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Este artículo se publicó en el número de noviembre/diciembre de 2011 de LEDs Magazine.
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La primera parte de esta serie de tres partes ofrecía una visión general de los peligros potenciales para el cuerpo humano que supone la exposición a la radiación óptica, y el desarrollo de normas internacionales para evaluar la seguridad fotobiológica de las fuentes no láser. Aquí se adopta un enfoque más práctico, al considerar los detalles más precisos de la evaluación de las fuentes y la aplicación de las normas de seguridad en Europa y en el resto del mundo.
Ámbito de aplicación de la norma IEC62471:2006
La norma IEC62471:2006 «Seguridad fotobiológica de lámparas y sistemas de lámparas» proporciona orientación para la evaluación de la seguridad fotobiológica de todas las fuentes de radiación óptica no láser alimentadas eléctricamente que emiten en el rango espectral de 200-3000 nm, sea o no la emisión de luz el objetivo principal del producto. La inclusión de los LED en el ámbito de aplicación de esta norma se menciona específicamente para destacar la eliminación de los LED del ámbito de aplicación de la norma sobre láseres, IEC60825.
Los peligros potenciales de la exposición a la piel, las superficies frontales del ojo (córnea, conjuntiva y cristalino) y la retina se evalúan mediante la consideración de seis peligros específicos con respecto a los límites de exposición (EL) previstos para una duración de la exposición de ocho horas, tomada como jornada laboral. La norma no considera los efectos potenciales de la exposición a largo plazo, ni de la fotosensibilidad anormal.
En el caso de los peligros para la piel y las superficies frontales del ojo, basta con tener en cuenta la cantidad de luz que incide en la superficie en cuestión. Sin embargo, para considerar los riesgos para la retina, hay que tener en cuenta las propiedades de imagen del ojo. De ello se desprende que son necesarias dos mediciones distintas: la irradiancia y la radiancia.
TABLA 1. Diferentes peligros requieren la medición de la irradiancia o la radiancia. (Cruz = Función de ponderación requerida.)
La norma proporciona orientación específica sobre las condiciones geométricas en las que deben realizarse estas mediciones para tener en cuenta los fenómenos biofísicos, como el efecto de los movimientos oculares en la irradiación de la retina. El rango espectral en el que debe considerarse la irradiación se reduce a 300-1400 nm, ya que la retina está esencialmente protegida fuera de este rango debido a las características de transmisión del cristalino. La tabla 1 indica la medición requerida (radiancia o irradiancia) para diferentes peligros.
La medición de la irradiancia
La irradiancia permite evaluar los peligros para la piel y las superficies frontales del ojo. La irradiancia se define como la relación entre la potencia radiante (dF) que incide sobre un elemento de una superficie, y el área (dA) de dicho elemento (Fig. 1). Su símbolo es E y sus unidades son W/m2.
La irradiancia tiene en cuenta la luz que llega a una superficie desde todo el hemisferio superior. Sin embargo, debido a su posición con respecto al puente y la nariz, el ojo está protegido de la radiación de gran ángulo. En el ámbito de esta norma, la medición de la irradiancia en todos los casos, excepto en el del peligro térmico de la piel, se realiza sobre un ángulo de aceptación de 1,4 radianes. No es necesario medir la luz emitida por una fuente fuera de este ángulo de aceptación.
En la medición de la irradiancia, la óptica de medición, normalmente un difusor o una esfera integradora, debe tener una respuesta angular coseno para tener en cuenta correctamente las contribuciones fuera del eje. En un ángulo determinado respecto a la normal de la superficie, el área proyectada en la superficie aumenta en el coseno de dicho ángulo, lo que da lugar a una reducción de la irradiancia.
El conocimiento de la irradiancia de la fuente no proporciona, sin embargo, ninguna información sobre la cantidad de luz acoplada por el ojo y visualizada en la retina, para lo que se requiere una medición de la radiancia.
La medición de la radiancia
Permite evaluar los peligros para la retina. La radiancia se define como la relación entre la potencia radiante (dF) emitida por un área dA en un ángulo sólido dΩ con un ángulo q respecto a la normal de la fuente, y el producto del ángulo sólido dΩ y el área proyectada dA∙cos q (Fig. 2). El símbolo es L y las unidades son W/m2sr.
