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Cet article a été publié dans le numéro de novembre/décembre 2011 de LEDs Magazine.
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La première partie de cette série de trois articles a donné un aperçu des dangers potentiels pour le corps humain que représente l’exposition aux rayonnements optiques, et de l’élaboration de normes internationales pour évaluer la sécurité photobiologique des sources non laser. Ici, une approche plus pratique est adoptée, en considérant les détails plus fins de l’évaluation des sources et de la mise en œuvre des normes de sécurité en Europe et dans le reste du monde.
Portée de la norme IEC62471:2006
La norme IEC62471:2006 « Sécurité photobiologique des lampes et des systèmes de lampes » fournit des orientations pour l’évaluation de la sécurité photobiologique de toutes les sources de rayonnement optique non laser alimentées électriquement et émettant dans la gamme spectrale 200-3000 nm, que l’émission de lumière soit ou non l’objectif principal du produit. L’inclusion des LED dans le champ d’application de cette norme est spécifiquement mentionnée pour souligner le retrait des LED du champ d’application de la norme sur les lasers, CEI60825.
Les dangers potentiels de l’exposition de la peau, des surfaces frontales de l’œil (cornée, conjonctive et cristallin) et de la rétine sont évalués par la prise en compte de six dangers spécifiques par rapport aux limites d’exposition (EL) prévues pour une durée d’exposition de huit heures, prise comme une journée de travail. La norme ne tient pas compte des effets potentiels d’une exposition à long terme, ni d’une photosensibilité anormale.
Dans le cas des dangers pour la peau et les surfaces frontales de l’œil, il suffit de prendre en compte la quantité de lumière incidente sur la surface en question. En revanche, pour considérer les dangers pour la rétine, il faut tenir compte des propriétés d’imagerie de l’œil. Il s’ensuit que deux mesures distinctes sont nécessaires : l’irradiance et la radiance.
TABLE 1. Différents risques nécessitent la mesure de l’irradiance ou de la radiance. (Croix = Fonction de pondération requise.)
La norme fournit des indications spécifiques sur les conditions géométriques dans lesquelles ces mesures doivent être effectuées pour tenir compte des phénomènes biophysiques, tels que l’effet des mouvements des yeux sur l’irradiation rétinienne. La gamme spectrale sur laquelle la radiance doit être considérée est réduite à 300-1400 nm, puisque la rétine est essentiellement protégée en dehors de cette gamme en raison des caractéristiques de transmission du cristallin. Le tableau 1 indique la mesure requise (radiance ou irradiance) pour différents dangers.
Mesure de l’irradiance
L’irradiance permet d’évaluer les dangers pour la peau et les surfaces frontales de l’œil. L’irradiance est définie comme le rapport entre la puissance radiante (dF) incidente sur un élément d’une surface, et l’aire (dA) de cet élément (figure 1). Son symbole est E et ses unités sont W/m2.
L’irradiance tient compte de la lumière arrivant sur une surface depuis tout l’hémisphère supérieur. Cependant, en raison de sa position par rapport à l’arête et au nez, l’œil est protégé du rayonnement grand angle. Dans le cadre de cette norme, la mesure de l’éclairement énergétique dans tous les cas, sauf celui du risque thermique pour la peau, est effectuée sur un angle d’acceptation de 1,4 radian. La lumière émise par une source située en dehors de cet angle d’acceptation ne doit pas être mesurée.
Pour mesurer l’éclairement énergétique, l’optique de mesure, généralement un diffuseur ou une sphère d’intégration, doit avoir une réponse angulaire cosinusoïdale pour tenir compte correctement des contributions hors axe. Pour un angle donné par rapport à la normale à la surface, la surface projetée sur la surface est augmentée par le cosinus dudit angle, ce qui entraîne une réduction de l’irradiance.
La connaissance de l’irradiance de la source ne donne cependant aucune information sur la quantité de lumière couplée par l’œil et imagée sur la rétine, pour laquelle une mesure de la radiance est nécessaire.
Mesure de la radiance
La radiance permet d’évaluer les dangers pour la rétine. La radiance est définie comme le rapport entre la puissance radiante (dF) émise par une surface dA dans un angle solide dΩ sous un angle q par rapport à la normale à la source, et le produit de l’angle solide dΩ et de la surface projetée dA∙cos q (figure 2). Le symbole est L et les unités sont W/m2sr.
