ISO/TR 20772:2018
(Main)Ophthalmic optics — Spectacle lenses — Short wavelength visible solar radiation and the eye
Ophthalmic optics — Spectacle lenses — Short wavelength visible solar radiation and the eye
This document describes visible solar radiation with wavelengths close to the UV range, its transmission to, within and the effects on the human eye. The wavelengths concerned are from 380 nm to 500 nm, covering the colours of violet, indigo and blue — often referred to as the "blue wavelengths". It also explains the filtering effects and measurement of spectacle lenses and sunglasses, thereby providing background information to understand the transmittance requirements related to filtering effects of lenses and filters in the available spectacle lens and sunglass standards. This document does not address the issues of protection from artificial sources of radiation. This document is intended to be of benefit to any future interest in ISO standardization related to transmission of solar radiation with wavelengths near to and greater than 380 nm. The Bibliography provides a source of relevant useful references.
Optique ophtalmique — Verre de lunettes — L'oeil et les radiations solaires visibles de courtes longueurs d'onde
Le présent document décrit le rayonnement solaire visible dont les longueurs d'onde sont proches de la gamme des UV, sa transmission et ses effets sur l'œil humain. Les longueurs d'onde concernées vont de 380 nm à 500 nm, couvrant les couleurs telles que le violet, l'indigo et le bleu — souvent appelées «longueurs d'onde du bleu». Il explique également les effets de filtrage et le mesurage des verres de lunettes et des lunettes de soleil, fournissant ainsi des informations générales pour comprendre les exigences relatives au facteur de transmission en lien avec les effets de filtrage des verres et des filtres dans les normes disponibles sur les verres de lunettes et les lunettes de soleil. Le présent document n'aborde pas le sujet de la protection des sources de rayonnement artificielles. Le présent document est destiné à être utilisé à l'avenir dans les normes ISO relatives à la transmission du rayonnement solaire dont les longueurs d'onde sont proches de 380 nm et supérieures à 380 nm. La Bibliographie fournit des références connexes utiles.
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 20772
First edition
2018-10
Ophthalmic optics — Spectacle lenses
— Short wavelength visible solar
radiation and the eye
Optique ophtalmique — Verre de lunettes — L'œil et les radiations
solaires visibles de courtes longueurs d'onde
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Preliminaries: UV400 and alpha-blocking wavelength in standardization .1
5 Solar radiation and exposure of the eye . 3
5.1 Solar radiation and the earth’s atmosphere . 3
5.2 Geometrical factors . 5
5.2.1 General. 5
5.2.2 Exposure and solar altitude . 5
5.2.3 Reflection from surfaces . . 6
5.2.4 Exposure of the eye and its response to bright light. 6
5.2.5 Peripheral light focusing effects . 7
5.2.6 Irradiation of the retina . 8
6 Physiological effects on the eye . 9
6.1 Hazards to the eye . 9
6.2 Retinas of children’s eyes . 9
6.3 Retinal blue phototoxicity .10
6.3.1 General.10
6.3.2 Blue light in solar radiation .11
6.3.3 Eye media transmittance .11
6.3.4 Sunlight irradiance reaching the retina .11
6.4 Retinal studies .11
6.4.1 General.11
6.4.2 Phototoxic effect near 405 nm .12
6.5 The mechanisms of retinal damage .12
6.6 Blue light & non-visual functions .13
6.7 Blue light transmittance of spectacle and sunglass lenses .13
6.7.1 Existing standards requirements for claims regarding blue light transmittance .13
6.7.2 Relevant spectral bandwidth and transmittance characteristics .14
6.7.3 Effects of blue light filtering on clear lenses .14
6.7.4 Effects of blue light filtering on tinted lenses.14
7 Spectral weighting functions .14
7.1 General .14
7.2 ICNIRP 2013 .15
7.3 Application of ICNIRP specifications to standards for spectacle lenses and sunglasses .16
8 Filtering materials and measurement .17
8.1 General .17
8.2 Materials for lenses and filters, including special treatments for filter properties .17
8.3 How the physical properties of lenses/filters affect transmission, reflection, and
absorption of solar radiation .18
8.4 Measuring spectral transmittances .19
8.4.1 Principles of the measurements .19
8.4.2 Factors important to the accuracy of measurement .20
9 Summary .20
Bibliography .21
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee
SC 7, Ophthalmic optics and instruments.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
iv © ISO 2018 – All rights reserved
Introduction
Ongoing concern about unverifiable spectacle lens and sunglass marketing claims for blocking of
wavelengths near to and greater than 380 nm (such as UV400 claims) was the main motivation for
creating the present Technical Report.
The intention is to explain the specifications related to the filtering effects of lenses and filters that
are given in the available International Standards — for the purposes of standardization in the fields
of spectacle lenses and sunglasses, 380 nm is generally chosen as both the upper limit of the solar
UV range and the lower limit of the visible range — and to provide information about the supporting
science as it is best understood today.
The effects of UV radiation on the eye are well known, and have been considered in the technical
requirements of the standards relating to tinted spectacle lenses (ISO 8980-3) and sunglasses
(ISO 12312-1).
The commitment to create this document came from a resolution of the plenary meeting of ISO/TC 172/
SC 7, Ophthalmic optics and instruments (responsible for spectacle lens standards) in 2009, and was
jointly supported by ISO/TC 94/SC 6, Eye and face protection (responsible for sunglass standards). The
related standards activity in these two committees is summarized in Clause 4, with more detail on the
background and technical context leading up to the decision to create this document.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 20772:2018(E)
Ophthalmic optics — Spectacle lenses — Short wavelength
visible solar radiation and the eye
1 Scope
This document describes visible solar radiation with wavelengths close to the UV range, its transmission
to, within and the effects on the human eye. The wavelengths concerned are from 380 nm to 500 nm,
covering the colours of violet, indigo and blue — often referred to as the "blue wavelengths".
It also explains the filtering effects and measurement of spectacle lenses and sunglasses, thereby
providing background information to understand the transmittance requirements related to filtering
effects of lenses and filters in the available spectacle lens and sunglass standards.
This document does not address the issues of protection from artificial sources of radiation.
This document is intended to be of benefit to any future interest in ISO standardization related to
transmission of solar radiation with wavelengths near to and greater than 380 nm.
The Bibliography provides a source of relevant useful references.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 4007, Personal protective equipment — Eye and face protection — Vocabulary
ISO 13666, Ophthalmic optics — Spectacle lenses — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4007 and ISO 13666 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Preliminaries: UV400 and alpha-blocking wavelength in standardization
This is a summary of the standards activity in ISO/TC 172/SC 7, Ophthalmic optics and instruments
(responsible for spectacle lens standards) and ISO/TC 94/SC 6, Eye and face protection (responsible
for sunglass standards) relating to claims such as UV400, and the attempts to define the term alpha-
blocking wavelength. It provides the background leading up to the decision to create this document.
Nominal wavelength regions of the electro-magnetic spectrum have been adopted by various agencies
and organizations for convenience in communication. In a number of fields (e.g. CIE, ICNIRP, IEC and
disciplines such as cosmetics and dermatology) the UV region is considered to extend to 400 nm,
overlapping with the CIE definition of visible light.
For the purposes of standardization in the fields of spectacle lenses and sunglasses, 380 nm is generally
chosen as both the upper limit of the solar UV range and the lower limit of the visible range.
The vocabulary documents which govern the terms and definitions for spectacle lens and eye protection
standards (including sunglasses) are ISO 13666 and ISO 4007.
In both these International Standards the definition of ultraviolet radiation is "optical radiation with
wavelengths shorter than those for visible radiation" while visible radiation is "any optical radiation
capable of causing a visual sensation".
So the standards' definitions for the UV and visible bands are based on the limits of photo-detection.
The same is true for the upper limit of the visible range where it meets the infrared radiation band.
Since the lower limit of detection is rather imprecise, varying between individuals and often lower than
360 nm, there was an obvious need to decide a single wavelength to define precisely the upper limit of
the UV range for application to the spectacle and sunglass standards.
ISO/TC 172, Optics and photonics in ISO 20473 made a choice of a single wavelength for all the standards
for optics and photonics.
