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Dieser Artikel wurde in der November/Dezember 2011 Ausgabe des LEDs Magazine veröffentlicht.
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Der erste Teil dieser dreiteiligen Serie gab einen Überblick über die potenziellen Gefahren für den menschlichen Körper durch die Exposition gegenüber optischer Strahlung und die Entwicklung internationaler Normen zur Bewertung der photobiologischen Sicherheit von Nicht-Laserquellen. In diesem Teil wird ein praktischerer Ansatz verfolgt, indem die Feinheiten der Quellenbewertung und der Umsetzung von Sicherheitsnormen in Europa und dem Rest der Welt betrachtet werden.
Anwendungsbereich von IEC62471:2006
Die Norm IEC62471:2006 „Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen“ bietet einen Leitfaden für die Bewertung der photobiologischen Sicherheit aller elektrisch betriebenen, nicht-lasergesteuerten Quellen optischer Strahlung, die im Spektralbereich 200-3000 nm emittieren, unabhängig davon, ob die Emission von Licht der Hauptzweck des Produkts ist oder nicht. Die Aufnahme von LEDs in den Anwendungsbereich dieser Norm wird ausdrücklich erwähnt, um die Herausnahme von LEDs aus dem Anwendungsbereich der Lasernorm IEC60825 hervorzuheben.
Die potenziellen Gefährdungen durch die Exposition der Haut, der Vorderflächen des Auges (Hornhaut, Bindehaut und Linse) und der Netzhaut werden durch die Berücksichtigung von sechs spezifischen Gefährdungen in Bezug auf Expositionsgrenzwerte (ELs) bewertet, die für eine Expositionsdauer von acht Stunden (als Arbeitstag) gelten. Die Norm berücksichtigt weder die möglichen Auswirkungen einer Langzeitexposition noch eine abnorme Lichtempfindlichkeit.
Bei den Gefahren für die Haut und die Vorderflächen des Auges reicht es aus, die Menge des auf die betreffende Fläche einfallenden Lichts zu berücksichtigen. Um jedoch die Gefährdung der Netzhaut zu berücksichtigen, muss man die Abbildungseigenschaften des Auges berücksichtigen. Daraus folgt, dass zwei verschiedene Messungen erforderlich sind: Bestrahlungsstärke und Strahldichte.
TABELLE 1. Unterschiedliche Gefährdungen erfordern die Messung von Bestrahlungsstärke oder Strahldichte. (Kreuz = Gewichtungsfunktion erforderlich.)
Die Norm enthält spezielle Hinweise zu den geometrischen Bedingungen, unter denen diese Messungen durchgeführt werden sollten, um biophysikalische Phänomene zu berücksichtigen, wie z. B. die Auswirkung von Augenbewegungen auf die Netzhautbestrahlung. Der Spektralbereich, in dem die Strahldichte zu berücksichtigen ist, wird auf 300-1400 nm reduziert, da die Netzhaut außerhalb dieses Bereichs aufgrund der Transmissionseigenschaften der Linse im Wesentlichen geschützt ist. Tabelle 1 zeigt die erforderliche Messung (Strahldichte oder Bestrahlungsstärke) für verschiedene Gefährdungen.
Die Messung der Bestrahlungsstärke
Die Bestrahlungsstärke ermöglicht die Bewertung der Gefährdung der Haut und der Stirnflächen des Auges. Die Bestrahlungsstärke ist definiert als das Verhältnis der Strahlungsleistung (dF), die auf ein Element einer Oberfläche fällt, zur Fläche (dA) dieses Elements (Abb. 1). Ihr Symbol ist E und ihre Einheit ist W/m2.
Die Bestrahlungsstärke berücksichtigt das Licht, das von der gesamten darüber liegenden Hemisphäre auf eine Oberfläche trifft. Das Auge ist jedoch aufgrund seiner Position in Bezug auf den Nasenrücken und die Nase von Weitwinkelstrahlung abgeschirmt. Im Rahmen dieser Norm erfolgt die Messung der Bestrahlungsstärke in allen Fällen mit Ausnahme der thermischen Hautgefährdung über einen Akzeptanzwinkel von 1,4 Radiant. Licht, das von einer Quelle außerhalb dieses Akzeptanzwinkels ausgestrahlt wird, muss nicht gemessen werden.
