+++++
Acest articol a fost publicat în ediția din noiembrie/decembrie 2011 a revistei LEDs Magazine.
+++++
Partea întâi a acestei serii de trei părți a oferit o prezentare generală a pericolelor potențiale pentru corpul uman reprezentate de expunerea la radiații optice și a dezvoltării standardelor internaționale pentru evaluarea siguranței fotobiologice a surselor fără laser. Aici este adoptată o abordare mai practică, prin luarea în considerare a detaliilor mai fine ale evaluării surselor și a punerii în aplicare a standardelor de siguranță în Europa și în restul lumii.
Domeniul de aplicare al IEC62471:2006
Norma IEC62471:2006 „Siguranța fotobiologică a lămpilor și a sistemelor de lămpi” oferă îndrumări pentru evaluarea siguranței fotobiologice a tuturor surselor de radiații optice non-laser, alimentate electric, care emit în intervalul spectral 200-3000 nm, indiferent dacă emisia de lumină este sau nu scopul principal al produsului. Includerea LED-urilor în domeniul de aplicare al acestui standard este menționată în mod special pentru a evidenția eliminarea LED-urilor din domeniul de aplicare al standardului pentru lasere, IEC60825.
Potențialele pericole de expunere a pielii, a suprafețelor frontale ale ochiului (cornee, conjunctivă și cristalin) și a retinei sunt evaluate prin luarea în considerare a șase pericole specifice în ceea ce privește limitele de expunere (EL) prevăzute pentru o durată de expunere de opt ore, considerată ca fiind o zi de lucru. Standardul nu ia în considerare efectele potențiale ale expunerii pe termen lung și nici ale fotosensibilității anormale.
În cazul pericolelor pentru piele și suprafețele frontale ale ochiului, este suficient să se ia în considerare cantitatea de lumină incidentă pe suprafața în cauză. Cu toate acestea, pentru a lua în considerare pericolele pentru retină, trebuie să se țină seama de proprietățile imagistice ale ochiului. Rezultă că sunt necesare două măsurători distincte: iradierea și radianța.
TABEL 1. Diferite pericole necesită măsurarea fie a iradianței, fie a radianței. (Crucea = Funcția de ponderare necesară.)
Norma oferă îndrumări specifice cu privire la condițiile geometrice în care trebuie efectuate aceste măsurători pentru a lua în considerare fenomenele biofizice, cum ar fi efectul mișcărilor ochilor asupra iradierii retinei. Domeniul spectral în care ar trebui să se ia în considerare radianța este redus la 300-1400 nm, deoarece retina este protejată în mod esențial în afara acestui domeniu datorită caracteristicilor de transmisie ale cristalinului. Tabelul 1 indică măsurarea necesară (radianța sau iradianța) pentru diferite pericole.
Măsurarea iradianței
Iradianța permite evaluarea pericolelor pentru piele și suprafețele frontale ale ochiului. Iradianța este definită ca raportul dintre puterea radiantă (dF) incidentă pe un element al unei suprafețe și aria (dA) a acelui element (Fig. 1). Simbolul său este E, iar unitățile sale de măsură sunt W/m2.
Irradianța ține cont de lumina care ajunge pe o suprafață din întreaga emisferă de deasupra. Cu toate acestea, datorită poziției sale în raport cu puntea și nasul, ochiul este protejat de radiația cu unghi larg. În cadrul domeniului de aplicare al prezentului standard, măsurarea iradierei în toate cazurile, cu excepția cazului de risc termic al pielii, se efectuează pe un unghi de acceptare de 1,4 radiani. Lumina emisă de o sursă aflată în afara acestui unghi de acceptare nu trebuie să fie măsurată.
În măsurarea iradierei, optica de măsurare, de obicei un difuzor sau o sferă integratoare, trebuie să aibă un răspuns unghiular cosinusoidal pentru a lua în considerare corect contribuțiile în afara axei. La un anumit unghi față de normala la suprafață, aria proiectată pe suprafață este mărită cu cosinusul unghiului respectiv, rezultând o iradiere redusă.
Cunoașterea iradierei sursei nu oferă însă informații despre cantitatea de lumină cuplată de către ochi și imaginată pe retină, pentru care este necesară o măsurare a radianței.
Măsurarea radianței
Radianța permite evaluarea pericolelor pentru retină. Radianța este definită ca fiind raportul dintre puterea radiantă (dF) emisă de suprafața dA în unghiul solid dΩ la unghiul q față de normala sursei, și produsul dintre unghiul solid dΩ și suprafața proiectată dA∙cos q (Fig. 2). Simbolul este L, iar unitățile de măsură sunt W/m2sr.
