+++++
Tämä artikkeli julkaistiin LEDs Magazinen marras-joulukuun 2011 numerossa.
+++++
Tämän kolmiosaisen sarjan ensimmäisessä osassa esiteltiin yleiskatsaus optiselle säteilylle altistumisesta ihmiskeholle aiheutuviin mahdollisiin vaaroihin ja kansainvälisten standardien kehittämiseen muiden kuin laserlähteiden fotobiologisen turvallisuuden arvioimiseksi. Tässä osassa sovelletaan käytännönläheisempää lähestymistapaa tarkasteltaessa lähteiden arvioinnin tarkempia yksityiskohtia ja turvallisuusstandardien täytäntöönpanoa Euroopassa ja muualla maailmassa.
IEC62471:2006:n soveltamisala
Standardi IEC62471:2006 ”Lamppujen ja lamppujärjestelmien fotobiologinen turvallisuus” antaa ohjeita kaikkien sähkökäyttöisten, muiden kuin lasersäteilyn optisen säteilyn lähteiden, jotka lähettävät optista säteilyä 200-3000 nm:n spektrialueella, valon emittoiminen on tuotteen ensisijainen käyttötarkoitus, fotobiologista turvallisuutta varten. LEDien sisällyttäminen tämän standardin soveltamisalaan mainitaan nimenomaisesti, jotta voidaan korostaa LEDien poistamista laserstandardin IEC60825 soveltamisalasta.
Iholle, silmän etupinnoille (sarveiskalvo, sidekalvo ja linssi) ja verkkokalvolle altistumisen mahdollisia vaaroja arvioidaan tarkastelemalla kuutta erityistä vaaraa suhteessa altistumisen raja-arvoihin, jotka on annettu kahdeksan tunnin altistumiselle arkipäivänä. Standardissa ei oteta huomioon pitkäaikaisen altistumisen eikä epänormaalin valoherkkyyden mahdollisia vaikutuksia.
Iholle ja silmän etupinnoille aiheutuvien vaarojen osalta riittää, että otetaan huomioon kyseiselle pinnalle osuvan valon määrä. Verkkokalvolle aiheutuvia vaaroja tarkasteltaessa on kuitenkin otettava huomioon silmän kuvantamisominaisuudet. Tästä seuraa, että tarvitaan kaksi erillistä mittausta: irradianssi ja radianssi.
TAULUKKO 1. Eri vaaratilanteet edellyttävät joko irradianssin tai radianssin mittaamista. (Risti = Vaadittava painotusfunktio.)
Standardissa annetaan erityisohjeita geometrisista olosuhteista, joissa nämä mittaukset olisi tehtävä, jotta voidaan ottaa huomioon biofysikaaliset ilmiöt, kuten silmien liikkeiden vaikutus verkkokalvon säteilytykseen. Spektrialue, jolla säteilyä olisi tarkasteltava, on supistettu 300-1400 nm:iin, koska verkkokalvo on periaatteessa suojattu tämän alueen ulkopuolella linssin läpäisyominaisuuksien vuoksi. Taulukossa 1 esitetään eri vaaratekijöiden edellyttämä mittaus (säteilysäde tai irradianssi).
Irradianssin mittaaminen
Irradianssin avulla voidaan arvioida iholle ja silmän etupinnoille aiheutuvia vaaroja. Säteilyteho määritellään pinnan johonkin elementtiin kohdistuvan säteilytehon (dF) suhteena kyseisen elementin pinta-alaan (dA) (kuva 1). Sen symboli on E, ja sen yksiköt ovat W/m2.
Säteilyteho ottaa huomioon valon, joka saapuu pinnalle koko yläpuoliselta puoliskolta. Silmä on kuitenkin suojassa laajakulmasäteilyltä sen sijainnin vuoksi silmäsiltaan ja nenään nähden. Tämän standardin soveltamisalalla irradianssin mittaus suoritetaan kaikissa muissa paitsi lämpöihovaaran tapauksessa 1,4 radiaanin hyväksymiskulmalla. Tämän hyväksymiskulman ulkopuolella olevasta lähteestä peräisin olevaa valoa ei tarvitse mitata.