This single wavelength was chosen to be the mid-point in the range of lower limits of the visible range
(360 nm to 400 nm) used by CIE (International Commission on Illumination), that is, 380 nm.
This 380 nm definition of the upper limit of the UV ranges was similarly adopted in ISO 4007 for the
ISO sunglass standard.
ISO and global national standards for spectacle lenses and sunglasses generally follow this approach.
Over time some uncertainties arose as a result of unclear marketing claims being made which included
the term “UV”.
In 1980 the spectacle lens manufacturing company ORC started to use the term “UV-400” for some
of their products which absorbed more strongly in the region up to 400 nm than standard products.
Following this, “UV400” became commonly used to claim low spectral transmittances up to 400 nm.
Dermatologists in the United Kingdom noted that sunglasses labelled “UV400” were suitable for use
by patients undergoing and recovering from skin treatment by PUV-A therapy. A manufacturer of mid-
index clear lenses described them as blocking essentially all UV-A radiation, in accordance with the
ISO definition of UV-A for spectacle lenses. Some dermatologists questioned this, being accustomed
to consider the UV-A range to extend to 400 nm and that there would be some guarantee of spectral
blocking at this wavelength.
After this occurred, commercial literature proliferated with claims for UV400, and some sunglasses
used the claims of UV420, and even UV440. These claims carry an expectation of a superior degree of
blocking of harmful solar radiation. Exactly how superior (if at all) was very unclear.
Some UV400 claims were being made for products on the basis that the solar UV-A transmittance
calculated between 315 nm and 400 nm complied with the Australian/New Zealand sunglass standard.
However, in some of these cases the spectral transmittance at 400 nm was more than 10 %.
To provide some certainty, ISO/TC 94/SC 6 and ISO/TC 172/SC 7 started to work in parallel and with
common leadership on their respective vocabulary documents to create a single comprehensive
definition that would enable verification of claims for spectacle and sunglass lenses, such as “UV400”.
The approach taken was to develop definitions using the concepts of “blocking” and “cut-off”. A variety
of definitions were discussed which usually required that the spectral transmittance values be not
greater than a specified value at and below the cut-off wavelength claimed.
A term XXX-blocking wavelength was devised where XXX is the wavelength for which blocking or cut-off
is claimed. This term subsequently became known as alpha-blocking wavelength.
Work on a definition for alpha-blocking wavelength continued for some years with much debate in both
committees. Various definitions were trialled, some complex, some relatively simple.
2 © ISO 2018 – All rights reserved
However, despite useful refinements, it was ultimately not possible to reach agreement for a definition
of alpha-blocking wavelength. This was the case both in the project group for ISO 13666 and the working
group revising ISO 4007.
The simplest and most recent definition of alpha-blocking wavelength (α) discussed in the groups in
2009 was:
— the highest wavelength, α, equal to or greater than 380 nm for which the spectral transmittance is
less than x % between 280 nm and α nm.
This provides the means to validate claims such as "UV400” which should correctly be termed
“400-blocking”.
It was generally agreed by the experts involved that the value for x should be small. Suggested values
were between 1 % and 4 %.
While the work to define a useful term for validation of these claims was not successful, it was believed
in both committees that a Technical Report should be written to promote understanding of the related
topics. This document is the result of that work.
5 Solar radiation and exposure of the eye
5.1 Solar radiation and the earth’s atmosphere
Solar radiation is partially absorbed and scattered while passing through the earth's atmosphere.
This reduces the irradiance of the direct rays arriving at any location on the earth's surface, but the
scattering re-directs rays from the entire sky toward that location. The total irradiance at the location
is the sum of the irradiance of the direct rays (direct irradiance) and of the diffusely scattered rays
(diffuse irradiance). The total irradiance on a horizontal surface is termed "global irradiance". See
Figure 1.
Key
1 earth's atmosphere
2 diffuse
3 direct
4 circumsolar
[24]
NOTE Adapted from Sliney and Wolbarsht , reproduced with permission.
Figure 1 — Illustration of the term "global irradiance" from the sun
Both the direct and the diffuse irradiances on a horizontal surface depend upon the angle of incidence
of the solar rays on the surface. Both vary with the position of the sun. The irradiance on a horizontal
surface is reduced by the geometric factor (cosine) of the angle of incidence of each ray, because the
area that is irradiated by the pencil of rays from the sun (and from any area of the sky) increases as
the angle of incidence increases. Additionally, the path-length through the atmosphere increases with
increasing angle of incidence. As a result, absorption and scattering are greater.
The height of the sun, and hence annual exposure varies with season, time of day and in particular
latitude.
NOTE People in the tropics experience particularly high levels of annual exposure compared to those at
lower latitudes.
Because path-lengths decrease with increasing altitude of the receiving site, atmospheric absorption
and scattering diminish. Thus, both the direct and the global irradiances increase, but the irradiances
by the scattered radiation decrease.
The term, "air-mass" (AM) is used to represent the path-length in the atmosphere of the direct solar
rays. AM-1 is the path where the sun is overhead at zenith, and AM-2 is where the light travels through
double the distance through the atmosphere compared with AM-1. AM-2 applies when the sun is at an
elevation of 30° above the horizon.
Calculations of solar transmittance in spectacle lens and sunglass standards have been based on the
AM-2 spectral power distribution of the radiation reaching the eye directly from the sun. When energy
scattered by the atmosphere is included, i.e. the “global irradiance”, there is a higher proportion of blue
light incident upon a person's face than when using the direct values. There are some experts who
consider that when calculating the blue light hazard, the AM-1 or AM-2 global spectral distribution
should be used in place of the direct AM-2 currently applied to the standards, see Figure 2. One should
also consider the specular reflection of radiation rich in short-wavelength light from the sun reflected
[15]
from auto windshields at midday (Sliney 2002) .
4 © ISO 2018 – All rights reserved
Key
X wavelength (nm)
-2 -a
Y spectral irradiance (mW.cm ·nm )
1 Moon AM-2
2 CIE AM-1
a
3 CIE AM-2
a
The values of CIE AM-2 have been adjusted because the CIE data represents the irradiance falling on a horizontal
surface compared with the values from P Moon for perpendicular incidence. Hence the component due to the
direct irradiance has been doubled to compensate for this and added to the value for the scattered light. The
values from Moon's article are given in many ISO standards including ISO 13666 and ISO 4007.
Figure 2 — Comparison of the values of the global CIE AM-1 and AM-2 with the direct Moon
AM-2 irradiance
5.2 Geometrical factors
5.2.1 General
Photobiological effects on the human retina, cornea and lens are highly dependent on the exposure
geometry as well as the spectral characteristics of the exposure. The variable sensitivity of the eye
to light enables it perform well in very low night-time illumination levels and it also is able to adapt to
extremely bright environments where light exposures are greater by many orders of magnitude. The
eye has evolved to protect itself reasonably well against excessive exposure in bright environments. The
retina is minimally exposed in extremely bright environments and the cornea and lens are surprisingly
well protected in harsh environments. Although these protective mechanisms are good, they are not
perfect and the risk of adverse changes from both acute and chronic exposures to sunlight still exist.
[16]
These geometrical factors are well described by Sliney (2005) .
5.2.2 Exposure and solar altitude
Although the solar irradiance on a horizontal surface reaches its maximum at mid-day when the sun is
high in the sky, the eyes are protected by the eyebrows and upper lids, the latter closing significantly
[17]
if the illuminance on the eyes is high (Deaver, et al, 1996) . The lower lids, however, may continue to
be exposed to solar radiation even when the sun is higher in the sky, since they are not shielded by the
eyebrows.
[18]
Sasaki, et al (2011) demonstrated an interesting relationship between eye irradiance and
sun elevation. They exposed a rotating model head tilted down 15° measuring solar UV-B with
photoreceptors in the eye position and back of the head at a moderate latitude (Kanazawa, Japan). They
found that the solar irradiance on the eyes facing the summer sun reaches its maximum mid-morning
and mid-afternoon when the sun’s elevation is around 40°. There is a decline in irradiance of the eye at
midday in summer attributed to protection by the brow, showing the irradiance at the eye during the
day has a bimodal function.
