+++++
Denne artikel blev offentliggjort i november/december 2011-udgaven af LEDs Magazine.
+++++
Del 1 af denne tredelte serie gav en oversigt over de potentielle farer for menneskekroppen ved eksponering for optisk stråling og udviklingen af internationale standarder til vurdering af den fotobiologiske sikkerhed af ikke-laserkilder. Her er der valgt en mere praktisk tilgang ved at se på de finere detaljer i vurderingen af kilder og gennemførelsen af sikkerhedsstandarder i Europa og resten af verden.
Anvendelsesområde for IEC62471:2006
IEC62471:2006-standarden “Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems” giver vejledning til vurdering af den fotobiologiske sikkerhed af alle elektrisk drevne, ikke-laserbaserede kilder til optisk stråling, der udsender i spektralområdet 200-3000 nm, uanset om emissionen af lys er produktets primære formål eller ej. Medtagelsen af lysdioder i denne standards anvendelsesområde er specifikt nævnt for at fremhæve, at lysdioder er fjernet fra anvendelsesområdet for laserstandarden IEC60825.
De potentielle farer ved eksponering af huden, øjets forreste overflader (hornhinde, bindehinde og linse) og nethinden vurderes ved at tage hensyn til seks specifikke farer med hensyn til eksponeringsgrænser (EL) for en eksponeringsvarighed på otte timer, taget som en arbejdsdag. Standarden tager ikke hensyn til de potentielle virkninger af langvarig eksponering eller unormal lysfølsomhed.
For så vidt angår farer for huden og øjets forreste flader er det tilstrækkeligt at tage hensyn til den lysmængde, der falder på den pågældende overflade. For at tage hensyn til farer for nethinden er det imidlertid nødvendigt at tage hensyn til øjets billeddannende egenskaber. Det følger heraf, at der er behov for to forskellige målinger: bestrålingsstyrke og radians.
TABEL 1. Forskellige farer kræver måling af enten bestrålingsstyrke eller strålingsstyrke. (Kryds = Vægtningsfunktion påkrævet.)
Standarden giver specifik vejledning om de geometriske betingelser, under hvilke disse målinger bør foretages for at tage hensyn til biofysiske fænomener, såsom øjenbevægelsers indvirkning på nethindens bestråling. Det spektralområde, hvor radians skal tages i betragtning, er reduceret til 300-1400 nm, da nethinden i det væsentlige er beskyttet uden for dette område på grund af linsens transmissionskarakteristika. Tabel 1 angiver den nødvendige måling (radians eller irradians) for forskellige farer.
Måling af irradians
Irradians gør det muligt at vurdere farer for huden og øjets forreste flader. Bestråling er defineret som forholdet mellem den strålingseffekt (dF), der rammer et element på en overflade, og dette elements areal (dA) (fig. 1). Dens symbol er E, og dens enheder er W/m2.
Strålingstæthed tager højde for lys, der rammer en overflade fra hele halvkuglen ovenover. På grund af dets placering i forhold til broen og næsen er øjet imidlertid afskærmet mod vidvinkelstråling. Inden for rammerne af denne standard foretages måling af bestråling i alle tilfælde undtagen i forbindelse med den termiske hudfare over en acceptvinkel på 1,4 radian. Lys, der udsendes fra en kilde uden for denne acceptvinkel, behøver ikke at blive målt.
Ved måling af bestråling skal måleoptikken, typisk en diffusor eller en integrerende kugle, have en cosinusvinkelrespons for korrekt at tage højde for bidrag uden for akse. Ved en given vinkel fra overfladenormalen øges det projicerede areal på overfladen med cosinus af nævnte vinkel, hvilket resulterer i en reduceret bestråling.
Kendskab til kildestråling giver imidlertid ingen oplysninger om den lysmængde, der kobles af øjet og afbildes på nethinden, hvortil der kræves en måling af radians.
Måling af radians
Radians gør det muligt at vurdere farerne for nethinden. Radians er defineret som forholdet mellem den strålingseffekt (dF), der udsendes fra et område dA i rumvinkel dΩ i en vinkel q i forhold til kildesnormalen, og produktet af rumvinkel dΩ og det projicerede område dA∙cos q (fig. 2). Symbolet er L, og enhederne er W/m2sr.
FIG. 2. Definition af radians.