FIG. 2. Definiția radianței.
În vederea unei surse, ochiul colectează lumina într-un anumit unghi solid stabilit de diametrul pupilei și proiectează o imagine a sursei pe retină. Pe măsură ce pupila se dilată (sau se contractă) în funcție de nivelul stimulului vizual, sau de luminanța sursei, iradierea retiniană a imaginii crește (sau scade).
Legea conservării radianței afirmă că radianța nu poate fi mărită de sistemele optice pasive, cum ar fi cristalinul ochiului. Prin urmare, iradierea retiniană se determină pornind de la radianța sursei și de la unghiul solid subînțeles de pupilă (cu diametrul de 2-7 mm) la retină (la o distanță de 17 mm), în mod invers față de determinarea radianței din iradiere, prezentată mai jos.
Radianța poate fi măsurată în două moduri, fie folosind o tehnică de imagistică, fie indirect, prin măsurarea iradierii. În ambele cazuri, măsurarea se efectuează într-un câmp vizual (FOV) specific sau într-un unghi solid de acceptare (adesea descris printr-un unghi plan, q) care definește zona sursei măsurate.
Tehnica de imagistică (Fig. 3) reproduce imagistica ochiului. Un telescop imaginează sursa testată pe un plan în care pot fi plasate deschideri cu diametrul variabil pentru a selecta FOV-ul de măsurare necesar.
FIG. 3. Măsurarea radianței: tehnica imagisticii.
În mod alternativ, se poate efectua o măsurare a iradianței cu o optică de intrare corectată cu cosinus (Fig. 4). O deschidere este plasată direct la sursă pentru a defini FOV-ul de măsurare. Radianța este calculată din raportul dintre iradiere și unghiul solid al FOV-ului în steradiani.
Radianța fiziologică
Pentru vizualizarea momentană, imaginea retiniană a unei surse subîntinde același unghi ca și sursa. Cea mai mică imagine formată pe retină, conform IEC62471, are o întindere unghiulară de 1,7 mrad, având în vedere performanțele imperfecte de formare a imaginii ale ochiului.
FIG. 4. Măsurarea radianței: tehnica indirectă.
Cu creșterea timpului de expunere, din cauza mișcărilor oculare (sacadări) și a mișcării determinate de sarcină, imaginea retiniană este împrăștiată pe o suprafață mai mare a retinei, ceea ce duce la o reducere corespunzătoare a iradianței retinei. Se definește o funcție dependentă de timp pentru a reprezenta împrăștierea imaginii retiniene în intervalul de la 1,7 la 100 mrad. Aceasta acoperă intervalul de la 0,25s (timpul de răspuns de aversiune) până la 10 000s de expunere.
În contextul siguranței fotobiologice, măsurarea radianței se realizează într-o manieră care reflectă acest fenomen, adică FOV-ul de măsurare este ales pentru a lua în considerare lumina care cade într-o anumită zonă a retinei. FOV-ul de măsurare urmează, prin urmare, aceeași dependență temporală, de la 1,7 la 100 mrad, indiferent de dimensiunea sursei măsurate.
Cantitatea măsurată este denumită mai exact radianță fiziologică, spre deosebire de radianța reală, care, prin definiție, eșantionează numai zona de emisie a sursei (Fig. 5). În cazul în care radianța fiziologică este măsurată într-un FOV mai mare decât unghiul subînțeles de sursă, radianța rezultată este o medie a radianței reale a sursei și a fondului întunecat. Mai mult decât atât, din moment ce unghiul subînțeles de o sursă variază cu distanța, radianța fiziologică, spre deosebire de radianța reală, este o funcție a distanței de măsurare.
FIG. 5. În fiecare pereche de imagini, cercurile roșii arată câmpurile de vizualizare a măsurătorilor pentru radianța adevărată (stânga) și cea fiziologică (dreapta). Pentru măsurătorile radianței reale, cercul cuprinde doar zona de emisie a luminii, în timp ce radianța fiziologică este o medie a radianței reale a sursei și a fondului întunecat.
Influența spectrală
În cele de mai sus, s-a făcut referire la iradiere și radianța fiziologică fără a se lua în considerare spectrul sursei, care este în mod clar foarte important în contextul acestui standard. Aceste mărimi ar trebui, în practică, să fie evaluate la fiecare lungime de undă cu ajutorul unui monocromator. Astfel se obține iradierea spectrală și radianța fiziologică spectrală. Spectrele rezultate ar trebui să fie ponderate, dacă este necesar, în funcție de funcțiile de ponderare a pericolelor pentru a se ține seama de dependența puternică de lungimea de undă a trei dintre pericolele luate în considerare (figura 6). Rezultatul ar trebui să fie integrat pe gama de lungimi de undă necesară înainte de a fi comparat cu ELs.