In the winter months, this bimodal function was not demonstrated. In this case, peak irradiance is at
midday because the sun’s maximum elevation is insufficient for the brow to give much protection.
Similar results are expected for short wavelength visible radiation.
5.2.3 Reflection from surfaces
In addition to the direct and diffuse sky irradiances it is important to take into account the significant
component from reflecting surfaces.
Because ISO standards for spectacles (ISO 8980-3) and general purpose sunglasses (ISO 12312-1)
exclude direct observation of the solar disc, the strongly forward-scattered radiation in the immediate
vicinity of the disc is automatically excluded as well. Therefore, exposure of the eyes to solar radiation is
by way of scattering by the atmosphere and by reflection from the ground. Because ground-reflectances
have large local variations, a representative average diffuse reflectance is assigned for tabulated solar
global irradiance spectral compositions. Ground-reflected radiation is additional to the radiance of the
sky. The lower lids may continue to be exposed to solar radiation even when the sun is higher in the sky
as they may not be shielded by the brow.
The diffuse irradiance component from the sky, on a horizontal surface at sea level, is equal to the global
[15][17]
solar irradiance minus the direct solar irradiance . From this, the average radiance of the sky on a
−1
clear day is: π (= 0,314) times the total sky diffuse irradiation on a horizontal surface at sea level. The
[19]
effective solid angle of the entire sky is equal to π (= 3,141 6). Kondratyev notes that the radiance of
the clear sky increases from the zenith to the horizon; and measurements generally showed an increase
[20][21]
by a factor of nearly two-fold . Therefore, the factor by which the radiance of the horizon sky
exceeds the average radiance of the sky must be smaller. Kondratyev also states that, although limited
clouds in a particular configuration slightly increase global irradiation, a long-term average of varied
cloudiness shows that clouds should generally be assumed always to decrease global irradiance (hence,
too, average sky radiance).
5.2.4 Exposure of the eye and its response to bright light
To assess potential biological effect, it is necessary to estimate irradiances of the retina, cornea, and lens
of an eye that is exposed to solar radiation in selected exposure situations. The spectral transmittances
of the ocular media (cornea, aqueous, crystalline lens and vitreous) affect exposures of subsequent
structures. The brow ridge and lids modify the exposure geometry. See Figure 3.
6 © ISO 2018 – All rights reserved
Key
1 eyelid 7 retina
2 iris 8 vitreous humour
3 pupil 9 crystalline lens
4 aqueous humour 10 optic nerve
5 cornea 11 macula
6 ciliary muscle
Figure 3 — Cross section of the eye
The eye has three main responses to bright light:
— If the brightness is excessive, there is an aversion response, i.e. the eyes will close or will look away.
— In more normal situations, the pupil size will reduce.
— The third response is the position of the upper lid. In bright light, the eyes 'squint' or reduce the eyelid
[17]
aperture so that the brighter the scene, the lower the upper lid. Deaver, et al (1996) measured the
upper extremity of the vertical field of view as a method of determining the position of the upper
lid for subjects looking 15° down in various situations. The upper limit of the field was typically
55° indoors, 25° to 30° in daylight, reducing to approximately 15° in bright ambient light. Only in
very bright light will the lower lid rise to help protect the eye. Perhaps this partly explains why
situations with high ground reflectance, e.g. snow, wet sand, are so uncomfortable and also can lead
to exposure keratitis.
5.2.5 Peripheral light focusing effects
While the eyelids and a spectacle or sunglass lens can protect the eye from radiation from the front,
oblique rays from the side can enter the eye (the Coroneo or peripheral light focusing effect). In addition,
radiation can also enter the eye by reflection from the back surface of a spectacle or sunglass lens.
[22]
The Coroneo effect, named after the researcher (1993) , describes how radiation from 80° to 120°
from the temporal side is focused by the cornea on the nasal junction between the cornea and sclera
(the limbus). See Figure 4. Calculations show that there can be 20 times higher irradiance nasally as is
incident on the temporal cornea. This can be reduced by wearing soft contact lenses with an absorber
[23]
(Coroneo, 2011) ; alternatively, sunglasses with a high face-form angle will also provide protection
from the side — indeed there is a requirement in ISO 12312-1 for very dark sunglasses (Category 4,
with luminous transmittance τ of less than 8 %) to provide lateral protection from radiation.
V
Key
1 direct blocked ray
2 direct axial ray
3 oblique direct rays
4 <1 % to retina
[15]
NOTE Adapted from Sliney , reproduced with permission
Figure 4 — Oblique radiation entering the eye
Radiation that is even more oblique will reach the limbus. Although very little UV radiation reaches the
retina (<1 %), a higher proportion of the incident radiation will reach the nasal limbus and the nasal
lens cortex.
5.2.6 Irradiation of the retina
Solar radiation is a significant hazard to the retina in the wavelength range 380 nm to 500 nm, with
[14]
small sensitivities above that; ICNIRP 2013 recommends evaluating source-radiances from 300 nm
to 700 nm.
An image on the macula represents an area of a viewed scene that is centred on the line-of-sight. Its
angular subtense is determined by the focusing properties of the eye. The irradiance on the macula is
proportional to the average radiance of the imaged source area, modified by attenuations at the surface
of the cornea (by reflection, therefore small) and a small attenuation loss within the ocular media in the
visible. The largest loss mechanism is absorption (and fluorescence) in the crystalline lens at shorter
wavelengths. See Table 1.
8 © ISO 2018 – All rights reserved
Table 1 — Absorption of radiation by the components of the eye and the amount transmitted to
the retina — Data representative of a 10 year old eye.
Absorption
Transmitted to
Wavelength
retina
% of the incident radiation
nm
%
Cornea Aqueous Lens Vitreous
380 25,7 2,3 (3,1) 71,7 (99,7) 0,05 (16,0) 0,2
390 23,4 2,1 (2,8) 73,6 (99,1) 0,06 (14,2) 0,5
400 21,0 1,9 (2,4) 74,5 (96,6) 0,09 (12,5) 2,3
NOTE 1 The values not in brackets are the % of the incident radiation at the cornea that is absorbed, the values in brackets
are the % absorption of that incident on the anterior surface of the structure, i.e. the aqueous, lens or vitreous.
NOTE 2 The values transmitted to the retina appear lower than in Figure 5 — this is because the values in this table are
derived from experimental measurements, in Figure 5 from an equation intended to simulate the spectral transmittance
of the eye.
[25]
NOTE Adapted using data from CIE 203:2012 .
6 Physiological effects on the eye
6.1 Hazards to the eye
Light is necessary for the visual and non-visual functions of the eye. However, any optical radiation
may be hazardous to the eye if it is absorbed by the ocular tissues at doses capable of causing
photomechanical, photothermal or photochemical reactions. While the eye has progressively evolved
to protect itself from light-induced damage, adverse changes from light exposures still exist.
Solar radiation at the earth's surface in the high-energy visible short wavelength ranges has intensities
sufficient to cause exposure doses that can approach or exceed the established limit values given in
1)
ICNIRP Guidelines (and concurring values in ACGIH's and other organization's publications).
Solar radiation has been identified as a hazard to human eyes. In vitro and in vivo experiments within
the blue range have provided information on spectral irradiances at the threshold levels of acute
temporary and permanent damage. Some work has also been done on cumulative sub-threshold doses.
Solar photo-damage by blue-light on the eye is discussed in 6.3.
It is generally accepted that the retina is at greatest risk in the blue light spectral range 380 nm to
500 nm for normal individuals.
6.2 Retinas of children’s eyes
Although there are differences in the absolute values of transmittance, Figure 5 shows that the
crystalline lenses of children are more transparent than those of older people, particularly in the short
wavelength ranges, therefore more radiation is transmitted to the retina. Children may also be exposed
to significantly more solar radiation since they usually have more opportunities to be outside than
many adults.
This suggests that a different blue-light hazard function could be created using the average lens-
transmittances for the decade of age from 10 years old to 19 years old. ICNIRP recommends the use of
[14]
an aphakic hazard function A(λ) for children aged below 2 years (ICNIRP 2013 ).
1) ACGH: American Conference of Governmental and Industrial Hygienists.