Ved betragtning af en kilde opfanger øjet lyset inden for en given fast vinkel, der er fastsat af pupillens diameter, og projicerer et billede af kilden på nethinden. Efterhånden som pupillen udvider (eller trækker sig sammen) afhængigt af kildens visuelle stimulusniveau eller luminans, øges (eller mindskes) billedets irradians på nethinden.
Loven om bevarelse af radians siger, at radiansen ikke kan øges af passive optiske systemer som f.eks. øjets linse. Den retinale bestråling bestemmes derfor ud fra kildestråling og den rumlige vinkel, som pupillen (2-7 mm i diameter) underspænder ved nethinden (17 mm væk), på den omvendte måde af bestemmelsen af strålingsstyrke ud fra bestråling, som er angivet nedenfor.
Strålingsstyrke kan måles på to måder, enten ved hjælp af en billeddannelsesteknik eller indirekte gennem en bestrålingsstyrkemåling. I begge tilfælde foretages målingen i et bestemt synsfelt (FOV) eller en fast acceptvinkel (ofte beskrevet ved en plan vinkel, q), som definerer det område af den målte kilde.
Billeddannelsesteknikken (fig. 3) gengiver billeddannelsen i øjet. Et teleskop afbilder den undersøgte kilde på et plan, hvor der kan placeres åbninger af varierende diameter for at vælge det ønskede FOV for målingen.
FIG. 3. Måling af strålingsstyrke: billeddannelsesteknik.
Alternativt kan der foretages en måling af strålingsstyrke med en cosinuskorrigeret indgangsoptik (fig. 4). Der anbringes en blænde direkte ved kilden for at definere måleområdet (FOV). Radiansen beregnes ud fra forholdet mellem irradiansen og FOV’ets rumvinkel i steradianer.
Fysiologisk radians
For momentan visning har nethindebilledet af en kilde den samme vinkel som kilden. Det mindste billede, der dannes på nethinden, har i henhold til IEC62471 en vinkeludstrækning på 1,7 mrad i betragtning af øjets ufuldkomne billeddannelsesevne.
FIG. 4. Måling af strålingsstyrke: indirekte teknik.
Med stigende eksponeringstid på grund af øjenbevægelser (saccader) og opgavedeterminerede bevægelser udviskes det retinale billede over et større område af nethinden, hvilket resulterer i en tilsvarende reduktion af den retinale strålingsstyrke. Der er defineret en tidsafhængig funktion til at repræsentere spredningen af nethindebilledet i området fra 1,7 til 100 mrad. Dette dækker området fra 0,25 s (aversionens responstid) til 10 000 s eksponering.
I forbindelse med fotobiologisk sikkerhed udføres strålingsmålingerne på en måde, der afspejler dette fænomen, dvs. at måleområdet (FOV) vælges således, at der tages højde for det lys, der falder inden for et givet område af nethinden. Målingens FOV følger derfor den samme tidsafhængighed, fra 1,7 til 100 mrad, uanset størrelsen af den målte kilde.
Den målte størrelse betegnes mere præcist som fysiologisk radians i modsætning til sand radians, som pr. definition kun omfatter det område, hvorfra kilden udsender stråler (fig. 5). Når den fysiologiske radians måles i et FOV, der er større end den vinkel, som kilden udgør, er den resulterende radians et gennemsnit af den sande kildestråling og den mørke baggrund. Da den vinkelmæssige subtension af en kilde desuden varierer med afstanden, er den fysiologiske radians, i modsætning til den sande radians, en funktion af måleafstanden.
FIG. 5. I hvert billedpar viser de røde cirkler synsfeltet for måling af sand (venstre) og fysiologisk (højre) radians. For målinger af ægte radians omfatter cirklen kun det lysudstrålende område, mens den fysiologiske radians er et gennemsnit af den ægte kildestråling og den mørke baggrund.
Spektral indflydelse
I ovenstående blev der henvist til bestråling og fysiologisk radians uden hensyntagen til kildens spektrum, som tydeligvis er meget vigtigt i forbindelse med denne standard. Disse størrelser bør i praksis vurderes ved hver bølgelængde med en monokromator. Dette giver spektral bestrålingsstyrke og spektral fysiologisk radians. De resulterende spektrer bør om nødvendigt vægtes i forhold til farevægtningsfunktioner for at tage hensyn til den stærke bølgelængdeafhængighed for tre af de pågældende farer (fig. 6). Resultatet bør integreres over det ønskede bølgelængdeområde før sammenligning med EL’er.
