+++++
Ten artykuł został opublikowany w wydaniu listopad/grudzień 2011 magazynu LEDs Magazine.
+++++
Część pierwsza tej trzyczęściowej serii zawierała przegląd potencjalnych zagrożeń dla organizmu ludzkiego wynikających z ekspozycji na promieniowanie optyczne oraz rozwój międzynarodowych standardów oceny bezpieczeństwa fotobiologicznego źródeł nielaserowych. Tutaj przyjęto bardziej praktyczne podejście, rozważając drobniejsze szczegóły oceny źródeł i wdrażania norm bezpieczeństwa w Europie i reszcie świata.
Zakres normy IEC62471:2006
Norma IEC62471:2006 „Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych” zawiera wytyczne do oceny bezpieczeństwa fotobiologicznego wszystkich zasilanych elektrycznie, nielaserowych źródeł promieniowania optycznego emitujących w zakresie spektralnym 200-3000 nm, niezależnie od tego, czy emisja światła jest głównym celem produktu. Włączenie diod LED w zakres tej normy jest specjalnie wymienione, aby podkreślić usunięcie diod LED z zakresu normy dotyczącej laserów, IEC60825.
Potencjalne zagrożenia związane z narażeniem skóry, przednich powierzchni oka (rogówki, spojówki i soczewki) oraz siatkówki są oceniane poprzez rozważenie sześciu specyficznych zagrożeń w odniesieniu do limitów ekspozycji (EL) przewidzianych dla czasu trwania ekspozycji wynoszącego osiem godzin, przyjmowanego jako dzień roboczy. Norma nie uwzględnia potencjalnych skutków długotrwałego narażenia ani nieprawidłowej fotowrażliwości.
W przypadku zagrożeń dla skóry i przednich powierzchni oka wystarczy wziąć pod uwagę ilość światła padającego na daną powierzchnię. Jednakże, aby rozważyć zagrożenia dla siatkówki, należy wziąć pod uwagę właściwości obrazowania oka. Wynika z tego, że wymagane są dwa odrębne pomiary: natężenia napromienienia i natężenia promieniowania.
Tabela 1. Różne zagrożenia wymagają pomiaru natężenia napromienienia lub natężenia promieniowania. (Krzyżyk = wymagana funkcja wagowa.)
Norma zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące warunków geometrycznych, w jakich powinny być wykonywane te pomiary, aby uwzględnić zjawiska biofizyczne, takie jak wpływ ruchów gałek ocznych na napromieniowanie siatkówki. Zakres spektralny, w którym należy brać pod uwagę natężenie promieniowania, został ograniczony do 300-1400 nm, ponieważ siatkówka jest zasadniczo chroniona poza tym zakresem ze względu na charakterystykę transmisji soczewki. Tabela 1 wskazuje wymagany pomiar (natężenie promieniowania lub napromieniowanie) dla różnych zagrożeń.
Pomiar natężenia napromieniowania
Promieniowanie umożliwia ocenę zagrożeń dla skóry i przednich powierzchni oka. Natężenie napromienienia definiuje się jako stosunek mocy promieniowania (dF) padającego na element powierzchni do powierzchni (dA) tego elementu (rys. 1). Jego symbolem jest E, a jednostką W/m2.
Irradiancja uwzględnia światło docierające do powierzchni z całej półkuli powyżej. Jednak ze względu na swoje położenie względem mostka i nosa, oko jest osłonięte przed promieniowaniem szerokokątnym. W zakresie niniejszej normy pomiar natężenia napromienienia we wszystkich przypadkach z wyjątkiem zagrożenia termicznego skóry wykonywany jest dla kąta akceptacji 1,4 radiana. Światło emitowane ze źródła znajdującego się poza tym kątem akceptacji nie musi być mierzone.
Przy pomiarze natężenia napromienienia, optyka pomiarowa, zazwyczaj dyfuzor lub sfera całkująca, powinna mieć kosinusową odpowiedź kątową, aby prawidłowo uwzględnić wkłady pozaosiowe. Przy danym kącie od normalnej powierzchni, powierzchnia rzutowana na powierzchnię jest zwiększona o cosinus wspomnianego kąta, co skutkuje zmniejszeniem natężenia napromienienia.
