Belysning och hälsa : en kunskapsöversikt med fokus på ljusets modulation, spektralfördelning och dess kronobiologiska betydelse

Abstract

Lighting and health : a review of the state of knowledge of light with focus on spectral power distribution, degree of modulation and chronobiological impact This document reviews the state of knowledge concerning health- and disturbance effects of different light sources. The paper focus on three aspects of light: spectral power distribution, degree of modulation, and thereby flicker, and chronobiological impact. How visible light appears and the effect of the radiation is dependent on how the light is generated. Therefore, a technical description of the different light sources is an important part of this work. Similarly, conceptions and terms of importance for the visual function and perception of light are described. In physical terms, visual light is a part of the optical radiation, which also includes ultraviolet light (UV) and infrared light (IR). In this paper, only visible light defined as electromagnetic radiation in wavelengths from 400 to 780 nm, defined by CIE (International Commission on Illumination), is included. Spectral power distribution Different light sources emit light at different wavelengths within the visible part of the spectrum as well as in other parts of the optical radiation (UV-, IR-radiation). Discharge lamps produce primary light in certain distinguished wavelengths that partly are in the UV range. Through secondary processes in the fluorescent tube, the UV radiation converts into continuous light in the visual part of the spectrum. Depending on the type of phosphor used in the tube, different spectral power distribution (SPD) will appear. SPD from a cathode-ray tube based video display unit (VDU) screen is defined by the phosphor that has been used. SPD of modern multicolour screens varies to be able to produce different colour tones. The SPD-curve show graphically how a light source distributes the radiation in the visible frequency range. In a large number of field- and laboratory studies the impact of SPD on visual function, performance, health or well-being have been studied. The investigations have primarily focused on whether artificial light with a SPD equivalent to daylight is superior to light with other SPD. The review of the actual research in this area has not been able to give a distinct answer to that question. Light modulation Our experience of light modulation (a periodic fluctuation of luminance) is called flicker and is in principle visual, i.e. we can detect it with our visual system. When the frequency of the flicker is high enough, it is interpreted by us as a continuum. The degree of modulation varies between different light sources depending how the light is generated, and can sometime be up to 100 per cent. So called high frequency light, for example fluorescent tubes with high frequency gear, has a fundamental frequency of 30-50 kHz and can be classified as a flicker free light source. If a cathode-ray tube based VDU screen has a refresh rate high enough, the picture on the screen appears flicker-free even though the picture has 100 per cent degree of modulation. Liquid crystal screens are in principal flicker-free. A review of studies concerning non-visual flicker from fluorescent tubes indicate that certain sensitive persons are affected negatively by the flicker. There is no existing explanatory model as to why certain people (even, sometimes, healthy people) show a stronger response to non-visual flicker compare to controls. It is however obvious that the arousal of the central nervous system might give negative effects. The appearance of detectable flicker on the VDU screen might be a factor of importance for the appearance of VDU related symptoms and is probably more pronounced during data input, when the eyes are focused beside the screen. To counteract this the refresh rate should be high. The impact of light on chronobiology The circadian timing system of humans is synchronized to the 24-hour day and includes, for instance sleep, awakens, body temperature, metabolism, hormone production as well as fluctuations in awareness and behaviour. The control of these functions and processes are driven by the nervous and endocrine system and is commonly called the biological clock . Although the non visual effects of light on humans have been known for a long time it is only during the last few years is has been included in light planning. The biological clock is synchronized with the rhythm of the sunlight, especially in the morning and evening. A review of the literature show that for people who are indoor it is of importance to have access to daylight through window especially during wintertime. Being in windowless rooms or being in dark rooms might have negative consequences for well-being and capacity for work. Both artificial as well as natural light seem to have an impact on the biological clock. Conclusion A review of the literature in this area of research can be summarised by the following items: - There are a number of studies showing that non-visual flicker has a negative impact on humans. Therefore, as a precautionary principle, installations of high frequency light type are to be recommended. - Access to daylight has, in a number of studies, been shown to be of importance for health, well-being and performance and should bee included in light planning to be utilized in the best way. - Studies of light with a spectral distribution equivalent to daylight have not been able to verify that visual functions, capacity, health and well-being are positively affected of this light compare to light with other spectral distributions. - Detectable flicker on the VDU screen might be one factor that causes eye discomfort. In order to avoid that, the refresh rate of the screen should be high. Key words: flicker, video display unit, light source, eye discomfort, the circadian timing system, the biological clock, perception, daylight.