Key
X wavelength (nm)
Y transmittance (%)
1 1 year old 7 60 years old
2 10 years old 8 70 years old
3 20 years old 9 80 years old
4 30 years old 10 90 years old
5 40 years old 11 100 years old
6 50 years old
NOTE 1 The data do not take into account cataract surgery beyond 60 years old.
[26]
NOTE 2 Drawn from data from CIE 203:2012 .
Figure 5 — Total spectral transmittance of the human eye at various ages
6.3 Retinal blue phototoxicity
6.3.1 General
While age, smoking, macular pigments and genetics are strong risk factors for accelerated aging of the
macula, cumulative and prolonged short wavelength light can induce retinal photochemical injuries.
Photochemical damage of the retina depends on the light spectrum and distribution, the ocular
exposure geometry, the eye media transmittance as well as the exposure duration, the irradiance
levels, and the action of repair processes.
10 © ISO 2018 – All rights reserved
6.3.2 Blue light in solar radiation
Sun radiance is more than 100 times higher than the radiance of standard artificial lighting. It can reach
−2
several billion cd.m at midday.
The blue light proportion of sunlight within the visible range varies between 25 % and 30 %, based
on the sunlight D65 normative spectrum defined in ISO 11664-2:2007. This source is intended to
simulate average daylight and has a Correlated Color Temperature (CCT) of approximately 6,500K.
Comparatively, incandescent lamps, with a low CCT at around 2,700K, emit less than 5 % blue light.
6.3.3 Eye media transmittance
Optical radiations are either reflected, absorbed or transmitted by the successive eye media, which
modifies the spectral and absolute irradiance at the retina. The absorption properties of the eye media
were mostly studied in the 1960’s to the 1990’s. See the Bibliography.
[26]
Unlike UV radiation, visible light reaches the retina in high proportions, as reported by CIE 203:2012 .
The highest energy visible light that reaches the retina is blue light. The retinal blue transmittance
decreases with age but remains important all through life (see Figure 5).
6.3.4 Sunlight irradiance reaching the retina
In Reference [27], Yves Le Grand estimated the sunlight irradiance reaching the retina. The calculations
have been adapted in Reference [28]. The light source is described by its radiance measured in the pupil
direction and its emitting surface. The source is assumed to be small compared to the distance between
the source and the cornea. See Figure 6. After calculations, the sunlight irradiance reaching the retina
is proportional to the sunlight energy radiance, to the eye media transmittance and to the pupil area.
As mentioned earlier in the section on “the eye’s response to bright light”, the geometrical factors also
highly affect the amount of light received by the retina.
Figure 6 — Eye/light source model
6.4 Retinal studies
6.4.1 General
Retinal photo-damage has been studied for a half century, starting with the landmark paper of Noell
[29]
demonstrating blue retinal phototoxicity in rodents exposed to white fluorescent lamps . Studies
have focused on the period of exposure, short versus long term, with recovery intervals also found to
affect photodamage.
[30]
In 1972, Marshall, Mellerio and Palmer showed visible light damage in the cones of pigeons .
[31]
Remé (2005) has shown that intense white light can cause damage to the photoreceptors, and that
bleaching products from the rod pigment (rhodopsin) “strongly absorb in the blue and near UV range,
and possibly induce detrimental photochemical lesions in photoreceptors”.
Understanding of retinal blue phototoxicity damage is largely modelled on animal and cellular models.
In vivo experiments revealed that photochemical damage exhibits lower dose thresholds in the UV
[32] [33][34]
range and in the blue range than for green or red light on the retina of humans , of monkeys ,
[35][36][37] [38][39][40][41][42]
rats and rabbits .
The harmful effect of blue light was also modelled on living Retinal Pigment Epithelium (RPE) cells
[43] [44]
loaded with either oxidized photoreceptor outer segment , purified lipofuscin , or synthesized
[45][46][47][48][49]
A2E . A2E and lipofuscin are compounds that accumulate in the RPE cells and increase
with age. A greater toxicity of blue light was demonstrated by exposing human RPE loaded with
lipofuscin over 48 h with violet-blue-green light (390 nm to 550 nm, 2,8 mW/cm ) compared with
2 [44]
yellow-red light (550 nm to 800 nm, 2,8 mW/cm ) . RPE cell death induced by blue light exposure
was further explained in References [50] and [51].
In Reference [28], the authors identified the acute phototoxic action spectrum of RPE within the
blue-green range in solar physiological retinal exposure on an in vitro model of Age-related Macular
Degeneration (AMD). The narrow 415 nm to 455 nm spectral range was highlighted as the greatest
phototoxic risk to RPE cells. Whilst longitudinal studies of the phototoxic effect of blue light are not
feasible outside of an in vitro model, this study is consistent the photobiological action spectrum
[52]
peaking near 445 nm evidenced by Ham, Mueller and Sliney in 1976 .
No consensus regarding the link between sunlight exposure and AMD has emerged from epidemiology
[53][54][55][56][57][58][59][60][61][62][63][64]
studies. Nevertheless, several studies suggest the correlation
[65][66][67]
.
The EUREYE study found significant association between blue light exposure and neovascular AMD in
[57]
individuals having the lowest antioxidant level .
In the Chesapeake Bay study performed on 838 watermen, AMD patients — compared with age-
matched controls — were significantly more highly exposed to blue over the preceding 20 years but
[54]
equally exposed to UV, suggesting that blue light exposure is related to AMD .
The Beaver Dam Eye Study reported a correlation between sunlight and 5-year incidence of early AMD
changes. Leisure time spent outdoors while teenagers (13 to 19 years) and in their 30s (30 to 39 years)
[68]
was significantly associated with the risk of early age-related macular changes .
A recent meta-analysis concluded that adult individuals with more sunlight exposure are at a
[61]
significantly increased risk of AMD . Fourteen studies were identified. Twelve studies reported an
increasing risk of AMD with greater sunlight exposure, six of which evidenced significant risks.
6.4.2 Phototoxic effect near 405 nm
Very little research has been done in this area, however there have been some observations by
[70]
Reidenbach, et al reporting unusually persisting after-effects for short exposure to a 405 nm (violet)
laser. These observations accord with some anecdotal data relating to retinal exposures in this range
for patients who see all objects tinged with red. This raises the question of appropriate limits for laser
exposure, but at this time no studies in this area have been carried out.
6.5 The mechanisms of retinal damage
Depending on irradiance levels and exposure durations, light can result in retinal damage through
photomechanical, photothermal and photochemical mechanisms. Brief exposure to extremely bright
light can induce mechanical or thermal injuries. For photomechanical mechanisms, compressive
and tensile forces can induce permanent damage or be lethal for retinal cells. Photothermal damage
is associated with a temperature increase characterized by an increase in mean kinetic energy.