Bei der Messung der Bestrahlungsstärke sollte die Messoptik, typischerweise ein Diffusor oder eine Ulbricht-Kugel, eine kosinusförmige Winkelantwort haben, um außeraxiale Beiträge korrekt zu berücksichtigen. Bei einem bestimmten Winkel zur Oberflächennormalen vergrößert sich die projizierte Fläche auf der Oberfläche um den Kosinus dieses Winkels, was zu einer verringerten Bestrahlungsstärke führt.
Die Kenntnis der Quellenbestrahlungsstärke gibt jedoch keine Auskunft über die Lichtmenge, die vom Auge eingekoppelt und auf der Netzhaut abgebildet wird, wofür eine Messung der Strahldichte erforderlich ist.
Messung der Strahldichte
Die Strahldichte ermöglicht die Bewertung der Gefährdung der Netzhaut. Die Strahldichte ist definiert als das Verhältnis der Strahlungsleistung (dF), die von der Fläche dA in den Raumwinkel dΩ unter dem Winkel q zur Quellennormalen abgestrahlt wird, zum Produkt aus Raumwinkel dΩ und der projizierten Fläche dA∙cos q (Abb. 2). Das Symbol ist L und die Einheiten sind W/m2sr.
Abb. 2. Definition der Strahldichte.
Bei der Betrachtung einer Lichtquelle sammelt das Auge das Licht innerhalb eines bestimmten Raumwinkels, der durch den Durchmesser der Pupille festgelegt ist, und projiziert ein Bild der Quelle auf die Netzhaut. Da sich die Pupille je nach der Stärke des visuellen Reizes oder der Leuchtdichte der Lichtquelle erweitert (oder zusammenzieht), nimmt die Bestrahlungsstärke des Bildes auf der Netzhaut zu (oder ab).
Der Strahlungserhaltungssatz besagt, dass die Bestrahlungsstärke nicht durch passive optische Systeme wie die Linse des Auges erhöht werden kann. Die Bestrahlungsstärke der Netzhaut wird daher aus der Strahldichte der Quelle und dem Raumwinkel bestimmt, den die Pupille (2-7 mm Durchmesser) auf der Netzhaut (17 mm entfernt) einnimmt, und zwar in umgekehrter Weise wie bei der Bestimmung der Strahldichte aus der Bestrahlungsstärke (siehe unten).
Die Strahldichte kann auf zwei Arten gemessen werden, entweder mit einem bildgebenden Verfahren oder indirekt durch eine Bestrahlungsstärkemessung. In beiden Fällen erfolgt die Messung in einem bestimmten Sichtfeld (FOV) oder Raumwinkel (oft durch einen ebenen Winkel q beschrieben), der den Bereich der gemessenen Quelle definiert.
Das bildgebende Verfahren (Abb. 3) ahmt die Abbildung des Auges nach. Ein Teleskop bildet die zu prüfende Quelle auf eine Ebene ab, in der Blenden mit unterschiedlichem Durchmesser angebracht werden können, um das erforderliche Sichtfeld für die Messung zu bestimmen.
ABB. 3. Messung der Strahldichte: abbildendes Verfahren.
Alternativ kann eine Messung der Bestrahlungsstärke mit einer cosinuskorrigierten Eingangsoptik durchgeführt werden (Abb. 4). Eine Blende wird direkt an der Quelle angebracht, um den Messbereich zu definieren. Die Strahldichte wird aus dem Verhältnis der Bestrahlungsstärke zum Raumwinkel des FOV in Steradianen berechnet.
Physiologische Strahldichte
Bei der momentanen Betrachtung bildet das Netzhautbild einer Quelle denselben Winkel wie die Quelle ab. Das kleinste Bild, das auf der Netzhaut entsteht, hat gemäß IEC62471 eine Winkelausdehnung von 1,7 mrad, wenn man die unvollkommene Abbildungsleistung des Auges berücksichtigt.
ABB. 4. Messung der Strahldichte: indirekte Technik.
