+++++
Questo articolo è stato pubblicato nel numero di novembre/dicembre 2011 di LEDs Magazine.
+++++
La prima parte di questa serie in tre parti ha fornito una panoramica dei potenziali rischi per il corpo umano posti dall’esposizione alle radiazioni ottiche, e lo sviluppo di standard internazionali per valutare la sicurezza fotobiologica delle fonti non laser. Qui viene adottato un approccio più pratico, considerando i dettagli più fini della valutazione delle sorgenti e l’implementazione degli standard di sicurezza in Europa e nel resto del mondo.
Scopo della IEC62471:2006
Lo standard IEC62471:2006 “Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems” fornisce una guida per la valutazione della sicurezza fotobiologica di tutte le sorgenti di radiazione ottica non laser alimentate elettricamente che emettono nell’intervallo spettrale 200-3000 nm, sia che l’emissione di luce sia o meno lo scopo primario del prodotto. L’inclusione dei LED nel campo di applicazione di questa norma è specificatamente menzionata per evidenziare la rimozione dei LED dal campo di applicazione della norma sui laser, IEC60825.
I potenziali rischi di esposizione alla pelle, alle superfici frontali dell’occhio (cornea, congiuntiva e lente) e alla retina sono valutati attraverso la considerazione di sei rischi specifici rispetto ai limiti di esposizione (EL) previsti per una durata di esposizione di otto ore, considerata come una giornata lavorativa. La norma non considera gli effetti potenziali dell’esposizione a lungo termine, né della fotosensibilità anomala.
Nel caso dei pericoli per la pelle e le superfici frontali dell’occhio, è sufficiente prendere in considerazione la quantità di luce incidente sulla superficie in questione. Tuttavia, per considerare i pericoli per la retina, si deve tener conto delle proprietà di imaging dell’occhio. Ne consegue che sono necessarie due misure distinte: irradianza e radianza.
TABELLA 1. Pericoli diversi richiedono la misurazione dell’irraggiamento o della radianza. (Croce = funzione di ponderazione richiesta.)
La norma fornisce una guida specifica sulle condizioni geometriche in cui queste misurazioni dovrebbero essere effettuate per tenere conto dei fenomeni biofisici, come l’effetto dei movimenti degli occhi sull’irradiazione della retina. L’intervallo spettrale in cui la radianza dovrebbe essere considerata è ridotto a 300-1400 nm, poiché la retina è essenzialmente protetta al di fuori di questo intervallo a causa delle caratteristiche di trasmissione della lente. La tabella 1 indica la misurazione richiesta (radianza o irradianza) per diversi pericoli.
La misurazione dell’irradianza
L’irradianza permette di valutare i pericoli per la pelle e le superfici frontali dell’occhio. L’irradianza è definita come il rapporto tra la potenza radiante (dF) incidente su un elemento di una superficie e l’area (dA) di quell’elemento (Fig. 1). Il suo simbolo è E e le sue unità sono W/m2.
L’irraggiamento tiene conto della luce che arriva su una superficie dall’intero emisfero superiore. Tuttavia, a causa della sua posizione rispetto al ponte e al naso, l’occhio è schermato dalla radiazione grandangolare. Nell’ambito di questo standard, la misurazione dell’irradianza in tutti i casi, tranne quello del rischio termico della pelle, viene eseguita su un angolo di accettazione di 1,4 raggi. La luce emessa da una sorgente al di fuori di questo angolo di accettazione non deve essere misurata.
Nella misurazione dell’irradianza, l’ottica di misurazione, tipicamente un diffusore o una sfera integratrice, dovrebbe avere una risposta angolare coseno per tenere conto correttamente dei contributi fuori asse. Ad un dato angolo dalla normale alla superficie, l’area proiettata sulla superficie è aumentata del coseno di tale angolo, con conseguente irradianza ridotta.
La conoscenza dell’irradianza della sorgente non dà tuttavia alcuna informazione sulla quantità di luce accoppiata dall’occhio e immagazzinata sulla retina, per la quale è necessaria una misura della radianza.
Misura della radianza
La radianza permette la valutazione dei pericoli per la retina. La radianza è definita come il rapporto tra la potenza radiante (dF) emessa dall’area dA nell’angolo solido dΩ all’angolo q rispetto alla normale alla sorgente, e il prodotto dell’angolo solido dΩ e l’area proiettata dA∙cos q (Fig. 2). Il simbolo è L e le unità sono W/m2sr.
FIG. 2. Definizione di radianza.