Photochemical damage is the most common mechanism by which light exposure induces retinal
damage. It is associated with moderate irradiance levels and long exposure durations and is wavelength-
dependent. It is cumulative retinal damage and induces cell death activity. In this report, we focus on
the photochemica
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 20772
Première édition
2018-10
Optique ophtalmique — Verre de
lunettes — L'œil et les radiations
solaires visibles de courtes
longueurs d'onde
Ophthalmic optics — Spectacle lenses — Short wavelength visible
solar radiation and the eye
Numéro de référence
©
ISO 2018
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Préalables: Longueur d’onde alpha bloquant les rayonnements et UV400 en
normalisation . 1
5 Rayonnement solaire et exposition de l’œil . 3
5.1 Rayonnement solaire et atmosphère terrestre . 3
5.2 Facteurs géométriques . 5
5.2.1 Généralités . 5
5.2.2 Exposition et hauteur du soleil . 6
5.2.3 Réflexion par les surfaces . 6
5.2.4 Exposition de l’œil et réponse de l’œil à la lumière vive . 6
5.2.5 Effets de la focalisation de la lumière périphérique . 7
5.2.6 Éclairement énergétique de la rétine . 8
6 Effets physiologiques sur l’œil. 9
6.1 Dangers pour l’œil . 9
6.2 Rétines des yeux des enfants . 9
6.3 Phototoxicité rétinienne de la lumière bleue .10
6.3.1 Généralités .10
6.3.2 Lumière bleue dans le rayonnement solaire . .11
6.3.3 Facteur de transmission du milieu oculaire .11
6.3.4 Éclairement énergétique de la lumière du soleil atteignant la rétine .11
6.4 Études de la rétine .11
6.4.1 Généralités .11
6.4.2 Effet phototoxique à une valeur proche de 405 nm .12
6.5 Mécanismes d’endommagement rétinien .13
6.6 Lumière bleue et fonctions non visuelles .13
6.7 Facteur de transmission dans le bleu des verres de lunettes et des lunettes de soleil .14
6.7.1 Exigences des normes actuelles sur les allégations relatives au facteur de
transmission dans le bleu .14
6.7.2 Largeur de bande spectrale pertinente et caractéristiques du facteur de
transmission .14
6.7.3 Effets du filtrage de la lumière bleue sur les verres transparents .14
6.7.4 Effets du filtrage de la lumière bleue sur les verres teintés .15
7 Fonction de pondération spectrale .15
7.1 Généralités .15
7.2 ICNIRP 2013 .16
7.3 Application des spécifications de l’ICNIRP aux normes sur les verres de lunettes et
les lunettes de soleil .17
8 Matériaux filtrants et mesurage .18
8.1 Généralités .18
8.2 Matériaux pour verres et filtres, y compris traitements spéciaux aux propriétés
filtrantes .18
8.3 Manière dont les propriétés physiques des verres/filtres affectent la transmission,
la réflexion et l’absorption du rayonnement solaire .19
8.4 Mesurage des facteurs de transmission spectrale .20
8.4.1 Principes des mesurages .20
8.4.2 Facteurs importants pour l’exactitude de mesure .21
9 Résumé .21
Bibliographie .23
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, de la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute autre information au sujet de
l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les
obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-
comité SC 7, Optique et instruments ophtalmiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members . ht m l .
Introduction
Les préoccupations courantes concernant les allégations marketing invérifiables de blocage des
longueurs d’onde proches de 380 nm et supérieures à 380 nm (notamment les allégations UV400) par
les verres de lunettes et les lunettes de soleil étaient la principale motivation à l’origine de la création
du présent Rapport technique.
Son objectif est d’expliquer les spécifications applicables aux effets de filtrage des verres et des filtres
données dans les Normes internationales disponibles – pour les besoins de normalisation dans les
domaines des verres de lunettes et des lunettes de soleil, la longueur d’onde de 380 nm est généralement
choisie comme limite supérieure du domaine UV solaire et comme limite inférieure du visible – et de
fournir des informations sur les données scientifiques actuelles.
Les effets du rayonnement UV sur l’œil sont bien connus et ont été pris en compte dans les exigences
techniques des normes sur les verres de lunettes teintés (ISO 8980-3) et sur les lunettes de soleil
(ISO 12312-1).
L’engagement de créer le présent document a été inspiré par une résolution de la réunion plénière
de l’ISO/TC 172/SC 7, Optique et instruments ophtalmiques (responsable des normes sur les verres
de lunettes) organisée en 2009, et a été appuyé par l’ISO/TC 94/SC 6, Protection des yeux et du visage
(responsable des normes sur les lunettes de soleil). L’activité de normalisation de ces deux comités est
résumée dans l’Article 4, avec plus de détails sur l’historique et le contexte technique ayant conduit à la
décision de créer le présent document.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 20772:2018(F)
Optique ophtalmique — Verre de lunettes — L'œil et les
radiations solaires visibles de courtes longueurs d'onde
1 Domaine d’application
Le présent document décrit le rayonnement solaire visible dont les longueurs d’onde sont proches de
la gamme des UV, sa transmission et ses effets sur l’œil humain. Les longueurs d’onde concernées vont
de 380 nm à 500 nm, couvrant les couleurs telles que le violet, l’indigo et le bleu — souvent appelées
«longueurs d’onde du bleu».
Il explique également les effets de filtrage et le mesurage des verres de lunettes et des lunettes de soleil,
fournissant ainsi des informations générales pour comprendre les exigences relatives au facteur de
transmission en lien avec les effets de filtrage des verres et des filtres dans les normes disponibles sur
les verres de lunettes et les lunettes de soleil.
Le présent document n’aborde pas le sujet de la protection des sources de rayonnement artificielles.
Le présent document est destiné à être utilisé à l’avenir dans les normes ISO relatives à la transmission
du rayonnement solaire dont les longueurs d’onde sont proches de 380 nm et supérieures à 380 nm.
La Bibliographie fournit des références connexes utiles.
2 Références normatives
Les documents suivants sont référencés dans le texte de sorte qu’une partie ou la totalité de leur
contenu constitue les exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée
s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 4007, Équipement de protection individuelle — Protection des yeux et du visage — Vocabulaire
ISO 13666, Optique ophtalmique — Verres de lunettes — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 4007 et
l’ISO 13666 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online Browsing Platform: disponible à l’adresse https:/ /www. iso. org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:/ /www.e lectropedia. org/
4 Préalables: Longueur d’onde alpha bloquant les rayonnements et UV400 en
normalisation
Ci-après figure un résumé des activités de normalisation de l’ISO/TC 172/SC 7, Optique et instruments
ophtalmiques (responsable des normes sur les verres de lunettes) et de l’ISO/TC 94/SC 6, Protection
du visage et des yeux (responsable des normes sur les lunettes de soleil) en lien avec les allégations
telles qu’UV400, et les tentatives de définition du terme longueur d’onde alpha bloquant le rayonnement.
Il spécifie le contexte ayant conduit à la décision de créer le présent document.
Les plages de la longueur d’onde nominale du spectre électromagnétique ont été adoptées par
différentes agences et organisations afin de faciliter la communication. Dans plusieurs domaines (par
exemple, CIE, ICNIRP, IEC et secteurs tels que cosmétique et dermatologie), la plage UV est considérée
comme s’étendant jusqu’à 400 nm, ce qui signifie qu’elle recoupe la définition de la CIE de la lumière
visible.
Pour les besoins de la normalisation dans les secteurs des verres de lunettes et des lunettes de soleil,
une longueur d’onde de 380 nm est généralement choisie comme limite supérieure du domaine UV
solaire et comme limite inférieure du visible.
Les documents terminologiques qui régissent les termes et les définitions applicables aux normes
sur les verres de lunettes et la protection de l’œil (y compris les lunettes de soleil) sont l’ISO 13666 et
l’ISO 4007.
Dans ces deux Normes internationales, la définition du rayonnement ultraviolet est un «rayonnement
optique dont les longueurs d’onde sont inférieures à celles du rayonnement visible» tandis que celle du
rayonnement visible est un «rayonnement optique susceptible de produire directement une sensation
visuelle».
Ainsi, les définitions des normes des domaines UV et visibles reposent sur les limites de la photo-
détection. Cela vaut également pour la limite supérieure du visible qui recoupe le domaine du
rayonnement infrarouge.
Étant donné que la limite inférieure de détection est relativement imprécise, qu’elle varie selon les
individus et qu’elle est souvent inférieure à 360 nm, il était explicitement nécessaire de décider qu’une
seule longueur définisse précisément la limite supérieure du domaine UV en vue de l’application aux
normes sur les verres de lunettes et les lunettes de soleil.
Dans l’ISO 20473, le comité ISO/TC 172, Optique et photonique, a fait le choix d’une seule longueur d’onde
pour toutes les normes sur l’optique et la photonique.
Cette seule et même longueur d’onde a été choisie comme point médian dans la gamme des limites
inférieures du visible (360 nm à 400 nm) utilisé par la CIE (Commission Internationale de l’Éclairage), à
savoir 380 nm.
Cette définition de 380 nm de la limite supérieure des domaines UV a également été adoptée dans
l’ISO 4007 sur les lunettes de soleil.
Les normes ISO et les normes nationales sur les verres de lunettes et les lunettes de soleil suivent
généralement cette approche.
Au fil du temps, des incertitudes sont nées en raison d’allégations marketing floues qui incluaient le
terme «UV».
