距爆心34km处裸眼观看核爆炸闪光及火球后,即感视物灰暗、模糊、变形,当晚双眼红痛、畏光、流泪,次日刺激症状减轻,但视物仍不清。经过治疗后,例1眼底黄斑区中心有色素沉着,例2眼底中心反射消失,黄斑区有较多色素沉着,双眼色盲。经计算,两人所受到的光冲量分别为0.57和0.43J/cm2。在核试验现场考虑安全系数后,文献将0.2J/cm2作为人员视网膜烧伤的安全阈值。据一些核试验结果表明,实际上烧伤阈值是随着成像的大小、曝光时间的长短而变化的,成像越大阈值越小,曝光时间越短阈值越小。因此,在距离爆心不同距离上由于成像的大小不同其阈值也不相同,难于规定一个统一的阈值,但在安全阈值中考虑了安全系数,因此可以近似应用。从灯的光生物安全性考虑,为了防止在日常工作和生活中造成视网膜烧伤,文献规定宽谱光源的加权辐亮度不应该超过公式(2)定义的限值。该限值可被用作光辐射控制的导则,低于该限值时,一般人几乎可以被反复照射而没有任何不利的影响,但该限值并不是安全与不安全严格的分界线。式中,Lλ为光谱辐亮度,单位W·m-2·sr-1·nm-1;R(λ)为热危害加权函数,可查表;Δλ为波长带宽(nm);t为观察持续时间(对于脉冲灯则是脉冲宽度,单位为s),应用条件10μs≤t≤10s;α为光源的对边角(rad),应用条件1.7mrad≤α≤0.1rad。辐亮度L换算成辐照度E后,可得到该条件下的加权辐照度限值。3闪光盲恢复时间闪光盲效应是指强光照射引起视网膜感光色素部分或完全漂白,以至于眼睛在光照结束后一定时间内对低亮度视觉靶标丧失感知能力的现象,症状有眼发黑、眼花、视物模糊、胀痛、刺痛等,较严重的可伴有色觉功能异常,甚至出现头痛、头晕、恶心、呕吐等自主神经功能紊乱的症状。但是症状持续时间较短,一般可在数秒至5~8min内自行恢复,不留任何后遗症。闪光盲的严重程度不仅与闪光辐射的强度有关,还与环境的视场亮度有关。在夜间,由于环境黑暗,更易造成闪光盲。方芸秋等通过试验对11名受试者测定了闪光亮度、闪光时间对闪光盲恢复时间的影响。结果表明,在暗适应条件下,1300W碘钨灯曝光时间为0.2s,闪光亮度分别为0.97、2.93、7.72、13.10cd/m2时,视觉恢复时间分别为1、2、3.8、6.0s;在明适应条件下,曝光时间为0.5s,闪光亮度分别为5、12、21、36cd/m2时,视觉恢复时间分别为1.5、2.3、3.3、6.0s。空军在考虑各种最不利的条件后规定,飞行员防核闪光的最大容许受照亮度为1.38cd/cm2,这个亮度会导致飞行员在明适应条件下造成约1s的闪光盲,暗适应条件下≤5s的闪光盲。王坚指出,550nm波长造成闪光盲持续时间10s的光辐射能量,白天约为9.22mJ/cm2,夜晚约为0.365mJ/cm2。王林杰等指出,98式闪光手榴弹的闪光强度>4.2×107cd,但通过生物试验表明,不会对人和动物的眼睛造成永久性视网膜损伤。潘海燕等表示,某型闪光弹闪光强度达到6×108cd,经过理论计算和实测表明,这种强度的光会对一定距离处的人眼造成损伤而暂时失明,但由于作用时间短,这种损伤一般是可以恢复和治愈的,不会造成永久性病变。方芸秋等通过使用脉冲氙灯对受试者施加毫秒量级的短暂强闪光进行试验,发现人眼辨别较精细目标的恢复时间仅取决于亮度和曝光时间的乘积———曝光量。