FIG. 2. Definición de radiancia.
Al ver una fuente, el ojo recoge la luz dentro de un ángulo sólido determinado establecido por el diámetro de la pupila, y proyecta una imagen de la fuente en la retina. A medida que la pupila se dilata (o se contrae) según el nivel de estímulo visual, o luminancia, de la fuente, la irradiancia retiniana de la imagen aumenta (o disminuye).
La ley de conservación de la radiancia establece que ésta no puede ser aumentada por sistemas ópticos pasivos como el cristalino del ojo. Por lo tanto, la irradiancia de la retina se determina a partir de la irradiancia de la fuente y el ángulo sólido subtendido por la pupila (de 2 a 7 mm de diámetro) en la retina (a 17 mm de distancia) en la forma inversa a la determinación de la irradiancia a partir de la irradiancia, que se indica a continuación.
La irradiancia puede medirse de dos maneras, utilizando una técnica de imagen o indirectamente mediante una medición de la irradiancia. En ambos casos, la medición se realiza en un campo de visión (FOV) específico o en un ángulo sólido de aceptación (a menudo descrito por un ángulo planar, q) que define el área de la fuente medida.
La técnica de imagen (Fig. 3) reproduce la imagen del ojo. Un telescopio visualiza la fuente en cuestión en un plano en el que se pueden colocar aberturas de diámetro variable para seleccionar el campo de medición necesario.
FIG. 3. Medición de la irradiación: técnica de imagen.
Alternativamente, se puede realizar una medición de la irradiación con una óptica de entrada corregida por el coseno (Fig. 4). Se coloca una apertura directamente en la fuente para definir el FOV de medición. La radiancia se calcula a partir de la relación entre la irradiancia y el ángulo sólido del FOV en estereorradianes.
Radiancia fisiológica
Para la visualización momentánea, la imagen retiniana de una fuente subtiende el mismo ángulo que la fuente. La imagen más pequeña que se forma en la retina, según la norma IEC62471, tiene una extensión angular de 1,7 mrad, dado el rendimiento imperfecto de la imagen del ojo.
FIG. 4. Medición de la irradiación: técnica indirecta.
Con el aumento del tiempo de exposición, debido al movimiento del ojo (sacadas) y al movimiento determinado por la tarea, la imagen de la retina se difumina en un área mayor de la retina, lo que da lugar a la correspondiente reducción de la irradiación de la retina. Se define una función dependiente del tiempo para representar la dispersión de la imagen retiniana en el rango de 1,7 a 100 mrad. Esto cubre el rango de 0,25s (tiempo de respuesta de aversión) a 10.000s de exposición.
En el contexto de la seguridad fotobiológica, la medición de la irradiancia se realiza de manera que refleje este fenómeno, es decir, el FOV de medición se elige para dar cuenta de la luz que cae dentro de un área determinada de la retina. Por lo tanto, el FOV de medición sigue la misma dependencia temporal, de 1,7 a 100 mrad, independientemente del tamaño de la fuente medida.
La cantidad medida se denomina con más exactitud radiancia fisiológica en contraposición a la radiancia verdadera, que por definición sólo muestrea la zona emisora de la fuente (Fig. 5). Cuando la radiancia fisiológica se mide en un FOV mayor que el ángulo subtendido por la fuente, la radiancia resultante es un promedio de la radiancia verdadera de la fuente y el fondo oscuro. Además, dado que la subtención angular de una fuente varía con la distancia, la radiancia fisiológica, a diferencia de la verdadera, es una función de la distancia de medición.
FIG. 5. En cada par de imágenes, los círculos rojos muestran los campos de visión de medición para la radiancia verdadera (izquierda) y la fisiológica (derecha). En el caso de las mediciones de la radiancia verdadera, el círculo abarca únicamente la zona de emisión de luz, mientras que la radiancia fisiológica es un promedio de la radiancia verdadera de la fuente y el fondo oscuro.
Influencia espectral
En lo anterior, se hizo referencia a la irradiancia y a la radiancia fisiológica sin tener en cuenta el espectro de la fuente, que es claramente muy importante en el contexto de esta norma. En la práctica, estas cantidades deberían evaluarse en cada longitud de onda con un monocromador. Así se obtiene la irradiancia espectral y la radiancia fisiológica espectral. Los espectros resultantes deben ponderarse, cuando sea necesario, con las funciones de ponderación del peligro para tener en cuenta la fuerte dependencia de la longitud de onda de tres de los peligros considerados (Fig. 6). El resultado debe integrarse en la gama de longitudes de onda requerida antes de compararlo con las EL.