Mit zunehmender Belichtungszeit wird das Netzhautbild aufgrund von Augenbewegungen (Sakkaden) und aufgabenbedingten Bewegungen über einen größeren Bereich der Netzhaut verschmiert, was zu einer entsprechenden Verringerung der Bestrahlungsstärke der Netzhaut führt. Es wird eine zeitabhängige Funktion definiert, um die Streuung des Netzhautbildes im Bereich von 1,7 bis 100 mrad darzustellen. Dies deckt den Bereich von 0,25s (Aversionsreaktionszeit) bis zu 10.000s Exposition ab.
Im Zusammenhang mit der photobiologischen Sicherheit wird die Messung der Strahldichte in einer Weise durchgeführt, die dieses Phänomen widerspiegelt, d.h. das FOV der Messung wird so gewählt, dass das Licht berücksichtigt wird, das in einen bestimmten Bereich der Retina fällt. Das FOV der Messung folgt daher der gleichen Zeitabhängigkeit, von 1,7 bis 100 mrad, unabhängig von der Größe der gemessenen Quelle.
Die gemessene Größe wird genauer als physiologische Strahldichte bezeichnet, im Gegensatz zur echten Strahldichte, die definitionsgemäß nur den emittierenden Bereich der Quelle erfasst (Abb. 5). Wird die physiologische Strahldichte in einem FOV gemessen, das größer ist als der von der Quelle eingenommene Winkel, ist die resultierende Strahldichte ein Mittelwert aus der wahren Strahldichte der Quelle und dem dunklen Hintergrund. Da die Winkelabweichung einer Quelle mit der Entfernung variiert, ist die physiologische Strahldichte im Gegensatz zur wahren Strahldichte eine Funktion der Messentfernung.
ABBILD 5. In jedem Bildpaar zeigen die roten Kreise die Messfelder für die wahre (links) und physiologische (rechts) Strahldichte. Bei den Messungen der wahren Strahldichte umfasst der Kreis nur den Bereich der Lichtquelle, während die physiologische Strahldichte ein Mittelwert der wahren Strahldichte der Quelle und des dunklen Hintergrunds ist.
Spektraler Einfluss
In den obigen Ausführungen wurde auf die Bestrahlungsstärke und die physiologische Strahldichte Bezug genommen, ohne das Spektrum der Quelle zu berücksichtigen, das im Rahmen dieser Norm eindeutig sehr wichtig ist. Diese Größen sollten in der Praxis bei jeder Wellenlänge mit einem Monochromator bewertet werden. So erhält man die spektrale Bestrahlungsstärke und die spektrale physiologische Strahldichte. Die sich daraus ergebenden Spektren sollten, soweit erforderlich, mit Gefahrenbewertungsfunktionen gewichtet werden, um die starke Wellenlängenabhängigkeit von drei der betrachteten Gefahren zu berücksichtigen (Abb. 6). Das Ergebnis sollte vor dem Vergleich mit ELs über den erforderlichen Wellenlängenbereich integriert werden.
Messabstand
Der Abstand, in dem eine Strahlenquelle bewertet werden sollte, hängt von ihrer beabsichtigten Anwendung ab. Es werden zwei Expositionsszenarien betrachtet: Allgemeinbeleuchtung (GLS) und alle anderen Anwendungen (Nicht-GLS).
Die derzeitige Definition von GLS ist nicht eindeutig, bezieht sich aber auf fertige Produkte, die weißes Licht ausstrahlen und für die Beleuchtung von Räumen bestimmt sind. Die Bewertung sollte in einer Entfernung angegeben, aber nicht unbedingt gemessen werden, in der die Quelle eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux erzeugt. Diese Entfernung kann bei Haushaltsleuchten weniger als einen Meter, bei Straßenbeleuchtung jedoch viele Meter betragen.
BILD 6. Von der IEC62471 verwendete Funktionen zur Gefährdungsbewertung.
Die Messung der Strahldichte kann in einem angemessenen Abstand und auf 500 Lux skaliert durchgeführt werden. Die physiologische Strahldichte, die von der Untertiefe der Quelle in Bezug auf das anwendbare FOV abhängt, sollte jedoch in der richtigen Entfernung gemessen werden.
Die Begründung für die 500-Lux-Bedingung ist willkürlich und ein Streitpunkt innerhalb der Beleuchtungsindustrie, da dies in vielen Fällen kein realistisches Expositionsszenario darstellt. Im nächsten Teil dieses Artikels werden wir untersuchen, wie dieses Problem derzeit angegangen wird.