Znajomość natężenia napromienienia źródła nie daje jednak żadnych informacji o ilości światła sprzężonego przez oko i obrazowanego na siatkówce, do czego wymagany jest pomiar natężenia napromienienia.
Pomiar natężenia napromienienia
Promieniowanie pozwala na ocenę zagrożeń dla siatkówki. Natężenie promieniowania definiuje się jako stosunek mocy promieniowania (dF) emitowanego przez powierzchnię dA w kąt bryłowy dΩ pod kątem q do normalnej źródła, do iloczynu kąta bryłowego dΩ i powierzchni rzutowanej dA∙cos q (Rys. 2). Symbolem jest L, a jednostkami W/m2sr.
FIG. 2. Definition of radiance.
Podczas oglądania źródła, oko zbiera światło w obrębie danego kąta bryłowego wyznaczonego przez średnicę źrenicy i rzutuje obraz źródła na siatkówkę. Ponieważ źrenica rozszerza się (lub kurczy) w zależności od poziomu bodźca wzrokowego, czyli luminancji źródła, zwiększa się (lub zmniejsza) natężenie napromieniowania siatkówki obrazem.
Prawo zachowania natężenia promieniowania stwierdza, że natężenie promieniowania nie może być zwiększone przez pasywne układy optyczne, takie jak soczewka oka. Natężenie promieniowania siatkówki jest zatem określane na podstawie natężenia promieniowania źródła i kąta bryłowego odejmowanego przez źrenicę (o średnicy 2-7 mm) na siatkówce (odległej o 17 mm) w sposób odwrotny do określania natężenia promieniowania na podstawie natężenia promieniowania, podanego poniżej.
Promieniowanie może być mierzone na dwa sposoby, albo za pomocą techniki obrazowania, albo pośrednio poprzez pomiar natężenia promieniowania. W obu przypadkach pomiar jest wykonywany w określonym polu widzenia (FOV) lub stałym kącie akceptacji (często opisywanym przez kąt płaski, q), który definiuje obszar mierzonego źródła.
Technika obrazowania (Rys. 3) odwzorowuje obrazowanie oka. Teleskop odwzorowuje badane źródło na płaszczyznę, na której mogą być umieszczone przysłony o różnej średnicy, aby wybrać wymagany FOV pomiaru.
FIG. 3. Pomiar natężenia promieniowania: technika obrazowania.
Alternatywnie można wykonać pomiar natężenia napromienienia z wejściowym układem optycznym z korekcją kosinusową (Rys. 4). Bezpośrednio przy źródle umieszcza się aperturę w celu zdefiniowania pola widzenia pomiaru. Natężenie promieniowania jest obliczane na podstawie stosunku natężenia promieniowania do kąta bryłowego FOV w steradianach.
Natężenie promieniowania fizjologicznego
W przypadku chwilowego oglądania, obraz siatkówkowy źródła odejmuje ten sam kąt co źródło. Najmniejszy obraz utworzony na siatkówce, zgodnie z IEC62471, ma zakres kątowy 1,7 mrad, biorąc pod uwagę niedoskonałą wydajność obrazowania oka.
FIG. 4. Pomiar natężenia promieniowania: technika pośrednia.
Wraz ze wzrostem czasu ekspozycji, z powodu ruchu oka (sakkady) i ruchu zdeterminowanego zadaniem, obraz siatkówki jest rozmazany na większym obszarze siatkówki, co powoduje odpowiednie zmniejszenie natężenia promieniowania siatkówki. Definiuje się funkcję zależną od czasu, reprezentującą rozmycie obrazu siatkówki w zakresie od 1,7 do 100 mrad. Obejmuje to zakres od 0,25s (czas reakcji na awersję) do 10 000s ekspozycji.