En 1980, le fabricant de verres de lunettes ORC a commencé à utiliser le terme «UV-400» pour certains
de ses produits qui absorbaient plus fortement que les produits standards dans la région s’étendant
jusqu’à 400 nm. Par conséquent, le terme «UV400» a été couramment employé pour alléguer un faible
facteur de transmission spectrale allant jusqu’à 400 nm.
Les dermatologues du Royaume-Uni ont noté que les lunettes de soleil étiquetées «UV400» convenaient
aux patients soumis ou ayant été soumis à un traitement cutané par puvathérapie. Un fabricant de
verres blancs à indice moyen les a décrites comme bloquant pratiquement tout le rayonnement UV-A,
conformément à la définition ISO des UV-A pour les verres de lunettes. Certains dermatologues ont
remis en question cet argument, habitués à considérer le domaine UV-A comme s’étendant jusqu’à
400 nm et assurant qu’il y aurait un blocage spectral à cette longueur d’onde.
Suite à cet événement, les documents commerciaux ont proliféré avec des allégations UV400, certaines
lunettes de soleil utilisant les allégations UV420 voire UV440. Ces allégations présupposent un degré
supérieur de blocage du rayonnement solaire nocif. Le degré de supériorité (pour autant qu’il existait)
n’était pas du tout précis.
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
Certaines allégations UV400 ont été faites pour des produits en partant du principe que le facteur de
transmission des UV-A solaires calculé entre 315 nm et 400 nm était conforme à la norme australienne/
néozélandaise sur les lunettes de soleil. Cependant, dans certains de ces cas, le facteur de transmission
spectrale à 400 nm était supérieur à 10 %.
Pour s’en assurer, l’ISO/TC 94/SC 6 et l’ISO/TC 172/SC 7 ont commencé à travailler en parallèle sur leurs
documents terminologiques respectifs, avec un objectif commun: créer une seule définition exhaustive
qui permettrait de vérifier les allégations relatives aux verres de lunettes et aux lunettes de soleil,
notamment «UV400».
L’approche choisie consistait à élaborer des définitions en utilisant les concepts de «blocage» et de
«coupure». Plusieurs définitions, nécessitant généralement des facteurs de transmission spectrale
inférieurs à une valeur spécifiée à et en dessous de la longueur d’onde de coupure alléguée, ont été
discutées.
Un terme longueur d’onde bloquant les XXX a été suggéré, XXX étant la longueur d’onde à laquelle le
blocage ou la coupure est allégué(e). Ce terme a ensuite été repris sous l’expression connue longueur
d’onde alpha bloquant le rayonnement.
Le travail d’élaboration d’une définition de la longueur d’onde alpha bloquant le rayonnement s’est
poursuivi quelques années avec force débats au sein des deux comités. Plusieurs définitions ont été
expérimentées, certaines complexes, d’autres relativement simples.
Toutefois, malgré de pertinentes améliorations, il n’a finalement pas été possible de trouver un accord
sur une définition de la longueur d’onde alpha bloquant le rayonnement. Ce fut le cas dans le groupe de
projet de l’ISO 13666 et le groupe de travail chargé de réviser l’ISO 4007.
La définition la plus simple et la plus récente de la longueur d’onde alpha (α) bloquant le rayonnement
discutée au sein des groupes en 2009 était la suivante:
— longueur d’onde maximale, α, égale ou supérieure à 380 nm pour laquelle le facteur de transmission
spectrale est inférieur à x % entre 280 nm et α nm.
Ceci permet de valider les allégations telles que «UV400» qu’il conviendrait d’appeler correctement
«bloquant le rayonnement UV400».
Les experts impliqués ont généralement admis qu’il convenait que la valeur de x soit faible. Les valeurs
suggérées se situaient entre 1 % et 4 %.
Même si le travail de définition d’un terme utile pour la validation de ces allégations n’a pas porté ses
fruits, les deux comités ont reconnu qu’il convenait de rédiger un Rapport technique pour faciliter la
compréhension des sujets connexes. Le présent document est le résultat de ce travail.
5 Rayonnement solaire et exposition de l’œil
5.1 Rayonnement solaire et atmosphère terrestre
Le rayonnement solaire est partiellement absorbé et diffusé lorsqu’il traverse l’atmosphère terrestre.
Cela réduit l’éclairement énergétique des rayons directs qui arrivent au niveau d’un emplacement de
la surface de la terre, mais la diffusion redirige les rayons du ciel vers cet emplacement. L’éclairement
énergétique total au niveau de l’emplacement est la somme de l’éclairement énergétique des rayons
directs (éclairement énergétique direct) et des rayons diffusés (éclairement énergétique diffus).
L’éclairement énergétique total sur une surface horizontale est appelé «éclairement énergétique global».
Voir la Figure 1.
Légende
1 atmosphère terrestre
2 diffus
3 direct
4 global
[24]
NOTE Adapté de Sliney et Wolbarsht , reproduction autorisée.
Figure 1 — Illustration du terme «éclairement énergétique global» du soleil
Les éclairements énergétiques direct et diffus sur une surface horizontale dépendent de l’angle
d’incidence des rayons solaires sur la surface. Tous deux varient en fonction de la position du soleil.
L’éclairement énergétique sur une surface horizontale est réduit par le facteur géométrique (cosinus)
de l’angle d’incidence de chaque rayon, car la zone éclairée par le faisceau de rayons du soleil (et depuis
chaque région du ciel) augmente à mesure que s’accroît l’angle d’incidence. De plus, la longueur du trajet
à travers l’atmosphère augmente à mesure que s’accroît l’angle d’incidence. Par conséquent, l’absorption
et la diffusion sont plus élevées.
La hauteur du soleil, et donc l’exposition annuelle, varie en fonction de la saison, de l’heure de la journée
et en particulier de la latitude.
NOTE Les personnes vivant dans les régions tropicales sont soumises à des niveaux d’exposition annuelle
nettement plus élevés que celles vivant à des latitudes inférieures.
Étant donné que les longueurs du trajet diminuent à mesure qu’augmente l’altitude du site récepteur,
l’absorption et la diffusion atmosphériques baissent. Ainsi, les éclairements énergétiques direct et
global augmentent, mais les éclairements énergétiques par le rayonnement diffusé diminuent.
Le terme «masse d’air» (MA) est utilisé pour représenter la longueur du trajet dans l’atmosphère des
rayons solaires directs. MA-1 est le trajet où le soleil est au zénith et MA-2 est le trajet où la lumière
parcourt le double de la distance à travers l’atmosphère par rapport à MA-1. MA-2 s’applique lorsque le
soleil est à une hauteur de 30° au-dessus de l’horizon.
Les calculs du facteur de transmission solaire dans les normes sur les verres de lunettes et les lunettes
de soleil reposaient sur la répartition de la puissance spectrale MA-2 du rayonnement atteignant
l’œil directement depuis le soleil. Lorsque l’énergie diffusée par l’atmosphère est incluse, c’est-à-dire
«l’éclairement énergétique global», la proportion de lumière bleue incidente sur le visage d’une personne
est plus élevée qu’en utilisant les valeurs directes. Lors du calcul du risque lié à la lumière bleue, certains
experts considèrent qu’il convient d’utiliser la répartition spectrale globale MA-1 ou MA-2 à la place de
la MA-2 directe actuellement appliquée dans les normes, voir la Figure 2. Il convient également de tenir
compte de la réflexion spéculaire du rayonnement riche en lumière de courte longueur d’onde émis par
[15]
le soleil et réfléchi par les pare-brise de voitures à mi-journée (Sliney 2002) .
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
Légende
X longueur d’onde (nm)
−2 -a
Y éclairement énergétique spectral (mW.cm ·nm )
1 MA-2 selon Moon
2 MA-1 selon la CIE
a
3 MA-2 selon la CIE
a
Les valeurs de MA-2 selon la CIE ont été ajustées car les données de la CIE représentent l’éclairement énergétique
tombant sur une surface horizontale comparé aux valeurs de P. Moon pour l’incidence perpendiculaire. Par
conséquent, la composante due à l’éclairement énergétique direct a été doublée pour compenser cela et a été
ajoutée à la valeur applicable à la lumière diffusée. Les valeurs de l’article de Moon sont données dans de
nombreuses normes ISO, notamment l’ISO 13666 et l’ISO 4007.
