+++++
Tento článek byl publikován v listopadovém/prosincovém čísle časopisu LEDs Magazine 2011.
+++++
První část tohoto třídílného seriálu poskytla přehled potenciálních nebezpečí pro lidský organismus, která představuje vystavení optickému záření, a vývoj mezinárodních norem pro hodnocení fotobiologické bezpečnosti nelaserových zdrojů. Zde je zvolen praktičtější přístup při posuzování jemnějších detailů hodnocení zdrojů a zavádění bezpečnostních norem v Evropě a ve zbytku světa.
Působnost IEC62471:2006
Norma IEC62471:2006 „Fotobiologická bezpečnost svítidel a světelných zdrojů“ poskytuje návod pro hodnocení fotobiologické bezpečnosti všech elektricky napájených nelaserových zdrojů optického záření vyzařujících ve spektrálním rozsahu 200-3000 nm bez ohledu na to, zda je emise světla primárním účelem výrobku. Zařazení LED do předmětu této normy je výslovně uvedeno proto, aby se zdůraznilo vyjmutí LED z předmětu normy pro lasery, IEC60825.
Potenciální nebezpečí expozice kůže, předních ploch oka (rohovky, spojivky a čočky) a sítnice se hodnotí na základě zvážení šesti specifických nebezpečí s ohledem na limity expozice (EL) stanovené pro dobu expozice osm hodin, která se bere jako pracovní den. Norma nezohledňuje možné účinky dlouhodobé expozice ani abnormální fotosenzitivitu.
V případě nebezpečí pro kůži a přední plochy oka stačí vzít v úvahu množství světla dopadajícího na daný povrch. Pro posouzení nebezpečí pro sítnici je však třeba vzít v úvahu zobrazovací vlastnosti oka. Z toho vyplývá, že jsou zapotřebí dvě různá měření: ozáření a zářivost.
TABULKA 1. Různá nebezpečí vyžadují měření buď ozáření, nebo záření. (Křížek = požadovaná váhová funkce.)
Norma poskytuje specifické pokyny pro geometrické podmínky, za kterých by se tato měření měla provádět, aby se zohlednily biofyzikální jevy, jako je vliv pohybů očí na ozáření sítnice. Spektrální rozsah, v němž by mělo být záření uvažováno, je omezen na 300-1400 nm, protože mimo tento rozsah je sítnice v podstatě chráněna v důsledku propustných vlastností čočky. Tabulka 1 uvádí požadovaná měření (zářivost nebo ozáření) pro různá nebezpečí.
Měření zářivosti
Záření umožňuje vyhodnotit nebezpečí pro kůži a přední plochy oka. Ozáření je definováno jako poměr zářivého výkonu (dF) dopadajícího na prvek povrchu k ploše (dA) tohoto prvku (obr. 1). Její symbol je E a její jednotky jsou W/m2.
Iradiace zohledňuje světlo dopadající na povrch z celé polokoule shora. Oko je však vzhledem ke své poloze vzhledem k mostu a nosu chráněno před širokoúhlým zářením. V rámci této normy se měření ozáření ve všech případech kromě případu tepelného ohrožení kůže provádí v přijímacím úhlu 1,4 radiánu. Světlo vyzařované ze zdroje mimo tento úhel přijetí se nemusí měřit.
Při měření ozáření by měla mít měřicí optika, obvykle difuzor nebo integrační koule, kosinusovou úhlovou charakteristiku, aby se správně zohlednily příspěvky mimo osu. Při daném úhlu od normály povrchu se promítnutá plocha na povrch zvětší o kosinus uvedeného úhlu, což vede ke snížení ozáření.
Znalost ozáření zdroje však neposkytuje žádnou informaci o množství světla, které je okem spojeno a zobrazeno na sítnici, k čemuž je zapotřebí měření zářivosti.
Měření zářivosti
Zářivost umožňuje vyhodnotit nebezpečí pro sítnici. Záření je definováno jako poměr zářivého výkonu (dF) vyzařovaného plochou dA do prostorového úhlu dΩ pod úhlem q k normále zdroje k součinu prostorového úhlu dΩ a promítnuté plochy dA∙cos q (obr. 2). Symbol je L a jednotky jsou W/m2sr.
Obr. 2. Definice zářivosti.
