+++++
Dit artikel is gepubliceerd in het november/december 2011 nummer van LEDs Magazine.
+++++
Het eerste deel van deze driedelige serie gaf een overzicht van de potentiële gevaren voor het menselijk lichaam van blootstelling aan optische straling, en de ontwikkeling van internationale normen om de fotobiologische veiligheid van niet-laserbronnen te evalueren. Hier wordt een meer praktische aanpak gevolgd, waarbij de fijnere details van de bronbeoordeling en de toepassing van veiligheidsnormen in Europa en de rest van de wereld worden bekeken.
Toepassingsgebied van IEC62471:2006
De norm IEC62471:2006 “Fotobiologische veiligheid van lampen en lampsystemen” biedt richtsnoeren voor de beoordeling van de fotobiologische veiligheid van alle elektrisch aangedreven, niet-laserbronnen van optische straling die in het spectrale bereik 200-3000 nm uitzenden, ongeacht of de emissie van licht al dan niet het hoofddoel van het product is. De opname van leds in het toepassingsgebied van deze norm wordt specifiek vermeld om de verwijdering van leds uit het toepassingsgebied van de lasernorm, IEC60825, te benadrukken.
De potentiële gevaren van blootstelling aan de huid, de voorste oogoppervlakken (hoornvlies, bindvlies en lens) en het netvlies worden geëvalueerd door zes specifieke gevaren in overweging te nemen met betrekking tot blootstellingsgrenzen (EL’s) die worden gegeven voor een blootstellingsduur van acht uur, genomen als een werkdag. In de norm wordt geen rekening gehouden met de mogelijke gevolgen van langdurige blootstelling, noch met abnormale lichtgevoeligheid.
In het geval van gevaren voor de huid en de voorzijde van het oog is het voldoende rekening te houden met de hoeveelheid licht die op het desbetreffende oppervlak valt. Bij gevaren voor het netvlies moet echter rekening worden gehouden met de beeldvormende eigenschappen van het oog. Hieruit volgt dat er twee verschillende metingen nodig zijn: irradiantie en radiantie.
TABEL 1. Verschillende gevaren vereisen de meting van hetzij bestralingssterkte hetzij radiantie. (Kruis = wegingsfunctie vereist.)
De norm geeft specifieke aanwijzingen voor de geometrische omstandigheden waaronder deze metingen moeten worden verricht om rekening te houden met biofysische verschijnselen, zoals het effect van oogbewegingen op netvliesbestraling. Het spectrale bereik waarover de radiantie moet worden beschouwd is beperkt tot 300-1400 nm, aangezien het netvlies buiten dit bereik in wezen beschermd is door de transmissie-eigenschappen van de lens. Tabel 1 geeft de vereiste meting (radiantie of bestralingssterkte) voor verschillende gevaren.
Meting van de bestralingssterkte
Met behulp van de bestralingssterkte kunnen de gevaren voor de huid en de voorzijde van het oog worden geëvalueerd. De bestralingssterkte wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het stralingsvermogen (dF) dat op een element van een oppervlak valt, en de oppervlakte (dA) van dat element (fig. 1). Het symbool is E en de eenheden zijn W/m2.
Iradiantie houdt rekening met het licht dat van het hele halfrond boven op een oppervlak valt. Door zijn positie ten opzichte van de brug en de neus wordt het oog echter afgeschermd tegen breedhoekstraling. Binnen het toepassingsgebied van deze norm wordt de meting van de bestralingssterkte in alle gevallen, behalve in het geval van het thermische gevaar van de huid, uitgevoerd over een acceptatiehoek van 1,4 radiaal. Licht afkomstig van een bron buiten deze aanvaardingshoek behoeft niet te worden gemeten.