Måleafstand
Den afstand, hvorpå en kilde bør vurderes, afhænger af dens påtænkte anvendelse. Der overvejes to eksponeringsscenarier; generel belysningstjeneste (GLS) og alle andre anvendelser (ikke-GLS).
Den nuværende definition af GLS er tvetydig, men vedrører færdige produkter, der udsender hvidt lys og er beregnet til belysning af rum. Evalueringen skal rapporteres, ikke nødvendigvis måles, på en afstand, hvor kilden producerer en belysningsstyrke på 500 lux. Denne afstand kan være mindre end en meter for husstandsarmaturer, men mange meter for f.eks. gadebelysning.
FIG. 6. FIGUR 6.5. Funktioner til vægtning af farer, der anvendes i IEC62471.
Målinger af strålingsstyrke kan udføres i en passende afstand og skaleres til 500 lux. Den fysiologiske radians, som afhænger af kildens subtense i forhold til det gældende FOV, bør imidlertid udføres i den korrekte afstand.
Rationalet for 500 lux-betingelsen er arbitrær og et stridspunkt inden for belysningsindustrien, da dette i mange tilfælde ikke repræsenterer et realistisk eksponeringsscenarie. I næste del af denne artikel vil vi se på, hvordan dette spørgsmål i øjeblikket behandles.
Non-GLS-kilder bør måles i en afstand på 200 mm fra den (tilsyneladende) kilde. Denne afstand repræsenterer det menneskelige øjes nærpunkt. Ved kortere afstande end 200 mm er nethindebilledet ufokuseret, hvilket resulterer i en lavere nethindelysstyrke.
Her er begrebet tilsyneladende kilde vigtigt. Når der anvendes en linse til at kollimatisere en LED’s output, opstår der et forstørret virtuelt billede bag chippen. Måleafstanden på 200 mm skal tages i forhold til denne tilsyneladende kilde, da det er denne, som øjet afbilder.
Målingen ved 200 mm kan repræsentere en værst tænkelig eksponeringsbetingelse for nethinden. Dette er imidlertid ikke tilfældet for huden og øjets forsideflader, hvor eksponeringsafstanden kan være tættere. Der er endnu ikke taget hensyn til sidstnævnte mulighed i denne standard, hvor den primære bekymring er akutte nethindeskader.
Sammenligning med EL’er
EL’er angives i form af strålingsflux for termiske farer eller energi (strålingsflux multipliceret med tid) for fotokemiske farer: et målt bestrålingsresultat kan sammenlignes direkte med førstnævnte, og en eksponeringstid kan fås for sidstnævnte. Denne procedure gælder ikke for måling af strålingsstyrke, for hvilken måleområdet er tidsafhængigt.
Der anvendes derfor en bestået/ikke-bestået-test for nethindefarer på grundlag af målinger ved måleområder, der svarer til de minimale eksponeringstider i klassifikationssystemet efter tur, begyndende med den fritagne risikogruppe. Hvis den resulterende strålingsstyrke overskrider den maksimalt tilladte strålingsstyrke for en given risikogruppe, testes den næste risikogruppe. Den detaljerede vurdering af nethindefarer er noget mere indviklet, da der skal tages hensyn til kildens størrelse og niveauet af visuel stimulus, når det skal bestemmes, hvilke EL’er der skal anvendes.
Klassifikation
Som beskrevet i del 1 af denne artikelserie er der defineret et klassifikationssystem baseret på den mindste eksponeringstid, før EL’en overskrides, der går fra fritaget (ingen risiko) til risikogruppe 3 (RG3; høj risiko). Grænsebestråling (radians) for hver risikogruppe kan derefter bestemmes, og den målte bestråling (radians) kan sammenlignes med disse grænser.
Mærkning
IEC62471 er tænkt som en horisontal standard og omfatter som sådan ikke krav til fremstilling eller brugersikkerhed, der kan være påkrævet som følge af, at et produkt er blevet henført til en bestemt risikogruppe. Sådanne sikkerhedskrav varierer alt efter anvendelse og bør behandles i vertikale, produktbaserede standarder. IEC TR 62471-2 giver dog yderligere vejledning om målingen og indeholder en anbefaling af mærkning for hver fare- og risikogruppe (fig. 7).
FIG. 7. Eksempel på etiket i henhold til IEC TR 62471-2.
