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激光对人眼的伤害介绍

2024-05-14 16:46:02
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众所周知,激光产品对人眼会产生危害,那么具体这个危害是怎么体现的呢?


今天中为检验小编就详细为大家解释激光对人眼的危害是怎么产生的。

 

在下图D.1中,简要叙述了眼的解剖。眼特别适合于接收和传导光辐射。因过量照射引起的有关病理学改变概括于表 D.1中,热相互作用机理显示于图 D.2 中。紫外和远红外激光辐射致使角膜损伤,然而可见光与近红外辐射将被透射到视网膜上引起损伤。

 

可见光和近红外激光对眼的损伤是特殊的,因为眼球能有效地透射光辐射,这一特性使得色素含量较多的组织受到较强的辐照。从角膜到视网膜,辐照度的增加近似等于瞳孔面积与其在视网膜的像面积之比。

 

辐照度增大是因为进入瞳孔的光在视网膜上被聚焦成一个。瞳孔是一个可变的孔径,对年轻人的眼睛而言,其直径最大可扩张至7 mm,对应于这样一个瞳孔的视网膜影像,直径可在 10μm~20μm之间。考虑到眼内散射和角膜像差,从角膜到视网膜辐照度的增加有2×10⁵量级。


D.1 过量光照的病理效应一览表

 

CIE 光谱范围

  

  

紫外辐射C(180 nm~280 nm)

光致角膜炎

红斑(阳光灼伤)

加速皮肤的老化过程

色素沉着

紫外辐射B(280 nm~315 nm)

紫外辐射A(315 nm~400 nm)

光化学白内障

色素加深光敏感作用皮肤灼伤

可见光(400 nm~780 nm)

光化学和热效应所致的视网膜损伤

红外辐射 A(780 nm~1 400 nm)

白内障、视网膜灼伤

皮肤灼伤

红外辐射B(1.4μm~3.0μm)

白内障、水分蒸发、角膜灼伤

红外辐射C(3.0μm~1mm)

仅为角膜灼伤

a CIE 中定义的光谱范围是简化符号,用于描绘生物效应,可能与MPE A.1 到表 A.3 中光谱波段的划分有所不同。


根据GB 7247.1标准的规定,认为7mm的瞳孔是限制孔径,因为该值是一种最坏的条件下,并且是对年轻人最坏情况下的瞳孔直径进行测量而得到的。对7 mm瞳孔假设的一个例外是,当连续观看可见光(400 nm~700 nmì激业源超过10s时,计算不致引起来照性视网膜炎的照射限值。在这种情况下,假设 3mm 的瞳孔是最坏条件;不过,由于瞳孔在空间的生理性运动,用于平均辐照度测量的7 mm孔径仍被认为是合理的。因此,持续时间大于 10 sAEL 仍然用7 mm的孔径导出。

 

如果一束强激光聚焦到视网膜上,仅有一小部分光(不超过5%)被视杆和视锥中的视色素所吸收。而绝大部分光将被色素上皮中的黑色素所吸收(在黄斑区,波长为400 nm~500 nm 范围内的部分能量将被黄色的黄斑色素吸收)。被吸收的能量会导致局部发热,并灼伤色素上皮和相邻的光敏视杆和视锥。这种烧伤或损伤可能导致视力丧失。光化学损伤,尽管是非热的,但也发生在色素上皮层。

 

这种视力的丧失是否是永久性的,取决于照射的强度。通常仅当黄斑中心或中央凹损伤时,受照人员才会自我感觉到视力减退。

 

中央凹是黄斑中心的一个小凹陷,是视网膜最重要的部分,是视觉最敏锐区。中央凹是视网膜用来辨别物体真相的部分。中央凹所对的视角大约相当于月亮的张角。倘若此区受损伤,视力减退最初表现为一个模糊的白斑遮蔽视觉中心区,但在两周内或更长的时间,白斑会变为黑斑。

 

最后,患者可能在正常视觉中不会再察觉到这个盲点(暗点)。然而,当在注视像一张空白纸样的视场时,盲点立刻就会显露出来。视网膜周边损伤只有在视网膜被整体破坏时,病人才会主观感觉到。小的周边损伤往往会被忽视,甚至在系统的眼科检查中也未必会发现。

 

400 nm~1 400 nm 波长范围内,最大的危害是视网膜损伤。角膜,房水,晶状体和玻璃体对这些波长的辐射是透明的。对于良好的平行光束,由于其视网膜像被假定是直径10μm~20μm的衍射极限光斑,故其危害实际上与辐射源和眼之间的距离无关。在这种情况下,假定达到热平衡,则视网膜危害区域取决于最小对向角αmin,它通常对应大约25μm直径的视网膜圆斑。

 

对于扩展源,其危害随光源和眼之间的观察距离而变化,因为视网膜的瞬时辐照度只依赖于该光源的辐射亮度及眼球晶状体的特性,较大视网膜像的能量热扩散效率较低,导致视网膜热损伤依赖于光斑大小,而光化学损伤(仅在400 nm~600 nm 光谱区占支配地位)不存在这种依赖性。此外,对于连续波激光照射,眼睛运动进一步扩散了吸收的能量,导致对不同的视网膜图像尺寸有着不同的风险依赖性。

 