Nicht-GLS-Quellen sollten in einem Abstand von 200 mm von der (scheinbaren) Quelle gemessen werden. Dieser Abstand entspricht dem Nahpunkt des menschlichen Auges. Bei kürzeren Entfernungen als 200 mm ist das Netzhautbild unscharf, was zu einer geringeren Bestrahlungsstärke der Netzhaut führt.
Hier ist das Konzept der scheinbaren Quelle wichtig. Wird eine Linse zur Kollimation des Ausgangs einer LED verwendet, entsteht ein vergrößertes virtuelles Bild hinter dem Chip. Der Messabstand von 200 mm sollte in Bezug auf diese scheinbare Quelle genommen werden, da das Auge dieses Bild abbildet.
Die Messung bei 200 mm kann eine ungünstige Belichtungsbedingung für die Netzhaut darstellen. Dies gilt jedoch nicht für die Haut und die Vorderseite des Auges, wo der Expositionsabstand geringer sein kann. Dieser letzte Fall wurde in dieser Norm noch nicht berücksichtigt, da es hier in erster Linie um akute Netzhautschäden geht.
Vergleich mit ELs
ELs werden als Strahlungsfluss für thermische Gefahren oder als Energie (Strahlungsfluss multipliziert mit der Zeit) für photochemische Gefahren angegeben: ein gemessenes Bestrahlungsstärkenergebnis kann direkt mit ersterem verglichen werden, und für letzteres erhält man eine Expositionszeit. Dieses Verfahren gilt nicht für die Messung der Strahldichte, für die das FOV der Messung zeitabhängig ist.
Auf die Gefahren für die Netzhaut wird daher ein Pass/Fail-Test angewandt, der auf Messungen bei FOVs beruht, die den Mindestexpositionszeiten des jeweiligen Klassifizierungssystems entsprechen, beginnend mit der freigestellten Risikogruppe. Wenn die resultierende Strahldichte die maximal zulässige Strahldichte für eine bestimmte Risikogruppe überschreitet, wird die nächste Risikogruppe geprüft. Die detaillierte Bewertung der Gefahren für die Netzhaut ist etwas komplizierter, da die Größe der Strahlenquelle und die Stärke des visuellen Reizes bei der Festlegung der anzuwendenden Grenzwerte berücksichtigt werden müssen.
Klassifizierung
Wie in Teil 1 dieser Artikelserie beschrieben, wird ein Klassifizierungssystem auf der Grundlage der Mindestexpositionszeit bis zum Überschreiten des Grenzwertes festgelegt, das von der Risikogruppe „frei“ (kein Risiko) bis zur Risikogruppe 3 (RG3; hohes Risiko) reicht. Die Grenzbestrahlungsstärke (Strahldichte) jeder Risikogruppe kann dann bestimmt werden, und die gemessene Bestrahlungsstärke (Strahldichte) kann mit diesen Grenzwerten verglichen werden.
Kennzeichnung
IEC62471 ist als horizontale Norm gedacht und enthält als solche keine Herstellungs- oder Benutzersicherheitsanforderungen, die als Folge der Zuordnung eines Produkts zu einer bestimmten Risikogruppe erforderlich sein können. Solche Sicherheitsanforderungen variieren je nach Anwendung und sollten in vertikalen, produktbezogenen Normen behandelt werden. Die IEC TR 62471-2 gibt jedoch einige weitere Hinweise zur Messung und enthält eine Empfehlung zur Kennzeichnung für jede Gefahren- und Risikogruppe (Abb. 7).
BILD 7. Beispieletikett gemäß IEC TR 62471-2.
Umsetzung der IEC62471 in Europa
In der Europäischen Union zeigt die CE-Kennzeichnung die Produktsicherheit durch die Einhaltung der relevanten anwendbaren EU-Richtlinie, wie z.B. der Niederspannungsrichtlinie (LVD), durch Anwendung von Europäischen Normen (EN), die mit der betreffenden Richtlinie harmonisiert sind. Die Einhaltung dieser EN-Normen ist zwar nicht verpflichtend, aber es wird davon ausgegangen, dass die grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen der betreffenden Richtlinie erfüllt sind.