Bij het meten van de bestralingssterkte moet de meetoptiek, meestal een diffusor of een bol van Ulbricht, een cosinus-hoekresponsie hebben om op correcte wijze rekening te houden met bijdragen buiten de as. Onder een bepaalde hoek ten opzichte van de oppervlaktenormaal wordt het geprojecteerde oppervlak op het oppervlak vergroot met de cosinus van de genoemde hoek, hetgeen resulteert in een verminderde bestralingssterkte.
De kennis van de bestralingssterkte van de bron geeft echter geen informatie over de hoeveelheid licht die door het oog wordt opgevangen en op het netvlies wordt afgebeeld, waarvoor een meting van de radiantie is vereist.
Meting van radiantie
Radiantie maakt het mogelijk de gevaren voor het netvlies te evalueren. Stralingssterkte wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het stralingsvermogen (dF) dat wordt uitgezonden door een oppervlak dA in een ruimtehoek dΩ onder een hoek q met de bronnormaal, en het product van de ruimtehoek dΩ en het geprojecteerde oppervlak dA∙cos q (fig. 2). Het symbool is L en de eenheden zijn W/m2sr.
FIG. 2. Definitie van radiantie.
Bij het bekijken van een bron vangt het oog licht op binnen een bepaalde ruimtehoek, die wordt bepaald door de diameter van de pupil, en projecteert het een beeld van de bron op het netvlies. Naarmate de pupil verwijdt (of samentrekt) naar gelang van het niveau van de visuele prikkel, of luminantie, van de bron, neemt de retinale bestralingssterkte van het beeld toe (of af).
De wet van behoud van radiantie stelt dat de radiantie niet kan worden verhoogd door passieve optische systemen zoals de ooglens. De retinale radiantie wordt daarom bepaald uit de bronradiantie en de ruimtehoek onder de pupil (diameter 2-7 mm) ter hoogte van het netvlies (op 17 mm afstand), op de omgekeerde wijze van de bepaling van radiantie uit radiantie, die hieronder wordt gegeven.
Radiantie kan op twee manieren worden gemeten, hetzij met een beeldvormingstechniek, hetzij indirect door een meting van de radiantie. In beide gevallen wordt de meting verricht in een specifiek gezichtsveld (FOV) of een vaste opnamehoek (vaak beschreven door een vlakke hoek, q) die het gebied van de gemeten bron definieert.
De beeldvormingstechniek (fig. 3) bootst de beeldvorming van het oog na. Met een telescoop wordt de te meten bron afgebeeld op een vlak waarop openingen van verschillende diameter kunnen worden geplaatst om het vereiste meetveld te kiezen.
FIG. 3. Meting van radiantie: beeldvormingstechniek.
Aternatief kan een meting van de radiantie met een cosinusgecorrigeerde ingangsoptiek worden uitgevoerd (fig. 4). Een diafragma wordt direct bij de bron geplaatst om het meetgebied te bepalen. De radiantie wordt berekend uit de verhouding van de bestralingssterkte tot de ruimtehoek van het gezichtsveld in steradialen.
Fysiologische radiantie
Bij kortstondige waarneming maakt het netvliesbeeld van een bron dezelfde hoek als die van de bron. Het kleinste beeld dat volgens IEC62471 op het netvlies wordt gevormd, heeft een hoekomvang van 1,7 mrad, gezien de onvolmaakte beeldvorming van het oog.
FIG. 4. Meting van de radiantie: indirecte techniek.
Met toenemende belichtingstijd, als gevolg van oogbewegingen (saccades) en taakgestuurde bewegingen, wordt het netvliesbeeld uitgesmeerd over een groter gebied van het netvlies, hetgeen resulteert in een overeenkomstige vermindering van de retinale radiantie. Een tijdsafhankelijke functie wordt gedefinieerd om de verspreiding van het netvliesbeeld in het bereik van 1,7 tot 100 mrad weer te geven. Dit bestrijkt het bereik van 0,25s (aversieresponstijd) tot 10.000s blootstelling.