W kontekście bezpieczeństwa fotobiologicznego, pomiar natężenia promieniowania jest wykonywany w sposób odzwierciedlający to zjawisko, tzn. pole widzenia pomiaru jest tak dobrane, aby uwzględnić światło padające na dany obszar siatkówki. FOV pomiaru jest zatem zgodny z tą samą zależnością czasową, od 1,7 do 100 mrad, niezależnie od wielkości mierzonego źródła.
Mierzona wielkość jest dokładniej określana jako fizjologiczna radiancja w przeciwieństwie do prawdziwej radiancji, która z definicji pobiera próbki tylko z obszaru emitującego źródła (Rys. 5). W przypadku pomiaru luminancji fizjologicznej w FOV większym niż kąt odejmowany przez źródło, wynikowa luminancja jest średnią luminancji prawdziwego źródła i ciemnego tła. Ponadto, ponieważ kątowa subtencja źródła zmienia się z odległością, luminancja fizjologiczna, w przeciwieństwie do prawdziwej luminancji, jest funkcją odległości pomiaru.
RYS. 5. Na każdej parze obrazów, czerwone okręgi pokazują pola widzenia pomiarów dla radiancji prawdziwej (po lewej) i fizjologicznej (po prawej). W przypadku pomiarów prawdziwej luminancji, okrąg obejmuje tylko obszar emitujący światło, podczas gdy luminancja fizjologiczna jest średnią luminancji prawdziwego źródła i ciemnego tła.
Wpływ widma
W powyższym, odniesiono się do irradiancji i luminancji fizjologicznej bez uwzględnienia widma źródła, które jest oczywiście bardzo ważne w kontekście tej normy. Wielkości te powinny być w praktyce oceniane przy każdej długości fali za pomocą monochromatora. W ten sposób otrzymuje się widmowe natężenie napromienienia i widmowe natężenie promieniowania fizjologicznego. Wynikowe widma powinny być ważone, tam gdzie jest to wymagane, względem funkcji wagowych zagrożenia, aby uwzględnić silną zależność długości fali trzech z rozważanych zagrożeń (Rys. 6). Wynik powinien być zintegrowany w wymaganym zakresie długości fal przed porównaniem z EL.
Odległość pomiaru
Odległość, w której źródło powinno być oceniane, zależy od jego zamierzonego zastosowania. Rozważane są dwa scenariusze ekspozycji: ogólne usługi oświetleniowe (GLS) i wszystkie inne zastosowania (nie-GLS).
Obecna definicja GLS jest niejednoznaczna, ale odnosi się do gotowych produktów, które emitują białe światło i są przeznaczone do oświetlania pomieszczeń. Ocena powinna być podawana, niekoniecznie mierzona, w odległości, w której źródło wytwarza natężenie oświetlenia 500 luksów. Odległość ta może być mniejsza niż jeden metr dla opraw domowych, ale wiele metrów dla oświetlenia ulicznego, na przykład.
FIG. 6. Funkcje ważenia zagrożeń stosowane w normie IEC62471.
Pomiary natężenia promieniowania mogą być wykonywane w dogodnej odległości i skalowane do 500 luksów. Jednakże natężenie promieniowania fizjologicznego, które zależy od subtencji źródła w odniesieniu do stosowanego FOV, powinno być wykonywane w odpowiedniej odległości.
Zasadność warunku 500 luksów jest arbitralna i stanowi kość niezgody w branży oświetleniowej, ponieważ w wielu przypadkach nie reprezentuje realistycznego scenariusza ekspozycji. W następnej części tego artykułu rozważymy, jak ta kwestia jest obecnie rozwiązywana.
Źródła inne niż GLS powinny być mierzone w odległości 200 mm od źródła (pozornego). Odległość ta reprezentuje punkt bliski ludzkiego oka. Przy odległościach mniejszych niż 200 mm, obraz siatkówki jest nieostry, co skutkuje niższym napromieniowaniem siatkówki.