Distancia de medición
La distancia a la que debe evaluarse una fuente depende de su aplicación prevista. Se consideran dos escenarios de exposición: servicio de iluminación general (GLS) y todas las demás aplicaciones (no GLS).
La definición actual de GLS es ambigua, pero se refiere a los productos acabados que emiten luz blanca y están destinados a iluminar espacios. La evaluación debe ser reportada, no necesariamente medida, a una distancia en la que la fuente produce una iluminancia de 500 lux. Esta distancia puede ser inferior a un metro en el caso de las luminarias domésticas, pero muchos metros en el caso del alumbrado público, por ejemplo.
FIG. 6. Funciones de ponderación de peligro utilizadas por la norma IEC62471.
Las mediciones de la radiancia pueden realizarse a una distancia conveniente y a escala de 500 lux. Sin embargo, la radiancia fisiológica, que depende de la subtensión de la fuente con respecto al FOV aplicable, debe realizarse a la distancia correcta.
La justificación de la condición de 500 lux es arbitraria y una manzana de la discordia dentro de la industria de la iluminación, ya que en muchos casos no representa un escenario de exposición realista. En la siguiente parte de este artículo, consideraremos cómo se aborda actualmente esta cuestión.
Las fuentes que no son GLS deben medirse a una distancia de 200 mm de la fuente (aparente). Esta distancia representa el punto cercano del ojo humano. A distancias inferiores a 200 mm, la imagen de la retina está desenfocada, lo que resulta en una menor irradiación de la retina.
Aquí, el concepto de fuente aparente es importante. Cuando se utiliza una lente para colimar la salida de un LED, se produce una imagen virtual ampliada detrás del chip. La distancia de medición de 200 mm debe tomarse con respecto a esta fuente aparente, ya que es ésta la que visualiza el ojo.
La medición a 200 mm puede representar la peor condición de exposición para la retina. Sin embargo, este no es el caso de la piel y las superficies frontales del ojo, donde la distancia de exposición puede ser más cercana. Esta última eventualidad aún no se ha tenido en cuenta en esta norma, cuya principal preocupación es el daño agudo a la retina.
Comparación con las EL
Las EL se proporcionan en términos de flujo radiante para los peligros térmicos o de energía (flujo radiante multiplicado por el tiempo) para los peligros fotoquímicos: un resultado de irradiación medido puede compararse directamente con el primero, y un tiempo de exposición obtenido para el segundo. Este procedimiento no se aplica a la medición de la radiancia, para la cual el FOV de medición depende del tiempo.
Por lo tanto, se aplica una prueba de aprobado/desaprobado a los peligros para la retina basada en mediciones en FOVs correspondientes a los tiempos de exposición mínimos del sistema de clasificación en turno, comenzando por el grupo de riesgo exento. Cuando la radiancia resultante supera la radiancia máxima permitida para un determinado grupo de riesgo, se comprueba el siguiente grupo de riesgo. La evaluación detallada de los peligros para la retina es bastante más complicada, ya que hay que tener en cuenta el tamaño de la fuente y el nivel de estímulo visual para determinar qué EL debe aplicarse.
Clasificación
Como se indica en la parte 1 de esta serie de artículos, se define un sistema de clasificación, basado en el tiempo mínimo de exposición antes de que se supere el EL, que va desde exento (sin riesgo) hasta el grupo de riesgo 3 (RG3; alto riesgo). A continuación, puede determinarse la irradiancia (radiancia) límite de cada grupo de riesgo, y la irradiancia (radiancia) medida puede compararse con estos límites.
Etiquetado
La norma IEC62471 está concebida como una norma horizontal y, como tal, no incluye los requisitos de fabricación o de seguridad del usuario que pueden exigirse como resultado de la asignación de un producto a un grupo de riesgo concreto. Dichos requisitos de seguridad varían según la aplicación y deben tratarse en normas verticales basadas en el producto. Sin embargo, la norma IEC TR 62471-2 ofrece algunas orientaciones adicionales sobre la medida y proporciona una recomendación de etiquetado para cada peligro y grupo de riesgo (Fig. 7).