Föreliggande dokument ger en sammanställning av tillgängliga forskningsresultat avseende hälso- och störningseffekter av olika ljusalstrande källor. Arbetet fokuseras på tre aspekter; ljusets spektralfördelning, ljusets modulationsgrad och därmed flimmer, samt ljusets kronobiologiska betydelse. Hur det synliga ljuset uppträder och vilka effekter denna strålning har är beroende på hur ljuset genereras. En genomgång av de tekniska förutsättningarna, dvs beskrivning av olika ljuskällor och belysningsarmaturer är därför en viktig del i det föreliggande arbetet. På samma sätt avhandlas de termer och begrepp som är av betydelse för den visuella sinnesupplevelsen samt de perceptuella aspekterna på denna. Det synliga ljuset är ur fysikalisk mening en del av den optiska strålningen, som även innefattar ultraviolett (UV) och infraröd (IR) strålning. I denna skrift avhandlas endast synligt ljus, vilket definieras som elektromagnetisk strålning i våglängdsområdet mellan 400 och 780 nm definierat av CIEs (International Commission on Illumination). Spektralfördelning Olika ljuskällor kan avge ljus vid olika våglängder inom det synliga spektrumet, och även annan optisk strålning (UV-, IR-strålning). Vissa ljuskällor av typ urladdningslampor alstrar primärt ljus i vissa diskreta våglängder som delvis (för t ex lysrör) kan ligga inom UV-området. Genom sekundära processer i lysröret omvandlas denna strålning till ett mer kontinuerligt ljus i den synliga delen av spektrat. Beroende på vilket lyspulver som används kan olika spektralfördelningar erhållas. Spektralfördelningen från en bildskärm av katodstrålerörstyp bestäms av den eller de fosforer som används. Vid moderna skärmar av flerfärgstyp kan spektralfördelningen varieras för att kunna återge olika färgnyanser. Spektralfördelningskurvan visar grafiskt hur en ljuskälla fördelar sin strålning över det synliga frekvensområdet. I ett stort antal fältstudier och laboratoriestudier har betydelsen av ljusets spektralfördelning för såväl perceptuella som kognitiva processer studerats. Framförallt har frågeställningen varit huruvida en belysning med en spektralfördelning motsvarande dagsljus (fullfärgslysrör) är att föredra framför ljus med annan spektralfördelning. Litteraturgenomgång av den omfattande forskningen med denna frågeställning har inte kunnat ge något entydigt svar vare sig när det gäller synfunktion, prestation, hälsa eller välbefinnande. Ljusmodulation Vår upplevelse av ljusmodulation (en periodisk variation i ljusstyrka med tiden) kallas flimmer och är således i princip visuellt, dvs vi kan detektera det med vårt synsinne. När frekvensen är tillräckligt hög tolkas det av oss som ett kontinium. Vi har här valt att kalla detta för icke visuellt flimmer. Modulationsgraden hos olika belysningar varierar kraftigt beroende på hur ljusets genereras, och kan i vissa fall vara 100 procent. Så kallad högfrekvensbelysning, exempelvis lysrör som drivs med högfrekvensdon leder till att ljusmodulationen får en grundfrekvens på ca 30-50 kHz och kan därmed betraktas som flimmerfri. Om en bildskärm av katodstråletyp har tillräkligt hög bildfrekvens uppfattas den som flimmerfri trots att bilden i sig har en 100 procentig modulationsgrad. Flytande kristallskärmar kan i princip betraktas som flimmerfria. En genomgång av studier avseende icke visuellt flimmer från lysrör visar att vissa känsliga grupper påverkas negativt av flimret. Någon förklaringsmodell till varför vissa (även fullt friska) uppvisar en starkare respons på flimmer finns inte, men uppenbart är att den väckning av centrala nervsystemet arousal som sker kan ge de negativa effekterna. Uppkomst av detekterbart flimmer på bildskärmen antas vara en viktig faktor för uppkomst av bildskärmsrelaterade symptom och är sannolikt mer påtagbart vid inmatningsarbete, där blicken ofta är riktad strax bredvid skärmen. För att motverka detta bör bildväxlingsfrekvensen vara hög. Ljusets kronobiologiska betydelse Människan har en dygnsrytm på cirka 24 timmar som bland annat innefattar sömn och vakenhet, kroppstemperatur, ämnesomsättning och hormonproduktion samt fluktuationer i uppmärksamhet och beteende. Styrningen av dessa funktioner beror på inre processer, framför allt i nervsystemet och det endokrina systemet, vilka vanligen benämns den biologiska klockan . Trots att man inom forskarsamfundet under lång tid känt till ljusets icke-visuella effekter på människan, är det först under senare tid som dessa börjat uppmärksammas inom belysningsplaneringen. Den biologiska klockan synkroniseras med soldygnet genom dagsljuset, framför allt på morgonen och kvällen. En genomgång av litteratur på området visar att för personer som vistas inomhus är det viktigt att ha tillgång till dagsljus genom fönster särskilt under vinterhalvåret. Avsaknad av fönster liksom vistelse i mörka lokaler kan få negativa konsekvenser för välbefinnandet och arbetsförmågan. Allt slags synligt ljus, såväl naturligt som artificiellt, tycks kunna påverka den biologiska klockan. Slutsats Genomgången av den vetenskapliga litteraturen på området kan sammanfattas i följande punkter: - Det finns idag mycket som talar för en negativ påverkan av icke visuellt flimmer och därför finns all anledning att som en försiktighetsprincip installera belysning av högfrekvenstyp. - Tillgång till dagsljus har i ett stort antal studier visat sig ha betydelse för hälsa, välbefinnande, och prestation och bör ingå i en belysningsplanering för att utnyttjas på bästa sätt. - Studier av belysning med spektralfördelning motsvarande dagsljus har inte på ett övertygande sätt kunnat verifiera att olika synfunktioner, prestation, hälsa eller välbefinnande skulle påverkas positivt av denna belysning i jämförelse med annan typ av belysning. - Uppkomst av detekterbart flimmer på bildskärmen antas vara en av många faktorer som kan ge ögonbesvär. För att motverka detta bör bildskärmens bildväxlingsfrekvensen vara hög.