FIG. 2. Définition de la radiance.
En observant une source, l’œil collecte la lumière dans un angle solide donné fixé par le diamètre de la pupille, et projette une image de la source sur la rétine. Lorsque la pupille se dilate (ou se contracte) en fonction du niveau de stimulus visuel, ou luminance, de la source, l’irradiance rétinienne de l’image augmente (ou diminue).
La loi de conservation de la radiance stipule que la radiance ne peut pas être augmentée par des systèmes optiques passifs tels que le cristallin de l’œil. L’irradiance rétinienne est donc déterminée à partir de la radiance de la source et de l’angle solide sous-tendu par la pupille (2-7 mm de diamètre) au niveau de la rétine (distante de 17 mm) de manière inverse à la détermination de la radiance à partir de l’irradiance, donnée ci-dessous.
La radiance peut être mesurée de deux manières, soit par une technique d’imagerie, soit indirectement par une mesure d’irradiance. Dans les deux cas, la mesure est effectuée dans un champ de vision (FOV) spécifique ou un angle solide d’acceptation (souvent décrit par un angle plan, q) qui définit la zone de la source mesurée.
La technique d’imagerie (Fig. 3) reproduit l’imagerie de l’œil. Un télescope image la source testée sur un plan sur lequel peuvent être placées des ouvertures de diamètre variable pour sélectionner le FOV de mesure requis.
FIG. 3. Mesure de la radiance : technique d’imagerie.
On peut aussi effectuer une mesure de l’irradiance avec une optique d’entrée corrigée en cosinus (Fig. 4). Une ouverture est placée directement sur la source pour définir le FOV de mesure. La radiance est calculée à partir du rapport entre l’irradiance et l’angle solide du FOV en stéradians.
Radiance physiologique
Pour une observation momentanée, l’image rétinienne d’une source sous-tend le même angle que la source. La plus petite image formée sur la rétine, selon la norme IEC62471, a une étendue angulaire de 1,7 mrad, étant donné les performances imparfaites de l’œil en matière d’imagerie.
FIG. 4. Mesure de la radiance : technique indirecte.
Avec l’augmentation du temps d’exposition, en raison du mouvement des yeux (saccades) et du mouvement déterminé par la tâche, l’image rétinienne est étalée sur une plus grande surface de la rétine, ce qui entraîne une réduction correspondante de l’irradiance rétinienne. Une fonction dépendant du temps est définie pour représenter l’étalement de l’image rétinienne dans la plage de 1,7 à 100 mrad. Cela couvre la gamme de 0,25s (temps de réponse d’aversion) à 10 000s d’exposition.
Dans le contexte de la sécurité photobiologique, la mesure de la radiance est effectuée d’une manière qui reflète ce phénomène, c’est-à-dire que le FOV de mesure est choisi pour tenir compte de la lumière tombant dans une zone donnée de la rétine. Le FOV de mesure suit donc la même dépendance temporelle, de 1,7 à 100 mrad, quelle que soit la taille de la source mesurée.
La grandeur mesurée est plus précisément appelée radiance physiologique par opposition à la radiance vraie, qui par définition n’échantillonne que la zone d’émission de la source (figure 5). Lorsque la radiance physiologique est mesurée dans un FOV supérieur à l’angle sous-tendu par la source, la radiance résultante est une moyenne de la radiance réelle de la source et du fond sombre. De plus, comme la sous-tension angulaire d’une source varie avec la distance, la radiance physiologique, contrairement à la radiance vraie, est une fonction de la distance de mesure.
FIG. 5. Dans chaque paire d’images, les cercles rouges montrent les champs de vision de mesure de la radiance vraie (à gauche) et physiologique (à droite). Pour les mesures de radiance vraie, le cercle englobe uniquement la zone d’émission de la lumière, tandis que la radiance physiologique est une moyenne de la radiance vraie de la source et du fond sombre.
Influence spectrale
Dans ce qui précède, il a été fait référence à l’éclairement énergétique et à la radiance physiologique sans tenir compte du spectre de la source, qui est clairement très important dans le contexte de cette norme. Ces quantités devraient, en pratique, être évaluées à chaque longueur d’onde avec un monochromateur. On obtient ainsi l’irradiance spectrale et la radiance physiologique spectrale. Les spectres résultants doivent être pondérés, si nécessaire, par des fonctions de pondération des dangers pour tenir compte de la forte dépendance de trois des dangers considérés vis-à-vis de la longueur d’onde (Fig. 6). Le résultat doit être intégré sur la gamme de longueurs d’onde requise avant la comparaison avec les EL.