在推导视网膜危害区域的眼照射极限值时,眼运动的修正因子仅适用于观察持续时间大于 10 s的情况。虽然在0.1s~10s的时间范围内,被称为眼跳(眼急动)的生理性眼运动确实扩散了视网膜最小像(0.25 μm或更小)内吸收的能量,但眼照射限值对这一观察条件提供了一个期望的附加安全因子。照射时间为0.25s时,视网膜上受照圆斑平均约为50μm。照射时间为 10s时,视网膜上受照区域约为75μm,并且相对固定的眼睛,在考虑到光斑大小依赖性时,最小像条件下的附加安全因子变为 1.7。当照射时间为100s时,受照区域(50%点测量)很难小到 135μm,导致最小像条件的附加安全因子为2~3 或更大。

 

来自眼动研究和视网膜热伤害研究的数据结合在一起,推导出观察时间 T₂ 的转效点,在这点上,眼动补偿了在眼睛固定不动时,由于视网膜照射持续时间增加而增加的热伤害的理论风险。因为以进入眼内的热损伤阈值(用辐射功率表示)随着照射持续时间t的增加而降低到一0.25次方(即持续时间每增加10倍,损伤阈值仅减少44%),对于更长观看时间造成的风险增加,只要适度增加受照视网膜区域就可以进行补偿。随着观看时间增加,眼运动加大,引起视网膜受照区域增加,对于较大的扩展源,需要用更长的时间补偿热扩散减少的影响。这样,随着对向角α的增大,转效点 T₂ 10 s(对小光源)增加到100s(对大光源)

 

超过100s.对于小的和中等大小的像,热损伤的风险不再增加。照射限值和测量条件的规定,力求根据这些变量进行简化处理,从而得到关于风险的保守确定。依据保守假设:视网膜像在大约25 μm~1m m(相当于角度为1.5 mrad~59 mrad)之间时,视网膜热损伤阈值与视网膜像(稳定的)的大小成反比超过 1.7mm(相当角度大于100 mrad),与光斑大小无关。

 

对于稳定的像,光化学引起的视网膜损伤与光斑尺寸无关。与热损伤的机理不同,光化学损伤的阈值具有很强的波长依赖性和照射剂量依赖性,即,随着照射持续时间的增加,阈值反而减小。对向角为1 mrad~1.5 mrad的焊弧引起的光化学损伤研究显示,其典型损害尺寸为 185μm~200 μm(相当于11 mrad~12 mrad视角),这清楚地显示了在注视期间眼动的影响。从这些和其他注视期间眼动的研究,求解出防止视网膜光化学损伤的MPEs。这些研究也导致照射持续时间为10 s~100 sMPE辐照度被规定为在 11 mrad区域上的平均值。因此,张角α小于11 mrad的光源被等同视为点状光源,并且αₘₘ的概念被扩展到连续波激光器观看。这个方法并不严格正确,因为一个11 mrad光源的辐照度测量并不等同于在11 mrad视场(γ)上平均的辐照度,除非光源属平顶(“顶帽”)辐射度分布。


因此,GB 7247.1标准中,在光源对向角和光化学 MPE 值的辐照度平均之间做了区别。当观察时间超过约30s~60 s时,在注视期间急促的眼运动一般由视觉作业确定的行为运动所支配,完全没有理由假设光源完全成像于中央凹上的持续时间大于100s。由于这个原因,接收角γρρ随着t的平方根线性增加。对所有照射持续时间,最小对向角amia合理地保持在视网膜热危害评价时所用的1.5 mrad参考角上。但是,对于视网膜光化学危害的评估,概念实际上是不同的,因为角γₚₖ是测量辐照度的接收角的线性角,重要的是,仅适用于大于约1 1 mrad的扩展源。

 

观察距离。对于点型的发散激光束光源,其危害随着激光束束腰与眼睛的距离的减少而增加。原因是,随着距离减小,其收集的功率增加,对于真实的激光光源,距离下降到100mm那样近时(由于眼的调节能力)视网膜上像的尺寸可假设保持在接近衍射极限的量级。最大危害出现在最短调节距离上。随着距离的进一步减小,对裸眼的危害也减少,这是由于视网膜像的迅速变大导致辐照度相应减小,即使有可能收集到更大的功率也是如此。为了模拟借助双目镜或望远镜对准直激光束进行光学辅助观看时的风险,根据获得清楚观看的最近距离,使用50mm孔径的最近观看距离设定为2m处。

 

对在GB 7247.1标准来说,在400 nm~1 400 nm范围内的所有波长上,人眼调节的最短距离定为100mm。选择这样一个折衷方案是因为除年轻人和极少近视眼之外,其他人员不能把眼调节到100mm以下的距离上。这个距离可以用于光束内视情况下的辐照度测量(见表11)

 

对于小于400nm或大于1400nm的波长.最大的危害是对晶状体或角膜的损伤。根据波长,光辐射或被角膜或被晶状体优先或者完全吸收(见表D.1)。对于这些波长的发散光束光源(扩展或点型),光源和眼之间的距离应该避免过短。

 

1500 nm~2600 nm的波长范围内,激光辐射可透入房水。加热效应因此会扩散到眼睛的更大体积内,因而对于小于10 s的照射MPEs升高。当脉冲宽度很短,且波长在吸收体积最大的1 500 nm1800nm范围内时,MPEs升高最明显。当时间长于10s时,热传导使热能量重新分布,因而透射深度的作用不再明显。


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