Při pozorování zdroje sbírá oko světlo v daném pevném úhlu daném průměrem zornice a promítá obraz zdroje na sítnici. Jak se zornice rozšiřuje (nebo smršťuje) v závislosti na úrovni zrakového podnětu neboli jasu zdroje, zvyšuje se (nebo snižuje) ozáření sítnice obrazem.
Zákon zachování zářivosti říká, že zářivost nelze zvýšit pasivními optickými systémy, jako je například oční čočka. Ozáření sítnice se proto určuje ze záření zdroje a z pevného úhlu, který svírá zornice (o průměru 2-7 mm) na sítnici (vzdálené 17 mm), a to obráceně, než jak je uvedeno níže při určování záření z ozáření.
Záření lze měřit dvěma způsoby, buď pomocí zobrazovací techniky, nebo nepřímo prostřednictvím měření ozáření. V obou případech se měření provádí v určitém zorném poli (FOV) nebo pevném úhlu přijetí (často popsaném rovinným úhlem, q), který vymezuje oblast měřeného zdroje.
Zobrazovací technika (obr. 3) kopíruje zobrazování oka. Dalekohled zobrazuje zkoumaný zdroj na rovinu, na níž mohou být umístěny clony o různém průměru pro volbu požadovaného FOV měření.
Obr. 3. Měření zářivosti: zobrazovací technika.
Alternativně lze provést měření zářivosti s kosinusově korigovanou vstupní optikou (obr. 4). Přímo na zdroj se umístí clona, která vymezuje měřicí FOV. Zářivost se vypočítá z poměru zářivosti a prostorového úhlu FOV ve steradiánech.
Fyziologická zářivost
Při momentálním zobrazení svírá obraz zdroje na sítnici stejný úhel jako zdroj. Nejmenší obraz vytvořený na sítnici má podle normy IEC62471 úhlový rozsah 1,7 mrad vzhledem k nedokonalému zobrazovacímu výkonu oka.
Obr. 4. Měření zářivosti: nepřímá technika.
S rostoucí dobou expozice se v důsledku pohybu oka (sakády) a pohybu určeného úkolem obraz sítnice rozmazává na větší ploše sítnice, což vede k odpovídajícímu snížení zářivosti sítnice. Je definována funkce závislá na čase, která představuje rozprostření obrazu sítnice v rozsahu od 1,7 do 100 mrad. To pokrývá rozsah od 0,25 s (doba averzní reakce) do 10 000 s expozice.
V souvislosti s fotobiologickou bezpečností se měření zářivosti provádí způsobem, který tento jev odráží, tzn. že FOV měření se volí tak, aby zohledňoval světlo dopadající na danou oblast sítnice. FOV měření tedy sleduje stejnou časovou závislost, od 1,7 do 100 mrad, bez ohledu na velikost měřeného zdroje.
Měřená veličina se přesněji označuje jako fyziologická zářivost na rozdíl od skutečné zářivosti, která z definice vzorkuje pouze vyzařovací oblast zdroje (obr. 5). Pokud je fyziologická zářivost měřena ve FOV větším, než je úhel svíraný zdrojem, je výsledná zářivost průměrem skutečné zářivosti zdroje a tmavého pozadí. Navíc vzhledem k tomu, že úhlová subtenze zdroje se mění se vzdáleností, je fyziologická zářivost na rozdíl od skutečné zářivosti funkcí měřicí vzdálenosti.
FIG. 5. (obr. 5). Na každé dvojici snímků jsou červenými kroužky vyznačena zorná pole měření pro skutečnou (vlevo) a fyziologickou (vpravo) zářivost. U měření skutečné zářivosti zahrnuje kruh pouze oblast vyzařování světla, zatímco fyziologická zářivost je průměrem skutečné zářivosti zdroje a tmavého pozadí.
Spektrální vliv
Ve výše uvedeném textu byl uveden odkaz na zářivost a fyziologickou zářivost bez ohledu na spektrum zdroje, které je v kontextu této normy zjevně velmi důležité. Tyto veličiny by se v praxi měly vyhodnocovat při každé vlnové délce pomocí monochromátoru. Tím se získá spektrální ozářenost a spektrální fyziologická zářivost. Výsledná spektra by měla být v případě potřeby vážena váhovými funkcemi nebezpečnosti, aby se zohlednila silná závislost tří z uvažovaných nebezpečností na vlnové délce (obr. 6). Výsledek by měl být před porovnáním s EL integrován v požadovaném rozsahu vlnových délek.