In de context van de fotobiologische veiligheid wordt de meting van de radiantie uitgevoerd op een wijze die dit verschijnsel weerspiegelt, d.w.z. dat het meetgebied zo wordt gekozen dat rekening wordt gehouden met het licht dat binnen een bepaald gebied van het netvlies valt. Het meetbereik volgt derhalve dezelfde tijdsafhankelijkheid, van 1,7 tot 100 mrad, ongeacht de grootte van de gemeten bron.
De gemeten grootheid wordt nauwkeuriger fysiologische radiantie genoemd, in tegenstelling tot de ware radiantie, die per definitie alleen het emitterende gebied van de bron bemonstert (fig. 5). Wanneer de fysiologische radiantie wordt gemeten in een groter gezichtsveld dan de hoek die door de bron wordt onderspannen, is de resulterende radiantie een gemiddelde van de ware bronradiantie en de donkere achtergrond. Aangezien bovendien de hoeksubtense van een bron met de afstand varieert, is de fysiologische radiantie, in tegenstelling tot de ware radiantie, een functie van de meetafstand.
FIG. 5. In elk beeldenpaar tonen de rode cirkels de meetvelden voor ware (links) en fysiologische (rechts) radiantie. Voor de meting van de ware radiantie omvat de cirkel alleen het lichtuitstralende gebied, terwijl de fysiologische radiantie een gemiddelde is van de ware bronradiantie en de donkere achtergrond.
Spectrale invloed
In het bovenstaande werd verwezen naar radiantie en fysiologische radiantie zonder rekening te houden met het spectrum van de bron, dat duidelijk zeer belangrijk is in het kader van deze norm. Deze grootheden moeten in de praktijk bij elke golflengte met een monochromator worden geëvalueerd. Dit levert spectrale bestralingssterkte en spectrale fysiologische radiantie op. De resulterende spectra moeten waar nodig worden gewogen met behulp van risicowegingsfuncties om rekening te houden met de sterke golflengteafhankelijkheid van drie van de betrokken gevaren (fig. 6). Het resultaat moet over het vereiste golflengtebereik worden geïntegreerd alvorens met EL’s te worden vergeleken.
Meetafstand
De afstand waarop een bron moet worden beoordeeld, hangt af van de beoogde toepassing ervan. Er worden twee blootstellingsscenario’s in aanmerking genomen: algemene verlichting (GLS) en alle andere toepassingen (niet-GLS).
De huidige definitie van GLS is dubbelzinnig, maar heeft betrekking op eindproducten die wit licht uitstralen en bedoeld zijn voor het verlichten van ruimten. De evaluatie moet worden gerapporteerd, niet noodzakelijkerwijs gemeten, op een afstand waarop de bron een verlichtingssterkte van 500 lux produceert. Deze afstand kan minder dan een meter zijn voor armaturen voor huishoudelijk gebruik, maar vele meters voor bijvoorbeeld straatverlichting.
FIG. 6. Gevarenwegingsfuncties gebruikt door IEC62471.
Irradiantiemetingen kunnen worden uitgevoerd op een geschikte afstand en geschaald worden naar 500 lux. De fysiologische radiantie, die afhangt van de subtense van de bron ten opzichte van het toepasselijke FOV, moet echter op de juiste afstand worden uitgevoerd.
De beweegreden voor de 500-luxconditie is arbitrair en een twistpunt binnen de verlichtingsindustrie, aangezien dit in veel gevallen geen realistisch blootstellingsscenario vertegenwoordigt. In het volgende deel van dit artikel zullen wij nagaan hoe deze kwestie momenteel wordt aangepakt.
Niet-GLS bronnen moeten worden gemeten op een afstand van 200 mm van de (schijnbare) bron. Deze afstand komt overeen met het nabijheidspunt van het menselijk oog. Op kortere afstanden dan 200 mm is het netvliesbeeld onscherp, hetgeen resulteert in een lagere netvliesstraling.