W tym miejscu ważne jest pojęcie źródła pozornego. Gdy do kolimacji wyjścia diody LED używana jest soczewka, za chipem powstaje powiększony wirtualny obraz. Odległość pomiarowa 200 mm powinna być przyjęta w odniesieniu do tego źródła pozornego, ponieważ to właśnie ono jest obrazowane przez oko.
Pomiar w odległości 200 mm może reprezentować najgorsze warunki ekspozycji dla siatkówki. Nie dotyczy to jednak skóry i przednich powierzchni oka, gdzie odległość ekspozycji może być mniejsza. Ta ostatnia ewentualność nie została jeszcze uwzględniona w niniejszej normie, dla której głównym problemem jest ostre uszkodzenie siatkówki.
Porównanie z wartościami EL
Wartości EL są podawane w kategoriach strumienia promieniowania dla zagrożeń termicznych lub energii (strumień promieniowania pomnożony przez czas) dla zagrożeń fotochemicznych: zmierzony wynik natężenia napromienienia może być bezpośrednio porównany z pierwszym, a czas ekspozycji uzyskany dla drugiego. Procedura ta nie ma zastosowania do pomiaru natężenia napromienienia, dla którego FOV pomiaru jest zależny od czasu.
Test zaliczony/niezaliczony stosuje się zatem do zagrożeń siatkówki oka w oparciu o pomiary w FOV odpowiadające minimalnym czasom ekspozycji systemu klasyfikacji po kolei, począwszy od wyłączonej grupy ryzyka. W przypadku gdy wynikowe natężenie promieniowania przekracza maksymalne dopuszczalne natężenie promieniowania dla danej grupy ryzyka, badana jest następna grupa ryzyka. Szczegółowa ocena zagrożeń siatkówki jest bardziej skomplikowana, ponieważ przy ustalaniu, które EL należy zastosować, należy wziąć pod uwagę wielkość źródła i poziom bodźca wzrokowego.
Klasyfikacja
Jak przedstawiono w części 1 niniejszej serii artykułów, system klasyfikacji, oparty na minimalnym czasie ekspozycji przed przekroczeniem EL, jest zdefiniowany od exempt (brak ryzyka) do grupy ryzyka 3 (RG3; wysokie ryzyko). Następnie można określić graniczne natężenie promieniowania (radiancja) dla każdej grupy ryzyka, a zmierzone natężenie promieniowania (radiancja) może być porównane z tymi wartościami granicznymi.
Oznaczenie
IEC62471 jest pomyślana jako norma horyzontalna i jako taka nie zawiera wymagań dotyczących produkcji lub bezpieczeństwa użytkownika, które mogą być wymagane w wyniku przypisania produktu do określonej grupy ryzyka. Takie wymagania bezpieczeństwa różnią się w zależności od zastosowania i powinny być rozpatrywane w normach pionowych, opartych na produktach. Norma IEC TR 62471-2 dostarcza jednak pewnych dalszych wskazówek dotyczących pomiarów i zawiera zalecenia dotyczące etykietowania dla każdego zagrożenia i grupy ryzyka (Rys. 7).
FIG. 7. Przykładowa etykieta zgodna z IEC TR 62471-2.
Wdrożenie IEC62471 w Europie
W Unii Europejskiej, oznakowanie CE wykazuje bezpieczeństwo produktu poprzez zgodność z odpowiednią obowiązującą dyrektywą UE, taką jak dyrektywa niskonapięciowa (LVD), poprzez zastosowanie norm europejskich (EN) zharmonizowanych z rozważaną dyrektywą. Chociaż zgodność z tymi normami EN nie jest obowiązkowa, zapewnia ona domniemanie zgodności z zasadniczymi wymogami dotyczącymi zdrowia i bezpieczeństwa zawartymi w rozpatrywanej dyrektywie.
Promieniowanie optyczne jest szczególnie uwzględnione w warunkach dyrektywy LVD. Dotyczy to produktów elektrycznych pracujących pod napięciem 50-1000V AC. Europejska wersja normy IEC62471, a mianowicie EN62471:2008, jest zharmonizowana z LVD.