Säteilytehoa mitattaessa mittausoptiikalla, tyypillisesti diffuusorilla tai integroivalla pallolla, olisi oltava kosinuskulmavaste, jotta akselin ulkopuoliset vaikutukset voidaan ottaa oikein huomioon. Tietyssä kulmassa pinnan normaaliin nähden pinnalle projisoitu pinta-ala kasvaa kyseisen kulman kosinuksella, mikä johtaa pienempään irradianssiin.
Lähteen irradianssin tunteminen ei kuitenkaan anna tietoa silmän yhdistämästä ja verkkokalvolla kuvatusta valon määrästä, jota varten tarvitaan säteilysuureen mittaus.
Säteilysuureen mittaus
Säteilysuureen avulla on mahdollista arvioida verkkokalvoon kohdistuvia vaaroja. Säteilyteho määritellään pinta-alasta dA avaruuskulmaan dΩ kulmassa q lähteen normaaliin nähden säteilevän säteilytehon (dF) suhteena avaruuskulman dΩ ja projisoidun pinta-alan dA∙cos q tuloon (kuva 2). Symboli on L ja yksiköt ovat W/m2sr.
KUVA 2. Säteilytehon määritelmä. Radianssin määritelmä.
Lähdettä tarkasteltaessa silmä kerää valoa tietyn, pupillin halkaisijan määrittämän avaruuskulman sisällä ja heijastaa lähteen kuvan verkkokalvolle. Kun pupilli laajenee (tai supistuu) lähteen visuaalisen ärsykkeen eli luminanssin tason mukaan, kuvan verkkokalvon irradianssi kasvaa (tai pienenee).
Säteilytehon säilymislaki sanoo, että passiiviset optiset järjestelmät, kuten silmän linssi, eivät voi lisätä säteilytehoa. Verkkokalvon irradianssi määritetään sen vuoksi lähteen irradianssista ja pupillin (halkaisija 2-7 mm) verkkokalvolla (17 mm:n etäisyydellä) jättämästä avaruuskulmasta päinvastoin kuin säteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilysäteilyssä. Molemmissa tapauksissa mittaus suoritetaan tietyssä näkökentässä (FOV) tai kiinteässä hyväksymiskulmassa (jota usein kuvataan tasokulmalla q), joka määrittää mitattavan lähteen alueen.
Kuvantamistekniikka (kuva 3) jäljittelee silmän kuvantamista. Kaukoputki kuvaa tutkittavaa lähdettä tasolle, johon voidaan sijoittaa halkaisijaltaan vaihtelevia aukkoja halutun mittausalueen (FOV) valitsemiseksi.
KUVA 3. Säteilytehon mittaus. Radianssin mittaus: kuvantamistekniikka.
Vaihtoehtoisesti voidaan suorittaa irradianssin mittaus kosiinikorjatulla tulo-optiikalla (kuva 4). Aukko sijoitetaan suoraan lähteen kohdalle mittauksen FOV:n määrittelemiseksi. Radianssi lasketaan irradianssin ja FOV:n avaruuskulman suhteesta steradiaaneina.
Fysiologinen radianssi
Hetkellisessä tarkastelussa lähteen verkkokalvokuvaan kohdistuu sama kulma kuin lähteeseen. IEC62471:n mukaan pienimmän verkkokalvolle muodostuvan kuvan kulma-ala on 1,7 mrad, kun otetaan huomioon silmän epätäydellinen kuvauskyky.
KUVA 4. Radianssin mittaus: epäsuora tekniikka.
Valotusajan kasvaessa silmän liikkeiden (sakkadien) ja tehtävän määrittämän liikkeen vuoksi verkkokalvon kuva hämärtyy suuremmalle verkkokalvon alueelle, mikä johtaa vastaavaan verkkokalvon irradianssin vähenemiseen. Määritellään ajasta riippuvainen funktio, joka edustaa verkkokalvon kuvan leviämistä välillä 1,7-100 mrad. Tämä kattaa vaihteluvälin 0,25 s:sta (vastenmielisyysvasteaika) 10 000 s:n altistukseen.