Hierbij is het begrip schijnbare bron van belang. Wanneer een lens wordt gebruikt om de output van een LED te collimeren, wordt achter de chip een vergroot virtueel beeld geproduceerd. De meetafstand van 200 mm moet worden genomen ten opzichte van deze schijnbare bron, aangezien het oog deze bron ziet.
De meting bij 200 mm kan een slechtst denkbare belichtingstoestand voor het netvlies vertegenwoordigen. Dit is echter niet het geval voor de huid en de voorzijde van het oog, waar de belichtingsafstand kleiner kan zijn. Met deze laatste mogelijkheid is in deze norm nog geen rekening gehouden, omdat het in de eerste plaats gaat om acute schade aan het netvlies.
Vergelijking met EL’s
EL’s worden gegeven in termen van stralingsflux voor thermische gevaren of energie (stralingsflux vermenigvuldigd met tijd) voor fotochemische gevaren: een gemeten stralingsresultaat kan rechtstreeks worden vergeleken met de eerstgenoemde, en een blootstellingstijd kan worden verkregen voor de laatstgenoemde. Deze procedure is niet van toepassing op de meting van radiantie, waarvoor het meetveld tijdafhankelijk is.
Daarom wordt voor de netvliesgevaren een goedkeurings/afkeuringsproef uitgevoerd op basis van metingen bij een meetveld dat overeenkomt met de minimale blootstellingstijden van het classificatiesysteem, te beginnen met de vrijgestelde risicogroep. Wanneer de resulterende radiantie groter is dan de maximaal toelaatbare radiantie voor een bepaalde risicogroep, wordt de volgende risicogroep getest. De gedetailleerde evaluatie van de gevaren voor het netvlies is iets ingewikkelder, aangezien bij de bepaling van de toe te passen EL’s rekening moet worden gehouden met de grootte van de bron en het niveau van de visuele prikkel.
Indeling
Zoals uiteengezet in deel 1 van deze artikelenreeks wordt een classificatiesysteem gedefinieerd, gebaseerd op de minimale blootstellingstijd voordat de EL wordt overschreden, gaande van vrijgesteld (geen risico) tot risicogroep 3 (RG3; hoog risico). De grensstralingssterkte (radiantie) van elke risicogroep kan dan worden bepaald, en de gemeten bestralingssterkte (radiantie) kan met deze grenswaarden worden vergeleken.
Etikettering
IEC62471 is bedoeld als een horizontale norm, en bevat als zodanig geen vereisten inzake fabricage of veiligheid voor de gebruiker die kunnen worden vereist als gevolg van het feit dat een product in een bepaalde risicogroep is ingedeeld. Dergelijke veiligheidseisen variëren naar gelang van de toepassing, en moeten worden behandeld in verticale, productgebaseerde normen. IEC TR 62471-2 biedt echter wel enige verdere aanwijzingen voor het meten en geeft een aanbeveling voor etikettering voor elke gevaren- en risicogroep (fig. 7).
FIG. 7. Voorbeeldetiket volgens IEC TR 62471-2.
Implementatie van IEC62471 in Europa
In de Europese Unie toont de CE-markering de veiligheid van een product aan door overeenstemming met de relevante toepasselijke EU-richtlijn, zoals de laagspanningsrichtlijn (LVD), door toepassing van Europese Norme (EN) normen die zijn geharmoniseerd met de betreffende richtlijn. Hoewel de naleving van deze EN-normen niet verplicht is, vormt zij wel een vermoeden van overeenstemming met de essentiële gezondheids- en veiligheidseisen van de richtlijn in kwestie.
Optische straling valt specifiek onder de bepalingen van de Laagspanningsrichtlijn. Deze is van toepassing op elektrische producten die werken bij een spanning van 50-1000 V wisselstroom. De Europese adoptie van IEC62471, namelijk EN62471:2008, is geharmoniseerd met de LVD.