Distance de mesure
La distance à laquelle une source doit être évaluée dépend de son application prévue. Deux scénarios d’exposition sont considérés ; le service d’éclairage général (GLS) et toutes les autres applications (non-GLS).
La définition actuelle du GLS est ambiguë, mais concerne les produits finis qui émettent une lumière blanche et sont destinés à éclairer des espaces. L’évaluation doit être rapportée, et pas nécessairement mesurée, à une distance à laquelle la source produit un éclairement de 500 lux. Cette distance peut être inférieure à un mètre pour les luminaires domestiques, mais de plusieurs mètres pour l’éclairage public, par exemple.
FIG. 6. Fonctions de pondération des dangers utilisées par la CEI62471.
Les mesures de radiance peuvent être effectuées à une distance convenable et mises à l’échelle de 500 lux. Cependant, la radiance physiologique, qui dépend de la soustraction de la source par rapport au FOV applicable, doit être effectuée à la distance correcte.
La justification de la condition de 500 lux est arbitraire et constitue une pomme de discorde au sein de l’industrie de l’éclairage car, dans de nombreux cas, cela ne représente pas un scénario d’exposition réaliste. Dans la prochaine partie de cet article, nous examinerons comment cette question est actuellement traitée.
Les sources non-GLS doivent être mesurées à une distance de 200 mm de la source (apparente). Cette distance représente le point de proximité de l’œil humain. A des distances inférieures à 200 mm, l’image rétinienne est hors foyer, ce qui entraîne une irradiation rétinienne plus faible.
Ici, le concept de source apparente est important. Lorsqu’une lentille est utilisée pour collimater la sortie d’une LED, une image virtuelle agrandie est produite derrière la puce. La distance de mesure de 200 mm doit être prise par rapport à cette source apparente, puisque c’est elle que l’œil image.
La mesure à 200 mm peut représenter la pire condition d’exposition pour la rétine. Cependant, ce n’est pas le cas pour la peau et les surfaces frontales de l’œil où la distance d’exposition peut être plus proche. Cette dernière éventualité n’a pas encore été prise en compte dans cette norme, pour laquelle la préoccupation première est la lésion aiguë de la rétine.
Comparaison avec les EL
Les EL sont fournies en termes de flux radiant pour les risques thermiques ou d’énergie (flux radiant multiplié par le temps) pour les risques photochimiques : un résultat d’irradiation mesuré peut être directement comparé au premier, et un temps d’exposition obtenu pour le second. Cette procédure ne s’applique pas à la mesure de la radiance, pour laquelle le FOV de mesure dépend du temps.
Un test de réussite/échec est donc appliqué aux dangers rétiniens sur la base de mesures à des FOV correspondant aux temps d’exposition minimaux du système de classification à tour de rôle, en commençant par le groupe de risque exempté. Lorsque la radiance résultante dépasse la radiance maximale admissible pour un groupe de risque donné, le groupe de risque suivant est testé. L’évaluation détaillée des dangers pour la rétine est un peu plus alambiquée puisque la taille de la source et le niveau du stimulus visuel doivent être pris en compte pour déterminer les EL à appliquer.
Classification
Comme indiqué dans la partie 1 de cette série d’articles, un système de classification, basé sur le temps d’exposition minimal avant que l’EL ne soit dépassé, est défini, allant de l’exemption (aucun risque) au groupe de risque 3 (RG3 ; risque élevé). L’irradiance (radiance) limite de chaque groupe de risque peut alors être déterminée, et l’irradiance (radiance) mesurée peut être comparée à ces limites.
Labelling
La norme CEI62471 est conçue comme une norme horizontale, et en tant que telle, elle n’inclut pas les exigences de fabrication ou de sécurité de l’utilisateur qui peuvent être requises suite à l’affectation d’un produit à un groupe de risque particulier. Ces exigences de sécurité varient en fonction de l’application et doivent être traitées dans des normes verticales, basées sur le produit. Toutefois, la norme CEI TR 62471-2 fournit quelques indications supplémentaires sur la mesure et propose une recommandation d’étiquetage pour chaque danger et groupe de risque (Fig. 7).