Distanța de măsurare
Distanța la care ar trebui evaluată o sursă depinde de aplicația prevăzută. Sunt luate în considerare două scenarii de expunere; serviciul de iluminat general (GLS) și toate celelalte aplicații (non-GLS).
Definiția actuală a GLS este ambiguă, dar se referă la produsele finite care emit lumină albă și sunt destinate iluminării spațiilor. Evaluarea ar trebui să fie raportată, nu neapărat măsurată, la o distanță la care sursa produce un nivel de iluminare de 500 lux. Această distanță poate fi mai mică de un metru pentru corpurile de iluminat casnic, dar mai mulți metri pentru iluminatul stradal, de exemplu.
FIG. 6. Funcții de ponderare a riscurilor utilizate de IEC62471.
Măsurătorile de radiație pot fi efectuate la o distanță convenabilă și scalate la 500 lux. Cu toate acestea, radianța fiziologică, care depinde de subtenația sursei în raport cu FOV-ul aplicabil, ar trebui efectuată la distanța corectă.
Motivația pentru condiția de 500 lux este arbitrară și reprezintă un motiv de dispută în cadrul industriei de iluminat, deoarece, în multe cazuri, aceasta nu reprezintă un scenariu de expunere realist. În următoarea parte a acestui articol, vom analiza modul în care această problemă este abordată în prezent.
Sursele non-GLS ar trebui să fie măsurate la o distanță de 200 mm de la sursă (aparentă). Această distanță reprezintă punctul apropiat al ochiului uman. La distanțe mai mici de 200 mm, imaginea retiniană nu este focalizată, ceea ce duce la o iradiere retiniană mai mică.
Aici, conceptul de sursă aparentă este important. În cazul în care se utilizează o lentilă pentru a colima ieșirea unui LED, în spatele cipului se produce o imagine virtuală mărită. Distanța de măsurare de 200 mm trebuie luată în raport cu această sursă aparentă, deoarece aceasta este cea pe care ochiul o imaginează.
Măsurarea la 200 mm poate reprezenta o condiție de expunere în cel mai rău caz pentru retină. Cu toate acestea, nu este cazul pentru piele și suprafețele frontale ale ochiului, unde distanța de expunere poate fi mai mică. Această ultimă eventualitate nu a fost încă luată în considerare în acest standard, pentru care principala preocupare este afectarea acută a retinei.
Comparare cu EL
ELE sunt furnizate în termeni de flux radiant pentru pericolele termice sau de energie (flux radiant înmulțit cu timpul) pentru pericolele fotochimice: un rezultat măsurat al iradierei poate fi comparat direct cu primul, iar un timp de expunere poate fi obținut pentru cel de-al doilea. Această procedură nu se aplică la măsurarea radianței, pentru care FOV-ul de măsurare depinde de timp.
Se aplică, prin urmare, un test pass/fail pentru pericolele pentru retină pe baza măsurătorilor la FOV-uri care corespund timpilor de expunere minimi ai sistemului de clasificare pe rând, pornind de la grupul de risc scutit. În cazul în care radianța rezultată depășește radianța maximă admisibilă pentru o anumită grupă de risc, se testează următoarea grupă de risc. Evaluarea detaliată a pericolelor pentru retină este ceva mai alambicată, deoarece dimensiunea sursei și nivelul stimulului vizual trebuie luate în considerare pentru a determina ce EL trebuie aplicate.
Clasificare
După cum se subliniază în partea 1 a acestei serii de articole, se definește un sistem de clasificare, bazat pe timpul minim de expunere înainte de depășirea EL, care variază de la scutit (fără risc) la grupa de risc 3 (RG3; risc ridicat). Se poate determina apoi iradierea (radianța) limită a fiecărei grupe de risc, iar iradierea (radianța) măsurată poate fi comparată cu aceste limite.
Etichetare
IEC62471 este conceput ca un standard orizontal și, ca atare, nu include cerințe de fabricație sau de siguranță a utilizatorului care pot fi necesare ca urmare a încadrării unui produs într-o anumită grupă de risc. Astfel de cerințe de siguranță variază în funcție de aplicație și ar trebui să fie tratate în standarde verticale, bazate pe produs. Cu toate acestea, IEC TR 62471-2 oferă unele îndrumări suplimentare privind măsurarea și oferă o recomandare de etichetare pentru fiecare pericol și grupă de risc (Fig. 7).
FIG. 7. Exemplu de etichetă conform IEC TR 62471-2.