Vanaf 1 september 2011 laat de evaluatie van LED’s tegen de lasernorm (IEC60825) niet langer een vermoeden van overeenstemming met de essentiële gezondheids- en veiligheidseisen van de LVD toe.
Vanaf april 2010 is de EU-richtlijn kunstmatige optische straling (AORD), 2006/25/EG, in werking getreden. Hierin worden blootstellingslimieten vastgesteld die enigszins afwijken van die van IEC62471. Ter wille van de consistentie neemt EN62471 de blootstellingslimieten van de AORD over en is dit de norm die moet worden gebruikt om de blootstelling van werknemers aan niet-laserbronnen van optische straling te evalueren.
Ook relevant voor LED’s is de EU-richtlijn inzake de veiligheid van speelgoed, waaraan EN62115 “Veiligheid van elektrisch speelgoed” is geharmoniseerd. Deze norm heeft in het verleden verwezen naar de lasernorm (EN60825) voor de classificatie van LEDs. Deze norm wordt momenteel herzien, maar verwacht wordt dat naar EN 62471 zal worden verwezen wanneer metingen zijn vereist.
Ten slotte moet, wanneer producten niet onder de LVD- of speelgoedrichtlijnen vallen, ook rekening worden gehouden met de algemene productveiligheidsrichtlijn, waaraan weinig normen specifiek zijn geharmoniseerd, maar voor de beoordeling van niet-laserlichtbronnen is EN62471 de relevante EN-norm.
Implementatie van IEC62471 in ROW
Weliswaar overwegen vele normalisatie-instellingen in de wereld om IEC62471 over te nemen, maar er zijn er nog maar weinig die nationale normen hebben uitgevaardigd, laat staan een wettelijk kader hebben geschapen om het testen verplicht te stellen. Van de waargenomen activiteit heeft veel betrekking op de verlichtingsindustrie, waarvoor een goed gedefinieerd normalisatiekader bestaat en actief wordt ontwikkeld om solid-state lighting mogelijk te maken.
Voor zover de auteur weet, is China momenteel de enige die formeel een vrijwillige norm heeft geïmplementeerd – GB/T 20145-2006 – terwijl Japan naar verwachting in november 2011 JIS C 7550 zal publiceren.
Enkele landen, zoals Australië en Nieuw-Zeeland, werken momenteel aan de goedkeuring van IEC62471 als vrijwillige norm. Een andere groep (bv. Hongkong, de Republiek Korea) stelt zich momenteel tevreden met een verwijzing naar IEC62471 op vrijwillige basis, terwijl andere (bv. Canada) zich in het stadium van de implementatie en mogelijke regelgeving bevinden.
Ten slotte is er in de VS, waar ANSI RP27.1 als vrijwillige norm bestaat, momenteel geen verplicht voorschrift voor de evaluatie van niet-laserbronnen. Na een vergadering in augustus 2011 van het normentechnische panel van UL/ANSI 8750 “Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products,” is echter een taakgroep gevormd om de implementatie van fotobiologische veiligheidsnormen te overwegen voor de verlichtingsproducten die onder deze UL-norm vallen.
Deel 3 van deze serie artikelen zal ingaan op de implementatie van IEC62471 op de LED-apparaten van vandaag, en de mogelijke toekomstige ontwikkeling ervan. Ook zal worden aangetoond dat IEC62471 niet onbekend blijft in de wereld, voornamelijk door de uitvoering van de internationale IECEE CB en tal van andere certificatieschema’s.
Gebaseerde producten op basis van leds moeten voldoen aan fotobiologische veiligheidsnormen: deel 1
Gebaseerde producten op basis van leds moeten voldoen aan fotobiologische veiligheidsnormen: deel 3
IEA 4E SSL-bijlage geeft mening over effect leds op gezondheid en milieu
Potentieel bestaat voor SSL om gezondheid en welzijn positief te beïnvloeden, maar wetenschap loopt achter