FIG. 7. Ejemplo de etiqueta según la norma IEC TR 62471-2.
Implementación de la norma IEC62471 en Europa
En la Unión Europea, el marcado CE demuestra la seguridad del producto mediante el cumplimiento de la correspondiente directiva de la UE aplicable, como la directiva de baja tensión (LVD), a través de la aplicación de las normas europeas (EN) armonizadas con la directiva en cuestión. Aunque el cumplimiento de estas normas EN no es obligatorio, permite presumir el cumplimiento de los requisitos esenciales de salud y seguridad de la directiva considerada.
La radiación óptica se considera específicamente en los términos de la LVD. Esto es aplicable a los productos eléctricos que operan a tensiones de 50-1000V AC. La adopción europea de la norma IEC62471, a saber, la norma EN62471:2008, está armonizada con la LVD.
Desde el 1 de septiembre de 2011, la evaluación de los LED con respecto a la norma sobre láser (IEC60825) ya no permite presumir la conformidad con los requisitos esenciales de salud y seguridad de la LVD.
A partir de abril de 2010, entró en vigor la directiva de la UE sobre radiaciones ópticas artificiales (AORD), 2006/25/CE. Ésta adopta límites de exposición ligeramente diferentes a los de la norma IEC62471. Por coherencia, la norma EN62471 adopta los límites de exposición de la AORD y es la norma que debe utilizarse para evaluar la exposición de los trabajadores a fuentes de radiación óptica no láser.
También es relevante para los LED la directiva de la UE sobre la seguridad de los juguetes, a la que está armonizada la norma EN62115 «Seguridad de los juguetes eléctricos». Esta norma ha hecho referencia en el pasado a la norma sobre láseres (EN60825) para la clasificación de los LED. Actualmente se está revisando, pero se espera que se haga referencia a la norma EN 62471 cuando se requieran mediciones.
Por último, en los casos en que los productos no estén cubiertos por las directivas LVD o de juguetes, también debe tenerse en cuenta la directiva general de seguridad de los productos, a la que se armonizan específicamente pocas normas, aunque para la evaluación de las fuentes de luz no láser, la norma EN62471 es la pertinente.
Implantación de la norma IEC62471 en la ROW
Aunque muchos organismos de normalización de todo el mundo están considerando la adopción de la norma IEC62471, son pocos los que todavía han emitido normas nacionales y mucho menos un marco legal para que las pruebas sean obligatorias. De la actividad observada, gran parte está relacionada con la industria de la iluminación, para la que existe un marco de normalización bien definido y en desarrollo activo para dar cabida a la iluminación de estado sólido.
Por lo que sabe el autor, China es actualmente el único país que ha implementado formalmente una norma voluntaria -GB/T 20145-2006- y se espera que Japón publique la JIS C 7550 en noviembre de 2011.
Algunos países, como Australia y Nueva Zelanda, están trabajando actualmente en la adopción de la IEC62471 como norma voluntaria. Otro grupo (por ejemplo, Hong Kong y la República de Corea) se conforman actualmente con hacer referencia a la IEC62471 de forma voluntaria, mientras que otros (por ejemplo, Canadá) se encuentran en la fase de considerar la implementación y las posibles regulaciones.
Por último, en los Estados Unidos, donde la ANSI RP27.1 existe como norma voluntaria, no hay actualmente ningún requisito obligatorio para la evaluación de las fuentes no láser. Sin embargo, tras una reunión en agosto de 2011 del panel técnico de normas de la norma UL/ANSI 8750 «Equipos de diodos emisores de luz (LED) para su uso en productos de iluminación», se ha formado un grupo de trabajo para considerar la implementación de normas de seguridad fotobiológica para aquellos productos de iluminación cubiertos por esta norma UL.
La tercera parte de esta serie de artículos tratará sobre la implementación de la norma IEC62471 a los dispositivos LED de hoy en día, y su potencial desarrollo futuro. Asimismo, se mostrará que la norma IEC62471 no es desconocida en el mundo, principalmente a través de la implementación de la norma internacional IECEE CB y otros numerosos esquemas de certificación.
Los productos basados en LED deben cumplir las normas de seguridad fotobiológica: parte 1
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