Vzdálenost měření
Vzdálenost, ve které by měl být zdroj hodnocen, závisí na jeho zamýšleném použití. Uvažují se dva scénáře expozice: všeobecné osvětlovací služby (GLS) a všechny ostatní aplikace (non-GLS).
Současná definice GLS je nejednoznačná, ale týká se hotových výrobků, které vyzařují bílé světlo a jsou určeny k osvětlování prostor. Hodnocení by mělo být uváděno, nikoli nutně měřeno, ve vzdálenosti, v níž zdroj vytváří osvětlenost 500 luxů. Tato vzdálenost může být menší než jeden metr u svítidel pro domácnost, ale například mnoho metrů u pouličního osvětlení.
Obr. 6. Funkce vážení nebezpečnosti používané normou IEC62471.
Měření intenzity záření lze provádět ve vhodné vzdálenosti a škálovat na 500 luxů. Fyziologická zářivost, která závisí na subtenzi zdroje vzhledem k použitelnému FOV, by však měla být provedena ve správné vzdálenosti.
Odůvodnění podmínky 500 luxů je libovolné a je jablkem sváru v oboru osvětlování, protože v mnoha případech nepředstavuje realistický scénář expozice. V další části tohoto článku se budeme zabývat tím, jak je tento problém v současné době řešen.
Zdroje bez GLS by měly být měřeny ve vzdálenosti 200 mm od (zdánlivého) zdroje. Tato vzdálenost představuje blízký bod lidského oka. Při kratších vzdálenostech než 200 mm je obraz na sítnici rozostřený, což vede k nižšímu ozáření sítnice.
Zde je důležitý pojem zdánlivý zdroj. Tam, kde se ke kolimaci výstupu LED používá čočka, vzniká za čipem zvětšený virtuální obraz. Vzdálenost měření 200 mm by se měla brát s ohledem na tento zdánlivý zdroj, protože právě ten oko zobrazuje.
Měření na 200 mm může představovat nejhorší možný stav expozice sítnice. To však neplatí pro kůži a přední plochy oka, kde může být expoziční vzdálenost bližší. Tato druhá eventualita nebyla zatím v této normě, u níž je hlavním zájmem akutní poškození sítnice, zohledněna.
Srovnání s EL
EL jsou uvedeny v podobě zářivého toku pro tepelná nebezpečí nebo energie (zářivý tok vynásobený časem) pro fotochemická nebezpečí: naměřený výsledek ozáření lze přímo porovnat s prvním z nich a pro druhý získat dobu expozice. Tento postup neplatí pro měření zářivosti, u níž je FOV měření závislý na čase.
Pro sítnicová nebezpečí se proto použije test vyhověl/nevyhověl na základě měření při FOV odpovídajících minimálním expozičním dobám klasifikačního systému postupně počínaje vyňatou rizikovou skupinou. Pokud výsledná zářivost překročí maximální přípustnou zářivost pro danou rizikovou skupinu, testuje se další riziková skupina. Podrobné hodnocení nebezpečí pro sítnici je poněkud složitější, protože při určování, které EL mají být použity, je třeba vzít v úvahu velikost zdroje a úroveň zrakového podnětu.
Klasifikace
Jak bylo uvedeno v 1. části této série článků, je definován klasifikační systém založený na minimální době expozice před překročením EL, který sahá od osvobozené (bez rizika) po rizikovou skupinu 3 (RG3; vysoké riziko). Poté lze určit mezní hodnotu ozáření (radiace) každé rizikové skupiny a naměřené hodnoty ozáření (radiace) lze porovnat s těmito mezními hodnotami.
Označení
IEC62471 je zamýšlena jako horizontální norma a jako taková nezahrnuje požadavky na výrobu nebo bezpečnost uživatele, které mohou být vyžadovány v důsledku zařazení výrobku do určité rizikové skupiny. Takové bezpečnostní požadavky se liší podle použití a měly by být řešeny ve vertikálních normách založených na výrobku. Norma IEC TR 62471-2 však poskytuje některé další pokyny pro měření a uvádí doporučení pro označování jednotlivých skupin nebezpečí a rizik (obr. 7).