Nella visione di una sorgente, l’occhio raccoglie la luce entro un dato angolo solido stabilito dal diametro della pupilla, e proietta un’immagine della sorgente sulla retina. Man mano che la pupilla si dilata (o si contrae) a seconda del livello di stimolo visivo, o luminanza, della sorgente, l’irradianza retinica dell’immagine aumenta (o diminuisce).
La legge di conservazione della radianza afferma che la radianza non può essere aumentata da sistemi ottici passivi come la lente dell’occhio. L’irradianza retinica è quindi determinata dalla radianza della sorgente e dall’angolo solido sotteso dalla pupilla (2-7-mm di diametro) alla retina (17-mm di distanza) nell’inverso della determinazione della radianza dall’irradianza, data sotto.
La radianza può essere misurata in due modi, o usando una tecnica di imaging o indirettamente attraverso una misurazione dell’irradianza. In entrambi i casi, la misurazione viene eseguita in uno specifico campo visivo (FOV) o angolo solido di accettazione (spesso descritto da un angolo planare, q) che definisce l’area della sorgente misurata.
La tecnica di imaging (Fig. 3) replica l’imaging dell’occhio. Un telescopio immagina la sorgente in esame su un piano sul quale possono essere poste delle aperture di diametro variabile per selezionare il FOV di misura richiesto.
FIG. 3. Misurazione della radianza: tecnica di imaging.
In alternativa, può essere eseguita una misurazione dell’irradianza con un’ottica di ingresso corretta al coseno (Fig. 4). Un’apertura è posta direttamente alla sorgente per definire il FOV di misurazione. La radianza è calcolata dal rapporto tra l’irradianza e l’angolo solido del FOV in steradiani.
Radianza fisiologica
Per la visione momentanea, l’immagine retinica di una sorgente sottende lo stesso angolo della sorgente. La più piccola immagine formata sulla retina, secondo la IEC62471, ha un’estensione angolare di 1,7 mrad, date le imperfette prestazioni di imaging dell’occhio.
FIG. 4. Misurazione della radianza: tecnica indiretta.
Con l’aumento del tempo di esposizione, a causa del movimento dell’occhio (saccadi) e del movimento determinato dal compito, l’immagine retinica viene spalmata su un’area più grande della retina, con una corrispondente riduzione dell’irradianza retinica. Una funzione dipendente dal tempo è definita per rappresentare la diffusione dell’immagine retinica nell’intervallo da 1,7 a 100 mrad. Questo copre la gamma da 0,25s (tempo di risposta all’avversione) a 10.000s di esposizione.
Nel contesto della sicurezza fotobiologica, la misurazione della radianza è eseguita in modo da riflettere questo fenomeno, cioè il FOV di misurazione è scelto per tenere conto della luce che cade in una determinata area della retina. Il FOV di misurazione segue quindi la stessa dipendenza temporale, da 1,7 a 100 mrad, indipendentemente dalle dimensioni della sorgente misurata.
La quantità misurata è più accuratamente definita radianza fisiologica in opposizione alla radianza vera, che per definizione campiona solo la zona di emissione della sorgente (Fig. 5). Quando la radianza fisiologica è misurata in un FOV maggiore dell’angolo sotteso dalla sorgente, la radianza risultante è una media della radianza vera della sorgente e dello sfondo scuro. Inoltre, poiché la sottrazione angolare di una sorgente varia con la distanza, la radianza fisiologica, a differenza della radianza vera, è una funzione della distanza di misurazione.
FIG. 5. In ogni coppia di immagini, i cerchi rossi mostrano i campi di vista di misurazione per la radianza vera (sinistra) e fisiologica (destra). Per le misure di radianza vera, il cerchio comprende solo l’area di emissione della luce, mentre la radianza fisiologica è una media della radianza vera della sorgente e dello sfondo scuro.
Influenza spettrale
In quanto sopra, si è fatto riferimento all’irradianza e alla radianza fisiologica senza considerare lo spettro della sorgente, che è chiaramente molto importante nel contesto di questo standard. Queste quantità dovrebbero, in pratica, essere valutate ad ogni lunghezza d’onda con un monocromatore. Questo produce l’irradianza spettrale e la radianza fisiologica spettrale. Gli spettri risultanti dovrebbero essere ponderati, se necessario, rispetto alle funzioni di ponderazione del pericolo per tenere conto della forte dipendenza dalla lunghezza d’onda di tre dei pericoli considerati (Fig. 6). Il risultato dovrebbe essere integrato nell’intervallo di lunghezze d’onda richiesto prima del confronto con le EL.