Figure 2 — Comparaison des valeurs de la MA-1 et de la MA-2 de la CIE avec l’éclairement
énergétique direct MA-2 de Moon
5.2 Facteurs géométriques
5.2.1 Généralités
Les effets photobiologiques sur la rétine humaine, la cornée et le cristallin dépendent fortement de
la géométrie d’exposition ainsi que des caractéristiques spectrales de l’exposition. La sensibilité
variable de l’œil à la lumière lui permet de bien fonctionner à de très faibles niveaux d’éclairage de
nuit et lui permet également de s’adapter à des environnements extrêmement lumineux dans lesquels
les expositions de lumière sont plus élevées de plusieurs ordres de grandeur. L’œil a évolué pour se
protéger raisonnablement bien contre l’exposition dans des environnements lumineux. La rétine est
minimalement exposée dans des environnements extrêmement lumineux et la cornée et le cristallin
sont étonnamment bien protégés dans des environnements difficiles. Bien que ces mécanismes de
protection soient de qualité, ils ne sont pas parfaits et le risque de modifications défavorables dues à
des expositions aiguës et chroniques à la lumière du soleil subsiste. Ces facteurs géométriques sont bien
[16]
décrits par Sliney (2005) .
5.2.2 Exposition et hauteur du soleil
Bien que l’éclairement énergétique solaire sur une surface horizontale atteigne son niveau maximal
à mi-journée lorsque le soleil est au zénith, les yeux sont protégés par les sourcils et les paupières
supérieures, ces dernières se fermant significativement lorsque l’éclairement sur les yeux est élevé
[17]
(Deaver, et al, 1996) . Toutefois, les paupières inférieures peuvent continuer d’être exposées au
rayonnement solaire même lorsque le soleil est plus haut dans le ciel car elles ne sont pas protégées par
les sourcils.
[18]
Sasaki, et al (2011) ont démontré une relation intéressante entre l’éclairement énergétique sur les
yeux et la hauteur du soleil. Ils ont exposé une tête de mannequin rotative inclinée à 15° vers le bas et ont
mesuré les UV-B solaires avec des photorécepteurs au niveau de la position de l’œil et derrière la tête à
une hauteur moyenne (Kanazawa, Japon). Ils ont découvert que l’éclairement énergétique solaire sur les
yeux face au soleil d’été atteint son niveau maximal au milieu de la matinée et de l’après-midi, lorsque la
hauteur du soleil est d’environ 40°. En été, on observe une diminution de l’éclairement énergétique sur
les yeux à mi-journée, cette diminution étant attribuée à la protection par le sourcil, ce qui prouve que
l’éclairement énergétique sur les yeux pendant la journée a une fonction bimodale.
Les mois d’hiver, cette fonction bimodale n’a pas été démontrée. Dans ce cas, l’éclairement énergétique
maximal se situe à mi-journée car la hauteur maximale du soleil est insuffisante pour que le sourcil soit
suffisamment protecteur.
Des résultats similaires sont attendus pour le rayonnement visible de courte longueur d’onde.
5.2.3 Réflexion par les surfaces
En plus des éclairements énergétiques direct et diffus du ciel, il est important de tenir compte de la
composante significative attribuée aux surfaces réfléchissantes.
Étant donné que les normes ISO sur les verres de lunettes (ISO 8980-3) et les lunettes de soleil
pour usage général (ISO 12312-1) excluent l’observation directe du disque solaire, le rayonnement
fortement diffusé vers l’avant à proximité immédiate du disque est lui aussi automatiquement exclu.
Par conséquent, l’exposition des yeux au rayonnement solaire est due à la diffusion par l’atmosphère
et par la réflexion par le sol. Étant donné que les facteurs de réflexion par le sol présentent de fortes
variations locales, un facteur de réflexion diffuse moyen représentatif est assigné aux compositions
spectrales dont l’éclairement énergétique solaire global a été calculé. Le rayonnement réfléchi par le sol
s’ajoute à la luminance énergétique du ciel. Les paupières inférieures peuvent continuer d’être exposées
au rayonnement solaire même lorsque le soleil est plus haut dans le ciel car elles ne sont pas protégées
par les sourcils.
La composante éclairement énergétique diffus attribuée au ciel, sur une surface horizontale au niveau de
la mer, est égale à l’éclairement énergétique solaire global auquel on soustrait l’éclairement énergétique
[15][17] −1
solaire direct . À partir de là, la luminance énergétique moyenne du ciel un jour clair est: π (= 0,314)
fois l’éclairement énergétique diffus du ciel sur une surface horizontale au niveau de la mer. L’angle
[19]
solide effectif du ciel est égal à (= 3,141 6). Kondratyev indique que la luminance énergétique du
ciel clair augmente entre le zénith et l’horizon; de plus, les mesurages ont généralement montré une
[20][21]
augmentation d’un facteur proche de deux . Par conséquent, le facteur selon lequel la luminance
énergétique du ciel à l’horizon dépasse la luminance énergétique moyenne du ciel doit être moins
élevé. Kondratyev spécifie également que, bien qu’un nombre limité de nuages dans une configuration
particulière augmente légèrement l’éclairement énergétique global, une moyenne à long terme de
l’aspect nuageux varié montre que les nuages sont systématiquement supposés réduire l’éclairement
énergétique global (et de ce fait, la luminance énergétique moyenne du ciel également).
5.2.4 Exposition de l’œil et réponse de l’œil à la lumière vive
Pour évaluer l’effet biologique potentiel, il est nécessaire d’estimer les éclairements énergétiques de
la rétine, de la cornée et du cristallin d’un œil exposé au rayonnement solaire dans des situations
d’exposition sélectionnées. Les facteurs de transmission spectrale des milieux oculaires (cornée,
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humeur aqueuse, cristallin et humeur vitrée) affectent les expositions des structures consécutives.
L’arcade sourcilière et les paupières modifient la géométrie de l’exposition. Voir la Figure 3.
Légende
1 paupière 7 rétine
2 iris 8 humeur vitrée
3 pupille 9 cristallin
4 humeur aqueuse 10 nerf optique
5 cornée 11 macula
6 muscle ciliaire
Figure 3 — Vue en coupe de l’œil
Il existe trois principaux types de réaction de l’œil à la lumière vive:
— Si la luminosité est excessive, on parle de réaction instinctive, c’est-à-dire que les yeux vont se fermer
ou la personne va détourner le regard.
— Dans des situations plus normales, la taille de la pupille va diminuer.
— La troisième réponse est la position de la paupière supérieure. En cas de lumière vive, les yeux
‘clignent’ ou réduisent l’ouverture de la paupière de sorte que plus l’environnement est lumineux,
[17]
plus la paupière supérieure s’abaisse. Deaver, et al (1996) ont mesuré l’extrémité supérieure
du champ de vision vertical en tant que méthode de détermination de la position de la paupière
supérieure de personnes regardant 15° vers le bas dans diverses situations. La limite supérieure du
champ de vision était généralement de 55° à l’intérieur, de 25° à 30° à la lumière du jour, diminuant
jusqu’à environ 15° sous une lumière ambiante vive. Uniquement en cas de lumière très vive, la
paupière inférieure remontera pour protéger l’œil. Cela explique peut-être pourquoi les situations
de forte réflectivité du sol, par exemple la neige, le sable mouillé, sont aussi inconfortables et peuvent
également entraîner une kératite d’exposition.
5.2.5 Effets de la focalisation de la lumière périphérique
Alors que les paupières et un verre de lunettes ou des lunettes de soleil peuvent protéger l’œil du
rayonnement de face, les rayons obliques latéraux peuvent pénétrer dans l’œil (il s’agit de l’effet de
la focalisation de la lumière périphérique ou effet Coroneo). De plus, le rayonnement peut également
pénétrer dans l’œil par réflexion depuis la surface arrière d’un verre de lunettes ou de lunettes de soleil.
[22]
L’effet Coroneo, du nom du chercheur (1993) , décrit comment le rayonnement entre 80° et 120° du
côté temporal est focalisé par la cornée sur la jonction nasale entre la cornée et la sclère (le limbe).