Optische Strahlung wird in der Niederspannungsrichtlinie besonders berücksichtigt. Dies gilt für elektrische Produkte, die mit Spannungen von 50-1000V AC betrieben werden. Die europäische Übernahme der IEC62471, nämlich EN62471:2008, ist mit der LVD harmonisiert.
Ab dem 1. September 2011 kann bei der Bewertung von LEDs anhand der Lasernorm (IEC60825) nicht mehr von einer Konformität mit den grundlegenden Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen der LVD ausgegangen werden.
Ab April 2010 ist die EU-Richtlinie über künstliche optische Strahlung (AORD), 2006/25/EG, in Kraft getreten. Darin werden Expositionsgrenzwerte festgelegt, die sich leicht von denen der IEC62471 unterscheiden. Aus Gründen der Einheitlichkeit übernimmt EN62471 die Expositionsgrenzwerte der AORD und ist die Norm, die zur Bewertung der Exposition von Arbeitnehmern gegenüber optischen Strahlungsquellen, die keine Laser sind, zu verwenden ist.
Ebenfalls relevant für LEDs ist die EU-Richtlinie zur Sicherheit von Spielzeug, auf die EN62115 „Sicherheit von elektrischem Spielzeug“ abgestimmt ist. Diese Norm hat in der Vergangenheit auf die Lasernorm (EN60825) für die Klassifizierung von LEDs verwiesen. Sie wird derzeit überarbeitet, aber es wird erwartet, dass auf die EN 62471 verwiesen wird, wenn Messungen erforderlich sind.
Schließlich sollte bei Produkten, die nicht unter die Niederspannungsrichtlinie oder die Spielzeugrichtlinie fallen, auch die allgemeine Produktsicherheitsrichtlinie in Betracht gezogen werden, auf die nur wenige Normen speziell abgestimmt sind; für die Bewertung von Nicht-Laser-Lichtquellen ist jedoch die EN 62471 die relevante EN-Norm.
Umsetzung der IEC62471 in ROW
Während viele Normungsgremien in der ganzen Welt die Übernahme der IEC62471 in Erwägung ziehen, haben bisher nur wenige nationale Normen herausgegeben, geschweige denn einen rechtlichen Rahmen geschaffen, der die Prüfung verbindlich macht. Ein Großteil der Aktivitäten bezieht sich auf die Beleuchtungsindustrie, für die ein klar definierter Normungsrahmen besteht und aktiv entwickelt wird, um Festkörperbeleuchtung zu berücksichtigen.
Nach Kenntnis des Autors ist China derzeit das einzige Land, das eine freiwillige Norm – GB/T 20145-2006 – formell umgesetzt hat, während Japan voraussichtlich im November 2011 die JIS C 7550 veröffentlichen wird.
Einige Länder, wie Australien und Neuseeland, arbeiten derzeit an der Übernahme der IEC62471 als freiwillige Norm. Eine andere Gruppe (z. B. Hongkong, Republik Korea) begnügt sich derzeit damit, auf freiwilliger Basis auf die IEC62471 zu verweisen, während andere (z. B. Kanada) derzeit über die Umsetzung und mögliche Vorschriften nachdenken.
Schließlich gibt es in den USA, wo die ANSI RP27.1 als freiwillige Norm existiert, derzeit keine verbindlichen Anforderungen für die Bewertung von Nicht-Laserquellen. Im Anschluss an eine Sitzung des technischen Normungsgremiums von UL/ANSI 8750 „Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products“ im August 2011 wurde jedoch eine Arbeitsgruppe gebildet, die sich mit der Umsetzung photobiologischer Sicherheitsstandards für die von dieser UL-Norm abgedeckten Beleuchtungsprodukte befasst.
Teil 3 dieser Artikelserie wird die Umsetzung der IEC62471 für die heutigen LED-Geräte und ihre mögliche zukünftige Entwicklung erörtern. Außerdem wird gezeigt, dass die IEC62471 in der Welt nicht unbekannt ist, vor allem durch die Umsetzung des internationalen IECEE CB und zahlreicher anderer Zertifizierungssysteme.
Produkte auf LED-Basis müssen photobiologische Sicherheitsstandards erfüllen: Teil 1
Produkte auf LED-Basis müssen photobiologische Sicherheitsstandards erfüllen: Teil 3
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