Distanza di misurazione
La distanza alla quale una sorgente dovrebbe essere valutata dipende dall’applicazione prevista. Vengono considerati due scenari di esposizione; servizio di illuminazione generale (GLS) e tutte le altre applicazioni (non-GLS).
L’attuale definizione di GLS è ambigua, ma si riferisce a prodotti finiti che emettono luce bianca e sono destinati all’illuminazione di spazi. La valutazione dovrebbe essere riportata, non necessariamente misurata, ad una distanza alla quale la fonte produce un illuminamento di 500 lux. Questa distanza può essere meno di un metro per gli apparecchi domestici, ma molti metri per l’illuminazione stradale, per esempio.
FIG. 6. Funzioni di ponderazione del pericolo usate dalla IEC62471.
Le misurazioni dell’irraggiamento possono essere eseguite a una distanza conveniente e scalate a 500 lux. Tuttavia, la radianza fisiologica, che dipende dalla sottrazione della sorgente rispetto al FOV applicabile, dovrebbe essere eseguita alla distanza corretta.
La logica della condizione di 500 lux è arbitraria e un pomo della discordia nell’industria dell’illuminazione poiché in molti casi non rappresenta uno scenario di esposizione realistico. Nella prossima parte di questo articolo, considereremo come questo problema viene attualmente affrontato.
Le sorgenti non-GLS dovrebbero essere misurate ad una distanza di 200 mm dalla sorgente (apparente). Questa distanza rappresenta il punto vicino dell’occhio umano. A distanze inferiori a 200 mm, l’immagine retinica è fuori fuoco, con conseguente irradiazione retinica inferiore.
Qui, il concetto di sorgente apparente è importante. Quando si usa una lente per collimare l’uscita di un LED, si produce un’immagine virtuale ingrandita dietro il chip. La distanza di misurazione di 200 mm dovrebbe essere presa rispetto a questa fonte apparente, poiché è questa che l’occhio immagina.
La misurazione a 200 mm può rappresentare una condizione di esposizione peggiore per la retina. Tuttavia, questo non è il caso della pelle e delle superfici frontali dell’occhio, dove la distanza di esposizione può essere più vicina. Quest’ultima eventualità non è stata ancora presa in considerazione in questo standard, per il quale la preoccupazione principale è il danno acuto alla retina.
Confronto con gli EL
Gli EL sono forniti in termini di flusso radiante per i pericoli termici o di energia (flusso radiante moltiplicato per il tempo) per i pericoli fotochimici: un risultato di irradianza misurato può essere direttamente confrontato con il primo, e un tempo di esposizione ottenuto per il secondo. Questa procedura non si applica alla misurazione della radianza, per la quale il FOV di misurazione dipende dal tempo.
Un test pass/fail viene quindi applicato ai pericoli retinici sulla base di misurazioni a FOV corrispondenti ai tempi di esposizione minimi del sistema di classificazione a turno, partendo dal gruppo di rischio esente. Se la radianza risultante supera la radianza massima ammissibile per un dato gruppo di rischio, viene testato il gruppo di rischio successivo. La valutazione dettagliata dei pericoli per la retina è piuttosto più contorta, poiché la dimensione della sorgente e il livello di stimolo visivo dovrebbero essere presi in considerazione nel determinare quali EL applicare.
Classificazione
Come delineato nella parte 1 di questa serie di articoli, viene definito un sistema di classificazione, basato sul tempo minimo di esposizione prima che la EL venga superata, che va da esente (nessun rischio) al gruppo di rischio 3 (RG3; rischio elevato). L’irraggiamento limite (radianza) di ogni gruppo di rischio può quindi essere determinato, e l’irraggiamento misurato (radianza) può essere confrontato con questi limiti.
Etichettatura
IEC62471 è intesa come una norma orizzontale, e come tale non include requisiti di produzione o di sicurezza dell’utente che possono essere richiesti come risultato di un prodotto assegnato a un particolare gruppo di rischio. Tali requisiti di sicurezza variano a seconda dell’applicazione e dovrebbero essere trattati in norme verticali, basate sul prodotto. Tuttavia, la IEC TR 62471-2 fornisce alcune ulteriori indicazioni sulla misurazione e fornisce una raccomandazione di etichettatura per ogni gruppo di rischio e pericolo (Fig. 7).
FIG. 7. Esempio di etichetta secondo IEC TR 62471-2.