Fotobiologisen turvallisuuden yhteydessä säteilysäteilyn mittaus suoritetaan tavalla, joka kuvastaa tätä ilmiötä, eli mittauksen FOV valitaan siten, että se ottaa huomioon verkkokalvon tietylle alueelle osuvan valon. Mittauksen FOV noudattaa näin ollen samaa aikariippuvuutta 1,7-100 mrad riippumatta mitattavan lähteen koosta.
Mitattua suuruutta kutsutaan tarkemmin fysiologiseksi säteilytehokkuudeksi verrattuna todelliseen säteilytehokkuuteen, joka määritelmän mukaan ottaa näytteen vain lähteen säteilevältä alueelta (kuva 5). Kun fysiologinen radianssi mitataan FOV-alueella, joka on suurempi kuin lähteen kattama kulma, tuloksena saatava radianssi on todellisen lähteen radianssin ja tumman taustan keskiarvo. Lisäksi, koska lähteen kulmasubtetenssi vaihtelee etäisyyden mukaan, fysiologinen radianssi, toisin kuin todellinen radianssi, on mittausetäisyyden funktio.
KUVA 5. Fysiologinen radianssi, toisin kuin todellinen radianssi, on mittausetäisyyden funktio.
. Kussakin kuvaparissa punaiset ympyrät osoittavat todellisen (vasemmalla) ja fysiologisen (oikealla) säteilyn mittauskentät. Kussakin kuvaparissa punaiset ympyrät osoittavat todellisen (vasen) ja fysiologisen (oikea) säteilytehon mittauskentät. Nämä suureet olisi käytännössä arvioitava kullakin aallonpituudella monokromaattorilla. Näin saadaan spektraalinen irradianssi ja spektraalinen fysiologinen radianssi. Tuloksena saadut spektrit olisi tarvittaessa painotettava vaarojen painotusfunktioilla, jotta voidaan ottaa huomioon kolmen tarkasteltavan vaaran voimakas riippuvuus aallonpituudesta (kuva 6). Tulos olisi integroitava vaaditulla aallonpituusalueella ennen vertailua EL-arvoihin.
Mittausetäisyys
Etäisyys, jolla lähde olisi arvioitava, riippuu sen käyttötarkoituksesta. Tarkastellaan kahta altistumisskenaariota; yleisvalaistus (GLS) ja kaikki muut sovellukset (muut kuin GLS).
Nykymääritelmä GLS on moniselitteinen, mutta se koskee valkoista valoa säteileviä valmiita tuotteita, jotka on tarkoitettu tilojen valaisemiseen. Arviointi olisi ilmoitettava, ei välttämättä mitattava, etäisyydellä, jolla lähde tuottaa 500 luxin valaistusvoimakkuuden. Tämä etäisyys voi olla alle metri kotitalousvalaisimissa, mutta esimerkiksi katuvalaistuksessa useita metrejä.
KUVA 6. IEC62471:ssä käytetyt vaarojen painotusfunktiot.
Säteilymittaukset voidaan suorittaa sopivalta etäisyydeltä ja skaalata 500 luksiin. Fysiologinen säteilyteho, joka riippuu lähteen alimitoituksesta suhteessa sovellettavaan FOV-alueeseen, olisi kuitenkin suoritettava oikealla etäisyydellä.
500 luksia -ehdon perustelut ovat mielivaltaiset ja kiistakapula valaistusalalla, koska se ei monissa tapauksissa edusta realistista altistumisskenaariota. Tämän artikkelin seuraavassa osassa tarkastellaan, miten tätä kysymystä tällä hetkellä käsitellään.
Muut kuin GSL-lähteet olisi mitattava 200 mm:n etäisyydeltä (näennäisestä) lähteestä. Tämä etäisyys vastaa ihmissilmän lähipistettä. Lyhyemmillä etäisyyksillä kuin 200 mm verkkokalvon kuva on epätarkka, jolloin verkkokalvon irradianssi on pienempi.
Tässä yhteydessä näennäisen lähteen käsite on tärkeä. Kun ledin ulostulon kollimoimiseen käytetään linssiä, sirun taakse syntyy suurennettu virtuaalinen kuva. 200 mm:n mittausetäisyys olisi otettava suhteessa tähän näennäislähteeseen, koska silmä kuvaa sitä.