Od 1 września 2011 r. ocena diod LED w odniesieniu do normy laserowej (IEC60825) nie pozwala już na domniemanie zgodności z zasadniczymi wymaganiami LVD w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa.
Od kwietnia 2010 r. weszła w życie dyrektywa UE 2006/25/WE w sprawie sztucznego promieniowania optycznego (AORD). Dyrektywa ta przyjmuje limity ekspozycji nieco inne niż te zawarte w normie IEC62471. Dla zachowania spójności, norma EN62471 przyjmuje limity ekspozycji AORD i jest normą stosowaną do oceny ekspozycji pracowników na nielaserowe źródła promieniowania optycznego.
Dla diod LED istotna jest również dyrektywa UE dotycząca bezpieczeństwa zabawek, z którą zharmonizowana jest norma EN62115 „Bezpieczeństwo zabawek elektrycznych”. Norma ta w przeszłości odwoływała się do normy laserowej (EN60825) w celu klasyfikacji diod LED. Obecnie jest ona poddawana przeglądowi, ale oczekuje się, że w przypadkach, w których wymagane są pomiary, będzie odwoływała się do normy EN 62471.
Wreszcie, w przypadku gdy produkty nie są objęte dyrektywą LVD lub dyrektywą zabawkową, należy również rozważyć ogólną dyrektywę dotyczącą bezpieczeństwa produktów, z którą niewiele norm jest specjalnie zharmonizowanych, jednak w przypadku oceny nielaserowych źródeł światła odpowiednią normą EN jest EN62471.
Wdrożenie normy IEC62471 w ROW
Podczas gdy wiele jednostek normalizacyjnych na całym świecie rozważa przyjęcie normy IEC62471, niewiele z nich wydało jeszcze normy krajowe, nie mówiąc już o ramach prawnych, które uczyniłyby badania obowiązkowymi. Spośród zaobserwowanych działań, wiele jest związanych z przemysłem oświetleniowym, dla którego dobrze zdefiniowane ramy normalizacyjne istnieją i są aktywnie rozwijane w celu dostosowania do oświetlenia półprzewodnikowego.
Według wiedzy autora, Chiny są obecnie jedyne w formalnym wdrożeniu dobrowolnej normy – GB/T 20145-2006 – z Japonią, która ma opublikować JIS C 7550 w listopadzie 2011 r.
Niektóre kraje, takie jak Australia i Nowa Zelandia, pracują obecnie nad przyjęciem IEC62471 jako normy dobrowolnej. Inna grupa (np. Hong Kong, Republika Korei) jest obecnie zadowolona z odniesienia do IEC62471 na zasadzie dobrowolności, podczas gdy inne (np. Kanada) są na etapie rozważania wdrożenia i potencjalnych regulacji.
Wreszcie w USA, gdzie ANSI RP27.1 istnieje jako norma dobrowolna, nie ma obecnie obowiązkowych wymagań dotyczących oceny źródeł nielaserowych. Jednakże, po spotkaniu w sierpniu 2011 roku panelu technicznego UL/ANSI 8750 „Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products”, utworzono grupę zadaniową, która ma rozważyć wdrożenie norm bezpieczeństwa fotobiologicznego dla produktów oświetleniowych objętych tą normą UL.
Część 3 tej serii artykułów omówi wdrożenie normy IEC62471 do dzisiejszych urządzeń LED i jej potencjalny rozwój w przyszłości. Zostanie również pokazane, że norma IEC62471 nie pozostaje nieznana światu, głównie poprzez wdrożenie międzynarodowej normy IECEE CB i wielu innych systemów certyfikacji.
Produkty oparte na diodach LED muszą spełniać fotobiologiczne normy bezpieczeństwa: część 1
Produkty oparte na diodach LED muszą spełniać fotobiologiczne normy bezpieczeństwa: część 3
Załącznik IEA 4E SSL opiniuje wpływ diod LED na zdrowie i środowisko
Istnieje potencjał, aby diody SSL miały pozytywny wpływ na zdrowie i samopoczucie, ale nauka pozostaje w tyle
.