Implementazione di IEC62471 in Europa
Nell’Unione Europea, il marchio CE dimostra la sicurezza del prodotto attraverso la conformità alla direttiva UE applicabile, come la direttiva sulla bassa tensione (LVD), attraverso l’applicazione delle norme europee (EN) armonizzate alla direttiva in questione. Mentre la conformità con queste norme EN non è obbligatoria, essa fornisce la presunzione di conformità con i requisiti essenziali di salute e sicurezza della direttiva considerata.
Le radiazioni ottiche sono specificamente considerate sotto i termini della LVD. Questo è applicabile ai prodotti elettrici che operano a tensioni di 50-1000V AC. L’adozione europea della IEC62471, ovvero la EN62471:2008, è armonizzata alla LVD.
Dal 1° settembre 2011, la valutazione dei LED rispetto allo standard laser (IEC60825) non consente più la presunzione di conformità ai requisiti essenziali di salute e sicurezza della LVD.
Dall’aprile 2010 è entrata in vigore la direttiva UE sulle radiazioni ottiche artificiali (AORD), 2006/25/CE. Questa adotta limiti di esposizione leggermente diversi da quelli della IEC62471. Per coerenza, la EN62471 adotta i limiti di esposizione della AORD ed è lo standard da utilizzare per valutare l’esposizione dei lavoratori a sorgenti non laser di radiazioni ottiche.
Anche rilevante per i LED è la direttiva UE sulla sicurezza dei giocattoli, alla quale è armonizzata la EN62115 “Sicurezza dei giocattoli elettrici”. Questo standard in passato ha fatto riferimento allo standard laser (EN60825) per la classificazione dei LED. È attualmente in fase di revisione, ma ci si aspetta che si faccia riferimento alla EN 62471 dove sono richieste delle misurazioni.
Infine, dove i prodotti non sono coperti dalla direttiva LVD o dalle direttive sui giocattoli, si dovrebbe anche prendere in considerazione la direttiva generale sulla sicurezza dei prodotti a cui pochi standard sono specificamente armonizzati, ma per la valutazione delle fonti di luce non laser, la EN62471 è lo standard EN rilevante.
Attuazione della IEC62471 nel ROW
Mentre molti enti di standardizzazione in tutto il mondo stanno considerando l’adozione della IEC62471, pochi hanno ancora emesso norme nazionali e tanto meno un quadro giuridico per rendere i test obbligatori. Tra le attività osservate, molte sono legate all’industria dell’illuminazione, per la quale esiste un quadro di standardizzazione ben definito e in fase di sviluppo attivo per accogliere l’illuminazione a stato solido.
A conoscenza dell’autore, la Cina è attualmente l’unica ad aver implementato formalmente uno standard volontario – GB/T 20145-2006 – mentre il Giappone dovrebbe pubblicare JIS C 7550 nel novembre 2011.
Alcuni paesi, come Australia e Nuova Zelanda, stanno lavorando all’adozione della IEC62471 come standard volontario. Un altro gruppo (ad esempio Hong Kong, Repubblica di Corea) si accontenta attualmente di fare riferimento alla IEC62471 su base volontaria, mentre altri (ad esempio il Canada) sono nella fase di considerare l’attuazione e i potenziali regolamenti.
Infine, negli Stati Uniti, dove ANSI RP27.1 esiste come standard volontario, attualmente non esiste un requisito obbligatorio per la valutazione delle fonti non laser. Tuttavia, a seguito di una riunione nell’agosto 2011 del pannello tecnico degli standard di UL/ANSI 8750 “Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products”, è stato formato un gruppo di lavoro per considerare l’implementazione di standard di sicurezza fotobiologica per quei prodotti di illuminazione coperti da questo standard UL.
La parte 3 di questa serie di articoli discuterà l’implementazione della IEC62471 ai dispositivi LED di oggi e il suo potenziale sviluppo futuro. Inoltre, sarà dimostrato che la IEC62471 non rimane sconosciuta al mondo, principalmente attraverso l’implementazione della IECEE CB internazionale e numerosi altri schemi di certificazione.
I prodotti a LED devono soddisfare gli standard di sicurezza fotobiologica: parte 1
I prodotti a LED devono soddisfare gli standard di sicurezza fotobiologica: parte 3
L’allegato IEA 4E SSL si pronuncia sull’impatto dei LED su salute e ambiente
Potenziale per SSL di avere un impatto positivo su salute e benessere, ma la scienza è in ritardo