Mittaus 200 mm:n etäisyydellä voi edustaa verkkokalvon kannalta huonointa valotustilannetta. Näin ei kuitenkaan ole ihon ja silmän etupintojen kohdalla, joissa valotusetäisyys voi olla lähempänä. Tätä jälkimmäistä mahdollisuutta ei ole vielä otettu huomioon tässä standardissa, jonka ensisijainen huolenaihe on akuutti verkkokalvovaurio.
Vertailu EL-arvoihin
EL-arvot ilmoitetaan lämpövaarojen osalta säteilyvirtana tai fotokemiallisten vaarojen osalta energiana (säteilyvirta kerrottuna ajalla): mitattua säteilysäteilytehokkuuden tulosta voidaan verrata suoraan ensiksi mainittuun ja jälkimmäistä varten saadaan altistumisajan arvo. Tätä menettelyä ei sovelleta säteilysäteilyn mittaukseen, jonka osalta mittausalue on riippuvainen ajasta.
Verkkoahtaumavaaroihin sovelletaan näin ollen hyväksytty/hylätty -testiä, joka perustuu mittauksiin, jotka tehdään luokitusjärjestelmän vähimmäisaltistusaikoja vastaavilla säteilyaltistusalueilla vuorotellen luokittelusta vapautetusta riskiryhmästä alkaen. Jos saatu säteilysuure ylittää tietyn riskiryhmän suurimman sallitun säteilysuureen, testataan seuraava riskiryhmä. Verkkokalvolle aiheutuvien vaarojen yksityiskohtainen arviointi on hieman monimutkaisempaa, koska lähteen koko ja visuaalisen ärsykkeen taso olisi otettava huomioon määritettäessä sovellettavia EL-arvoja.
Luokittelu
Kuten tämän artikkelisarjan osassa 1 esitettiin, määritellään luokittelujärjestelmä, joka perustuu vähimmäisaltistusaikaan, jonka kuluessa EL-arvo ylittyy, ja joka vaihtelee vapaana olevasta säteilylähteestä (ei riskiä) riskiryhmään 3 (RG3; suuri riski). Tämän jälkeen voidaan määrittää kunkin riskiryhmän raja-arvosäteily (radianssi), ja mitattua säteilysäteilyä (radianssia) voidaan verrata näihin raja-arvoihin.
Merkintä
IEC62471 on tarkoitettu horisontaaliseksi standardiksi, eikä se sellaisenaan sisällä valmistus- tai käyttöturvallisuusvaatimuksia, joita voidaan vaatia sen seurauksena, että tuote on luokiteltu tiettyyn riskiryhmään. Tällaiset turvallisuusvaatimukset vaihtelevat sovelluksen mukaan, ja niitä olisi käsiteltävä vertikaalisissa, tuotekohtaisissa standardeissa. IEC TR 62471-2 antaa kuitenkin jonkin verran lisäohjeita mittaamisesta ja antaa suosituksen merkinnöistä kullekin vaara- ja riskiryhmälle (kuva 7).
KUVA 7. Esimerkkitarra IEC TR 62471-2:n mukaisesti.
IEC62471:n täytäntöönpano Euroopassa
Euroopan unionissa CE-merkinnällä osoitetaan tuotteen turvallisuus noudattamalla asiaankuuluvaa sovellettavaa EU-direktiiviä, kuten pienjännitedirektiiviä (LVD), soveltamalla kyseisen direktiivin kanssa yhdenmukaistettuja eurooppalaisia normeja (EN). Vaikka näiden EN-standardien noudattaminen ei ole pakollista, se antaa oletuksen siitä, että kyseisen direktiivin olennaiset terveys- ja turvallisuusvaatimukset täyttyvät.
Optista säteilyä käsitellään erityisesti pienjännitedirektiivin ehdoissa. Tätä sovelletaan sähkötuotteisiin, jotka toimivat 50-1000 V vaihtojännitteellä. IEC62471:n eurooppalainen versio eli EN62471:2008 on yhdenmukaistettu pienjännitedirektiivin kanssa.
Syyskuun 1. päivästä 2011 alkaen LEDien arviointi laserstandardin (IEC60825) mukaisesti ei enää mahdollista olettamusta siitä, että ne ovat pienjännitedirektiivin olennaisten terveys- ja turvallisuusvaatimusten mukaisia.