Punerea în aplicare a IEC62471 în Europa
În Uniunea Europeană, marcajul CE demonstrează siguranța produsului prin conformitatea cu directiva UE aplicabilă relevantă, cum ar fi directiva UE privind joasă tensiune (LVD), prin aplicarea standardelor European Norme (EN) armonizate cu directiva în cauză. Deși conformitatea cu aceste standarde EN nu este obligatorie, aceasta oferă o prezumție de conformitate cu cerințele esențiale de sănătate și siguranță ale directivei luate în considerare.
Radiațiile optice sunt luate în considerare în mod specific în termenii LVD. Aceasta se aplică produselor electrice care funcționează la tensiuni de 50-1000V AC. Adoptarea europeană a IEC62471, și anume EN62471:2008, este armonizată cu LVD.
De la 1 septembrie 2011, evaluarea LED-urilor în raport cu standardul laser (IEC60825) nu mai permite prezumția de conformitate cu cerințele esențiale de sănătate și siguranță din LVD.
Din aprilie 2010, a intrat în vigoare Directiva UE privind radiațiile optice artificiale (AORD), 2006/25/CE. Aceasta adoptă limite de expunere ușor diferite de cele din IEC62471. Din motive de consecvență, EN62471 adoptă limitele de expunere din AORD și este standardul care trebuie utilizat pentru a evalua expunerea lucrătorilor la sursele de radiații optice altele decât laserul.
De asemenea, relevantă pentru LED-uri este Directiva UE privind siguranța jucăriilor, la care este armonizată EN62115 „Siguranța jucăriilor electrice”. Acest standard a făcut referire în trecut la standardul pentru lasere (EN60825) pentru clasificarea LED-urilor. Acesta este în prezent în curs de revizuire, dar este de așteptat să se facă trimitere la EN 62471 în cazul în care sunt necesare măsurători.
În cele din urmă, în cazul în care produsele nu sunt acoperite de directivele LVD sau privind jucăriile, ar trebui să se ia în considerare, de asemenea, directiva privind siguranța generală a produselor, la care sunt armonizate în mod specific puține standarde, însă pentru evaluarea surselor de lumină care nu sunt laser, EN62471 este standardul EN relevant.
Punerea în aplicare a IEC62471 în ROW
În timp ce multe organisme de standardizare din întreaga lume iau în considerare adoptarea IEC62471, puțini sunt cei care au emis încă standarde naționale și cu atât mai puțin un cadru legal care să facă testele obligatorii. Din activitatea observată, o mare parte este legată de industria iluminatului, pentru care există un cadru de standardizare bine definit și care este în curs de dezvoltare activă pentru a se adapta la iluminatul cu semiconductori.
Din câte știe autorul, China este în prezent singura țară care a implementat în mod oficial un standard voluntar – GB/T 20145-2006 -, Japonia urmând să publice JIS C 7550 în noiembrie 2011.
Câteva țări, cum ar fi Australia și Noua Zeelandă, lucrează în prezent la adoptarea IEC62471 ca standard voluntar. Un alt grup (de exemplu, Hong Kong, Republica Coreea) se mulțumește în prezent să facă trimitere la IEC62471 pe bază voluntară, în timp ce altele (de exemplu, Canada) se află în etapa de analiză a implementării și a unor potențiale reglementări.
În cele din urmă, în SUA, unde ANSI RP27.1 există ca standard voluntar, nu există în prezent nicio cerință obligatorie pentru evaluarea surselor non-laser. Cu toate acestea, în urma unei reuniuni din august 2011 a grupului tehnic de standardizare a standardului UL/ANSI 8750 „Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products” (Echipamente cu diode emițătoare de lumină (LED) pentru utilizare în produse de iluminat), s-a format un grup de lucru pentru a lua în considerare punerea în aplicare a standardelor de siguranță fotobiologică pentru acele produse de iluminat acoperite de acest standard UL.
Partea a treia a acestei serii de articole va discuta despre punerea în aplicare a standardului IEC62471 la dispozitivele cu LED din prezent și despre potențiala sa dezvoltare viitoare. De asemenea, se va arăta că IEC62471 nu rămâne necunoscut lumii, în principal prin implementarea sistemului internațional IECEE CB și a numeroase alte sisteme de certificare.
Produsele pe bază de LED trebuie să respecte standardele de siguranță fotobiologică: partea 1
Produsele pe bază de LED trebuie să respecte standardele de siguranță fotobiologică: partea 3
Anexa 4E SSL a AIE opinează cu privire la impactul LED asupra sănătății și mediului
Există potențialul ca SSL să aibă un impact pozitiv asupra sănătății și bunăstării, dar știința este în urmă
.