Voir la Figure 4. Les calculs montrent que l’éclairement énergétique peut être 20 fois plus élevé sur la
jonction nasale que sur le côté temporal. Ce niveau peut être réduit par le port de lentilles de contact
[23]
souples avec un absorbeur Coroneo, 2011) ; en variante, des lunettes de soleil ayant un angle de galbe
élevé assurera également une protection latérale – en effet, l’ISO 12312-1 exige que les lunettes de soleil
très foncées (catégorie 4, avec un facteur de transmission lumineuse τ inférieur à 8 %) assurent une
V
protection latérale contre le rayonnement.
Légende
1 rayon direct bloqué
2 rayon axial direct
3 rayons obliques directs
4 <1 % jusqu’à la rétine
[15]
NOTE Adapté de Sliney , reproduction autorisée.
Figure 4 — Rayonnement oblique entrant dans l’œil
Un rayonnement encore plus oblique atteindra le limbe. Bien qu’une très faible quantité de rayonnement
UV atteigne la rétine (<1 %), une proportion plus élevée du rayonnement incident atteindra le limbe
nasal et le cortex du cristallin nasal.
5.2.6 Éclairement énergétique de la rétine
Le rayonnement solaire représente un danger significatif pour la rétine dans la gamme de longueurs
[14]
d’onde de 380 nm à 500 nm, avec de faibles sensibilités au-dessus de celle-ci; l’ICNIRP 2013
recommande d’évaluer les luminances énergétiques sources de 300 nm à 700 nm.
Une image sur la macula représente une région d’une scène observée qui est centrée sur la ligne visuelle.
Son angle soustendu est déterminé par les propriétés de focalisation de l’œil. L’éclairement énergétique
sur la macula est proportionnel à la luminance énergétique moyenne de la région source observée,
modifiée par des atténuations à la surface de la cornée (par réflexion, donc faibles) et une faible perte
d’atténuation dans le milieu oculaire dans le visible. Le principal mécanisme de perte est l’absorption
(et la fluorescence) dans le cristallin à des longueurs d’onde inférieures. Voir le Tableau 1.
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Tableau 1 — Absorption du rayonnement par les composants de l’œil et quantité transmise à la
rétine — Données représentatives de l’œil d’un enfant de 10 ans
Absorption
Longueur Quantité trans-
% de rayonnement incident
d’onde mise à la rétine
Humeur
nm %
Cornée Cristallin Humeur vitrée
aqueuse
380 25,7 2,3 (3,1) 71,7 (99,7) 0,05 (16,0) 0,2
390 23,4 2,1 (2,8) 73,6 (99,1) 0,06 (14,2) 0,5
400 21,0 1,9 (2,4) 74,5 (96,6) 0,09 (12,5) 2,3
NOTE 1 Les valeurs qui ne sont pas entre parenthèses représentent le % de rayonnement incident absorbé au niveau de la
cornée, les valeurs entre parenthèses représentent le % d’absorption de ce rayonnement incident sur la surface antérieure
de la structure, c’est-à-dire l’humeur aqueuse, le cristallin ou l’humeur vitrée.
NOTE 2 Les valeurs de la quantité transmise à la rétine semblent inférieures à celles de la Figure 5 — ceci est dû au fait
que les valeurs données dans ce tableau sont extraites de mesurages expérimentaux effectués à la Figure 5, d’après une
équation destinée à reproduire le facteur de transmission spectrale de l’œil.
[25]
NOTE Adaptée à l’aide des données extraites de la CIE 203:2012 .
6 Effets physiologiques sur l’œil
6.1 Dangers pour l’œil
La lumière est nécessaire aux fonctions visuelles et non visuelles de l’œil. Toutefois, tout rayonnement
optique peut être dangereux pour l’œil s’il est absorbé par les tissus oculaires à des doses capables
de provoquer des réactions photomécaniques, photothermiques ou photochimiques. Même si l’œil
a progressivement évolué pour se protéger des dommages solaires, il subsiste des modifications
défavorables dues aux expositions à la lumière.
Le rayonnement solaire à la surface de la Terre dans les gammes de courtes longueurs d’onde du
visible à haute énergie a des intensités suffisantes pour produire des doses d’exposition proches ou
supérieures aux valeurs limites établies données dans les Recommandations de l’ICNIRP (et aux valeurs
1)
concordantes indiquées dans les publications de l’ACGIH et d’autres organismes).
Le rayonnement solaire a été identifié comme un danger pour l’œil humain. Les expériences in vitro et in
vivo dans la lumière bleue ont fourni des informations sur les éclairements énergétiques spectraux aux
niveaux seuils des dommages permanents et temporaires aigus. Des travaux ont également été réalisés
sur des doses infraliminaires cumulées. Les dommages solaires liés à la lumière bleue sont décrits en 6.3.
Il est généralement admis que la rétine est la structure la plus exposée aux risques dans le domaine
spectral de la lumière bleue de 380 nm à 500 nm chez les personnes normales.
6.2 Rétines des yeux des enfants
Même si les valeurs absolues du facteur de transmission peuvent varier, la Figure 5 indique que les
cristallins des enfants sont davantage transparents que ceux des personnes âgées, en particulier dans
les gammes de courte longueur d’onde. Par conséquent, une quantité plus importante de rayonnement
est transmise à la rétine. Les enfants peuvent également être exposés à une quantité nettement plus
importante de rayonnement solaire car ils passent généralement plus de temps à l’extérieur que la
plupart des adultes.
Ceci semble indiquer qu’une autre fonction de risque en lumière bleue peut être créée en utilisant
les facteurs de transmission moyens du cristallin pour la décennie de 10 ans à 19 ans. L’ICNIRP
recommande l’utilisation de la fonction du risque d’aphakie A(λ) pour les enfants âgés de moins de 2 ans
[14]
(ICNIRP 2013 ).
1) ACGH: American Conference of Governmental and Industrial Hygienists (Conférence américaine des hygiénistes
industriels gouvernementaux).
Légende
X longueur d’onde (nm)
Y facteur de transmission (%)
1 1 an 7 60 ans
2 10 ans 8 70 ans
3 20 ans 9 80 ans
4 30 ans 10 90 ans
5 40 ans 11 100 ans
6 50 ans
NOTE 1 Les données ne tiennent pas compte de l’opération de la cataracte effectuée après 60 ans.
[26]
NOTE 2 Extrait des données de la CIE 203:2012 .
Figure 5 — Facteur de transmission spectrale totale de l’œil humain à des âges différents
6.3 Phototoxicité rétinienne de la lumière bleue
6.3.1 Généralités
Tandis que l’âge, le tabagisme, les pigments maculaires et la génétique sont d’importants facteurs
de risque de vieillissement accéléré de la macula, la lumière de courte longueur d’onde cumulée et
prolongée peut provoquer des lésions photochimiques de la rétine. Les dommages photochimiques de
la rétine dépendent du spectre et de la répartition de la lumière, de la géométrie d’exposition oculaire,
du facteur de transmission du milieu oculaire ainsi que de la durée de l’exposition, des niveaux
d’éclairement énergétique et de l’action des processus de réparation.
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6.3.2 Lumière bleue dans le rayonnement solaire
La luminance énergétique solaire est plus de 100 fois supérieure à la luminance énergétique de
−2
l’éclairage artificiel standard. Elle peut atteindre plusieurs milliards de cd·m à mi-journée.
La proportion de lumière bleue de la lumière du soleil dans le visible varie entre 25 % et 30 %, sur la
base de l’illuminant normalisé D65 de la lumière du soleil défini dans l’ISO 11664-2:2007. Cette source
est destinée à reproduire la lumière du jour moyenne et a une température de couleur proximale (TCC)
d’environ 6 500 K. Par comparaison, les lampes à incandescence, ayant une faible CCT à environ 2 700 K,
émettent moins de 5 % de lumière bleue.
6.3.3 Facteur de transmission du milieu oculaire
Les rayonnements optiques sont soit réfléchis, soit absorbés soit transmis par les milieux oculaires
successifs, ce qui modifie l’éclairement énergétique spectral et absolu au niveau de la rétine. Les
propriétés d’absorption du milieu oculaire ont été principalement étudiées dans les années
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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