在瞳孔直径取7mm的暗适应条件下,恢复时间为3s时曝光量为0.23sb·s;5s时为0.64sb·s;10s时为1.66sb·s。4失能部分事件的产生和评价眩目效应是指较亮光线进入视野引起视力下降和眼部不适症状,当去除亮光症状随之消失的现象。闪光盲和眩目效应的本质是同一种光化学效应,其效应靶分子是视网膜感光色素,即位于视杆细胞内的视紫红质和位于视锥细胞内的视紫蓝质。通常,可见光在低于损伤阈值和人眼安全限值的剂量下即可引起闪光盲效应,引起眩目效应的光剂量则更低。眩目效应包括直射光和眼内散射光两部分,前者眩目效应强烈持久,但仅局限于像光斑及其附近;后者眩目效应较弱但可覆盖大部分甚至整个视野。眩目分为不舒适眩目和失能眩目。对视觉功能影响较大的是失能眩目,而不舒适眩目只是一种心理效应。失能眩目是指丧失了部分视觉功能的眩目,并伴有明显的眼部不适,主要取决于进入眼的光强度和背景情况,与观察时间关系不大。眩目光源发出的光线在人眼屈光介质内散射,散射光叠落在视网膜上,就像在视场上蒙了一层明亮的帷幕,形成等效光幕亮度Lv,使目标物体在视网膜影像上的对比度下降,如图1所示。失能眩目的产生和以下因素有关:(1)眩目光源和视线方向的夹角θ(Sr);(2)眩目光源亮度Lg(cd/m2);(3)背景亮度Lb(cd/m2);(4)眩目光源的张角ω(Sr)。一个物体只有在获得一定的亮度对比(C)时才能被看见,亮度对比的定义为:式中,Lo为目标物体的亮度;Lb为背景的亮度。当眩目出现时,等效光幕亮度Lv同时叠加到目标亮度和背景亮度上,此时有效亮度对比为:将(3)式代入(4)式中,变换得到可以看出,眩光在眼底引起的等效光幕亮度Lv,使得目标物体有效对比度下降严重,结果目标物体变得不易被发觉,这时即发生失能眩目。夹角θ在0~60°范围内均会对视觉产生影响,眩光角度为0°时,对眩目的影响达到最大。当1.5°<θ<60°时,等效光幕亮度Lv可以由以下的经验公式进行计算:式中,Eeye为眩光源在眼表面垂直视线平面上的照度(lx);K为与目标的大小、观察时间相关的常数,观察者的年龄在20~30岁时其值取10;n为与眼光学构造相关的常数。评价失能眩目的指标为阈值增量(TI),TI=f(Lv/Lb)。阈值增量TI的特点是:(1)以百分数表示;(2)与光幕亮度和背景亮度有关,而与对象亮度无关。评价不同环境亮度和眩目亮度的TI表达式不尽相同,如道路照明中,TI表达式为TI=65Lv/Lb0.8,式中的系数是根据实验的数据得到的。所以,失能眩目是以人眼的适应亮度为根本,研究上面叠加的光幕亮度的情况。同样,当处于光幕亮度水平时,适应亮度越高,则失能眩目越低。项震、熊凯等通过试验证实人眼在背景光照度数毫勒克斯(mlx),眩光照度0.5~80lx时,可产生数秒到数十秒的失能眩目。明适应条件下的眩目迄今尚未见公开报道,这种情况在日常生活中并不常见,主要用于军事方面,是今后研究的重点。笔者利用太阳模拟器在明亮的房间内进行了初步的试验,结果是在背景光照度数百lx,眩光源照度8000lx时,人眼无法有效辨别视角±55°内的物体,眩光源消失后视力即可恢复。总之,与单一波长激光系统相比,宽谱光源的光学辐射生物学效应的评估更为复杂,辐射测量过程也更为困难,