Gennemførelse af IEC62471 i Europa
I Den Europæiske Union viser CE-mærkning produktsikkerhed ved overholdelse af det relevante gældende EU-direktiv, f.eks. lavspændingsdirektivet (LVD), gennem anvendelse af europæiske normer (EN), der er harmoniseret med det pågældende direktiv. Selv om overholdelse af disse EN-standarder ikke er obligatorisk, giver det en formodning om, at de væsentlige sundheds- og sikkerhedskrav i det pågældende direktiv er opfyldt.
Optisk stråling er specifikt omfattet af bestemmelserne i LVD-direktivet. Dette gælder for elektriske produkter, der arbejder ved spændinger på 50-1000 V AC. Den europæiske vedtagelse af IEC62471, nemlig EN62471:2008, er harmoniseret med LVD.
Fra den 1. september 2011 giver evaluering af LED’er i forhold til laserstandarden (IEC60825) ikke længere mulighed for at formode, at de er i overensstemmelse med de væsentlige sundheds- og sikkerhedskrav i LVD.
Fra april 2010 trådte EU’s direktiv om kunstig optisk stråling (AORD), 2006/25/EF, i kraft. Dette vedtager eksponeringsgrænser, der er lidt anderledes end dem i IEC62471. Af hensyn til sammenhængen overtager EN62471 eksponeringsgrænserne i AORD og er den standard, der skal anvendes til at vurdere arbejdstagernes eksponering for ikke-laserkilder til optisk stråling.
Et andet relevant for LED’er er EU’s direktiv om legetøjssikkerhed, som er harmoniseret med EN62115 “Sikkerhed af elektrisk legetøj”. Denne standard har tidligere henvist til laserstandarden (EN60825) i forbindelse med klassificering af lysdioder. Den er i øjeblikket under revision, men det forventes, at der vil blive henvist til EN 62471, når der kræves målinger.
Finalt, hvor produkter ikke er omfattet af LVD- eller legetøjsdirektiverne, bør der også tages hensyn til det generelle produktsikkerhedsdirektiv, som kun få standarder er specifikt harmoniseret med, men for vurdering af ikke-laserlyskilder er EN62471 den relevante EN-standard.
Gennemførelse af IEC62471 i ROW
Mens mange standardiseringsorganer rundt om i verden overvejer at vedtage IEC62471, er der kun få, der endnu har udstedt nationale standarder, endsige en lovramme, der gør prøvning obligatorisk. Af den aktivitet, der er set, er meget relateret til belysningsindustrien, for hvilken der er en veldefineret standardiseringsramme på plads og under aktiv udvikling for at imødekomme faststofbelysning.
Så vidt forfatteren ved, er Kina i øjeblikket det eneste land, der formelt har gennemført en frivillig standard – GB/T 20145-2006 – mens Japan forventes at offentliggøre JIS C 7550 i november 2011.
Nogle lande, såsom Australien og New Zealand, arbejder i øjeblikket på at vedtage IEC62471 som en frivillig standard. En anden gruppe (f.eks. Hongkong og Republikken Korea) er i øjeblikket tilfredse med at henvise til IEC62471 på frivillig basis, mens andre (f.eks. Canada) er i færd med at overveje gennemførelsen og eventuelle bestemmelser.
Endelig er der i USA, hvor ANSI RP27.1 findes som en frivillig standard, i øjeblikket ikke noget obligatorisk krav om evaluering af ikke-laserkilder. Efter et møde i august 2011 i det tekniske panel for standarder for UL/ANSI 8750 “Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products” er der imidlertid blevet nedsat en arbejdsgruppe, som skal overveje gennemførelsen af fotobiologiske sikkerhedsstandarder for de belysningsprodukter, der er omfattet af denne UL-standard.
Del 3 af denne artikelserie vil omhandle gennemførelsen af IEC62471 i forbindelse med LED-enheder i dag og den potentielle fremtidige udvikling heraf. Det vil også blive vist, at IEC62471 ikke forbliver ukendt for verden, hovedsageligt gennem gennemførelsen af den internationale IECEE CB og talrige andre certificeringsordninger.
LED-baserede produkter skal opfylde fotobiologiske sikkerhedsstandarder: del 1
LED-baserede produkter skal opfylde fotobiologiske sikkerhedsstandarder: del 3
IEA 4E SSL Annex udtaler sig om LED’s indvirkning på sundhed og miljø
Der er potentiale for SSL til at påvirke sundhed og velvære positivt, men videnskaben halter