FIG. 7. Exemple d’étiquette selon IEC TR 62471-2.
Mise en œuvre de la norme IEC62471 en Europe
Dans l’Union européenne, le marquage CE démontre la sécurité du produit par la conformité à la directive européenne applicable pertinente, telle que la directive basse tension (DBT), par l’application de normes Norme européenne (EN) harmonisées à la directive considérée. Bien que la conformité à ces normes EN ne soit pas obligatoire, elle fournit une présomption de conformité aux exigences essentielles de santé et de sécurité de la directive considérée.
Le rayonnement optique est spécifiquement considéré aux termes de la DBT. Elle s’applique aux produits électriques fonctionnant à des tensions de 50-1000V AC. L’adoption européenne de la norme IEC62471, à savoir EN62471:2008, est harmonisée à la LVD.
Depuis le 1er septembre 2011, l’évaluation des LED par rapport à la norme laser (IEC60825) ne permet plus de présumer de la conformité aux exigences essentielles de santé et de sécurité de la LVD.
Depuis avril 2010, la directive européenne sur les rayonnements optiques artificiels (AORD), 2006/25/CE, est entrée en vigueur. Elle adopte des limites d’exposition légèrement différentes de celles de la norme IEC62471. Par souci de cohérence, la norme EN62471 adopte les limites d’exposition de la directive AORD et constitue la norme à utiliser pour évaluer l’exposition des travailleurs aux sources de rayonnement optique non laser.
La directive européenne sur la sécurité des jouets, à laquelle est harmonisée la norme EN62115 « Sécurité des jouets électriques », est également pertinente pour les LED. Cette norme a par le passé fait référence à la norme sur les lasers (EN60825) pour la classification des LED. Elle est actuellement en cours de révision, mais on s’attend à ce qu’une référence soit faite à la norme EN 62471 lorsque des mesures sont requises.
Enfin, lorsque les produits ne sont pas couverts par la directive LVD ou la directive sur les jouets, il faut également tenir compte de la directive générale sur la sécurité des produits à laquelle peu de normes sont spécifiquement harmonisées, mais pour l’évaluation des sources de lumière non laser, la norme EN62471 est la norme EN pertinente.
Mise en œuvre de la CEI62471 au ROYAUME-UNI
Alors que de nombreux organismes de normalisation dans le monde envisagent l’adoption de la CEI62471, peu d’entre eux ont encore publié des normes nationales et encore moins un cadre juridique pour rendre les tests obligatoires. Parmi les activités observées, une grande partie est liée à l’industrie de l’éclairage, pour laquelle un cadre de normalisation bien défini est en place et en cours de développement actif pour s’adapter à l’éclairage à semi-conducteurs.
À la connaissance de l’auteur, la Chine est actuellement la seule à avoir officiellement mis en œuvre une norme volontaire – GB/T 20145-2006 – avec le Japon qui devrait publier JIS C 7550 en novembre 2011.
Certains pays, tels que l’Australie et la Nouvelle-Zélande, travaillent actuellement sur l’adoption de la CEI62471 en tant que norme volontaire. Un autre groupe (par exemple, Hong Kong, la République de Corée) se contente actuellement de référencer la norme IEC62471 sur une base volontaire, tandis que d’autres (par exemple, le Canada) en sont au stade de l’examen de la mise en œuvre et des réglementations potentielles.
Enfin, aux États-Unis, où la norme ANSI RP27.1 existe en tant que norme volontaire, il n’y a actuellement aucune exigence obligatoire pour l’évaluation des sources non-laser. Cependant, suite à une réunion en août 2011 du comité technique des normes de la norme UL/ANSI 8750 » Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products « , un groupe de travail a été formé pour envisager la mise en œuvre de normes de sécurité photobiologique pour les produits d’éclairage couverts par cette norme UL.
La partie 3 de cette série d’articles traitera de la mise en œuvre de la norme IEC62471 aux dispositifs LED d’aujourd’hui, et de son développement potentiel futur. De plus, il sera démontré que la CEI62471 ne reste pas inconnue du monde, principalement par la mise en œuvre de la CB internationale IECEE et de nombreux autres systèmes de certification.
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