Huhtikuusta 2010 tuli voimaan EU:n keinotekoista optista säteilyä koskeva direktiivi 2006/25/EY (AORD). Siinä otetaan käyttöön altistumisen raja-arvot, jotka poikkeavat hieman IEC62471:n raja-arvoista. Yhdenmukaisuuden vuoksi EN62471 hyväksyy AORD:n altistumisrajat, ja se on standardi, jota käytetään arvioitaessa työntekijöiden altistumista muille kuin lasersäteilyn optisen säteilyn lähteille.
Ledien kannalta merkityksellinen on myös EU:n leluturvallisuusdirektiivi, johon on harmonisoitu EN62115 ”Sähkölelujen turvallisuus”. Tässä standardissa on aiemmin viitattu laserstandardiin (EN60825) LEDien luokittelussa. Sitä tarkistetaan parhaillaan, mutta on odotettavissa, että EN 62471:een viitataan, jos mittauksia vaaditaan.
Jos tuotteet eivät kuulu LVD- tai leludirektiivien soveltamisalaan, on otettava huomioon myös yleinen tuoteturvallisuusdirektiivi, johon on yhdenmukaistettu vain vähän standardeja, mutta muiden kuin laservalonlähteiden arvioinnissa EN 62471 on asianmukainen EN-standardi.
IEC62471:n täytäntöönpano ROW:lla
Vaikka monet standardointielimet eri puolilla maailmaa harkitsevat IEC62471:n käyttöönottoa, vain harvat ovat vielä antaneet kansallisia standardeja, saati sitten oikeudellista kehystä, joka tekisi testauksen pakolliseksi. Suuri osa havaitusta toiminnasta liittyy valaistusteollisuuteen, jota varten on olemassa ja kehitetään aktiivisesti tarkoin määritelty standardointikehys puolijohdevalaistusta varten.
Kirjoittajan tietojen mukaan Kiina on tällä hetkellä ainoa maa, joka on ottanut virallisesti käyttöön vapaaehtoisen standardin – GB/T 20145-2006 – ja Japanin odotetaan julkaisevan JIS C 7550 -standardin marraskuussa 2011.
Jotkut maat, kuten Australia ja Uusi-Seelanti, työskentelevät parhaillaan IEC62471:n hyväksymiseksi vapaaehtoisena standardina. Toiset maat (esim. Hongkong ja Korean tasavalta) tyytyvät tällä hetkellä viittaamaan IEC62471:een vapaaehtoisesti, kun taas toiset maat (esim. Kanada) pohtivat parhaillaan täytäntöönpanoa ja mahdollisia säädöksiä.
Yhdysvalloissa, jossa ANSI RP27.1 on olemassa vapaaehtoisena standardina, ei tällä hetkellä ole pakollista vaatimusta muiden kuin laserlähteiden arvioinnista. Elokuussa 2011 pidetyn UL/ANSI 8750 ”Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products” (valodiodilaitteet valaistustuotteissa käytettäväksi) -standardin standardeja käsittelevän teknisen paneelin kokouksen jälkeen on kuitenkin perustettu työryhmä, jonka tehtävänä on harkita fotobiologisten turvallisuusstandardien käyttöönottoa tämän UL-standardin piiriin kuuluville valaistustuotteille.
Tämän artikkelisarjan kolmannessa osassa käsitellään IEC62471:n soveltamista tämänhetkisiin valodiodilaitteisiin ja sen mahdollista tulevaa kehitystä. Lisäksi osoitetaan, että IEC62471 ei jää maailmalle tuntemattomaksi, pääasiassa kansainvälisen IECEE CB:n ja lukuisten muiden sertifiointijärjestelmien täytäntöönpanon kautta.
LED-pohjaisten tuotteiden on täytettävä fotobiologiset turvallisuusstandardit: osa 1
LED-pohjaisten tuotteiden on täytettävä fotobiologiset turvallisuusstandardit: osa 3
IEA:n 4E SSL-liitteen lausunto LED:ien vaikutuksesta terveyteen ja ympäristöön
Potentiaalia on olemassa SSL:ien kannalta, että ne voivat vaikuttaa myönteisesti terveyteen ja hyvinvointiin, mutta tiede laahaa jäljessä
.