Obr. 7. Příklad štítku podle IEC TR 62471-2.
Zavedení IEC62471 v Evropě
V Evropské unii se označením CE prokazuje bezpečnost výrobku prostřednictvím shody s příslušnou platnou směrnicí EU, jako je směrnice pro nízké napětí (LVD), a to uplatněním evropských norem (EN) harmonizovaných s danou směrnicí. Ačkoli shoda s těmito normami EN není povinná, poskytuje předpoklad shody se základními požadavky na zdraví a bezpečnost posuzované směrnice.
Optické záření je konkrétně posuzováno podle podmínek směrnice LVD. To se vztahuje na elektrické výrobky pracující s napětím 50-1000 V AC. Evropské převzetí normy IEC62471, konkrétně EN62471:2008, je harmonizováno s LVD.
Od 1. září 2011 již hodnocení LED diod podle laserové normy (IEC60825) neumožňuje předpokládat shodu se základními požadavky na ochranu zdraví a bezpečnost LVD.
Od dubna 2010 vstoupila v platnost směrnice EU 2006/25/ES o umělém optickém záření (AORD). Ta přijímá limity expozice mírně odlišné od limitů uvedených v normě IEC62471. Z důvodu konzistence přebírá norma EN62471 expoziční limity AORD a je normou, která se má používat pro hodnocení expozice pracovníků nelaserovým zdrojům optického záření.
Pro LED diody je také důležitá směrnice EU o bezpečnosti hraček, ke které je harmonizována norma EN62115 „Bezpečnost elektrických hraček“. Tato norma se v minulosti při klasifikaci LED odkazovala na laserovou normu (EN60825). V současné době se reviduje, ale očekává se, že v případech, kdy jsou požadována měření, bude odkazováno na normu EN 62471.
Nakonec, pokud se na výrobky nevztahuje směrnice LVD nebo směrnice o hračkách, je třeba vzít v úvahu také směrnici o obecné bezpečnosti výrobků, na kterou je specificky harmonizováno jen málo norem, avšak pro hodnocení nelaserových zdrojů světla je příslušnou normou EN62471.
Zavedení IEC62471 v ROW
Přestože mnoho normalizačních orgánů po celém světě zvažuje přijetí IEC62471, jen málo z nich dosud vydalo národní normy, natož právní rámec, který by učinil zkoušky povinnými. Z pozorovaných aktivit se velká část týká osvětlovacího průmyslu, pro který existuje a aktivně se vyvíjí dobře definovaný normalizační rámec pro polovodičové osvětlení.
Pokud je autorovi známo, Čína je v současné době jediná, která formálně zavedla dobrovolnou normu – GB/T 20145-2006 – přičemž Japonsko by mělo vydat JIS C 7550 v listopadu 2011.
Některé země, například Austrálie a Nový Zéland, v současné době pracují na přijetí IEC62471 jako dobrovolné normy. Další skupina (např. Hongkong, Korejská republika) se v současné době spokojuje s odkazem na IEC62471 na dobrovolné bázi, zatímco jiné (např. Kanada) jsou ve fázi zvažování implementace a případných předpisů.
Nakonec v USA, kde ANSI RP27.1 existuje jako dobrovolná norma, v současné době neexistuje žádný povinný požadavek na hodnocení nelaserových zdrojů. Nicméně po zasedání technického panelu pro normy UL/ANSI 8750 „Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products“ v srpnu 2011 byla vytvořena pracovní skupina, která zvažuje zavedení fotobiologických bezpečnostních norem pro ty osvětlovací výrobky, na které se vztahuje tato norma UL.
V části 3 této série článků se budeme zabývat implementací normy IEC62471 do současných LED zařízení a jejím možným budoucím vývojem. Rovněž bude ukázáno, že norma IEC62471 nezůstává světu neznámá, a to především díky implementaci mezinárodní normy IECEE CB a mnoha dalších certifikačních systémů.
Výrobky na bázi LED musí splňovat normy fotobiologické bezpečnosti: část 1
Výrobky na bázi LED musí splňovat normy fotobiologické bezpečnosti: část 3
Příloha IEC 4E SSL se vyjadřuje k vlivu LED na zdraví a životní prostředí
Potenciál pozitivního vlivu SSL na zdraví a pohodu existuje, ale věda zaostává
.