+++++
Denna artikel publicerades i november/december 2011 års nummer av LEDs Magazine.
+++++
Den första delen av denna serie i tre delar gav en översikt över de potentiella farorna för människokroppen som exponering för optisk strålning innebär och utvecklingen av internationella standarder för att utvärdera den fotobiologiska säkerheten hos icke-laserkällor. Här antas ett mer praktiskt tillvägagångssätt, med beaktande av de mer detaljerade detaljerna i utvärderingen av källor och genomförandet av säkerhetsstandarder i Europa och resten av världen.
Tillämpningsområde för IEC62471:2006
Standarden IEC62471:2006 ”Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems” ger vägledning för utvärderingen av den fotobiologiska säkerheten hos alla elektriskt drivna, icke-laserkällor för optisk strålning som avger ljus i spektralområdet 200-3000 nm, oavsett om ljusavgivning är produktens primära syfte eller inte. Införandet av lysdioder i tillämpningsområdet för denna standard nämns särskilt för att understryka att lysdioder har tagits bort från tillämpningsområdet för laserstandarden IEC60825.
De potentiella riskerna med exponering av huden, ögats främre ytor (hornhinnan, bindhinnan och linsen) och näthinnan utvärderas genom att man tar hänsyn till sex specifika risker med avseende på exponeringsgränserna (ELs) som anges för en exponeringstid på åtta timmar, räknat som en arbetsdag. Standarden tar inte hänsyn till de potentiella effekterna av långvarig exponering eller onormal ljuskänslighet.
För risker för huden och ögats främre ytor räcker det med att ta hänsyn till ljusmängden som faller in på ytan i fråga. För att beakta risker för näthinnan måste man dock ta hänsyn till ögats avbildningsegenskaper. Det innebär att det krävs två olika mätningar: irradians och radians.
TABELL 1. Olika faror kräver mätning av antingen irradians eller radians. (Kryss = Viktningsfunktion krävs.)
Standarden ger särskild vägledning om de geometriska förhållanden under vilka dessa mätningar bör göras för att ta hänsyn till biofysiska fenomen, t.ex. effekten av ögonrörelser på näthinnans bestrålning. Det spektralområde inom vilket strålningen bör beaktas reduceras till 300-1400 nm, eftersom näthinnan i huvudsak är skyddad utanför detta område på grund av linsens transmissionsegenskaper. I tabell 1 anges vilken mätning (radians eller irradians) som krävs för olika faror.
Mätning av irradians
Irradians gör det möjligt att utvärdera faror för huden och ögats främre ytor. Strålningsstyrka definieras som förhållandet mellan den strålningseffekt (dF) som infaller på ett element på en yta och ytan (dA) för detta element (fig. 1). Dess symbol är E och dess enheter är W/m2.
Irradiansen tar hänsyn till ljus som kommer till en yta från hela halvklotet ovanför. På grund av dess placering i förhållande till bryggan och näsan är dock ögat skyddat från vidvinkelstrålning. Inom ramen för denna standard utförs mätningen av irradians i alla fall utom när det gäller risken för värmande hud över en acceptansvinkel på 1,4 radier. Ljus som avges från en källa utanför denna acceptansvinkel behöver inte mätas.
Vid mätning av irradians bör mätoptiken, vanligtvis en diffusor eller en integrerande sfär, ha en cosinus vinkelrespons för att på ett korrekt sätt ta hänsyn till bidrag utanför axeln. Vid en given vinkel från ytnormalen ökar den projicerade ytan på ytan med cosinus av nämnda vinkel, vilket resulterar i minskad irradians.
Kunskap om källans irradians ger dock ingen information om den ljusmängd som kopplas av ögat och avbildas på näthinnan, för vilken en mätning av radians krävs.
Mätning av radians
Radians gör det möjligt att utvärdera faror för näthinnan. Strålningsstyrkan definieras som förhållandet mellan den strålningseffekt (dF) som avges av område dA i rymdvinkeln dΩ vid vinkeln q till källnormalen och produkten av rymdvinkeln dΩ och den projicerade ytan dA∙cos q (fig. 2). Symbolen är L och enheterna är W/m2sr.
FIG. 2. Definition av radians.
När ögat betraktar en källa samlar ögat in ljuset inom en given fast vinkel som bestäms av pupillens diameter och projicerar en bild av källan på näthinnan. När pupillen vidgas (eller drar ihop sig) beroende på källans visuella stimulusnivå, eller luminans, ökar (eller minskar) näthinnans irradians av bilden.
Lagen om bevarandet av radiansen säger att radiansen inte kan ökas av passiva optiska system, såsom ögats lins. Den retinala irradiansen bestäms därför från källans radians och den fasta vinkel som pupillen (2-7 mm i diameter) bildar vid näthinnan (17 mm bort) på det omvända sättet att bestämma radians från irradians, som anges nedan.
Radians kan mätas på två sätt, antingen med hjälp av en avbildningsteknik eller indirekt genom en irradiansmätning. I båda fallen utförs mätningen i ett specifikt synfält (FOV) eller en fast acceptansvinkel (ofta beskriven med en plan vinkel, q) som definierar området för den uppmätta källan.
Den avbildande tekniken (fig. 3) replikerar avbildningen av ögat. Ett teleskop avbildar den källa som ska testas på ett plan där man kan placera öppningar med varierande diameter för att välja den erforderliga FOV för mätningen.
FIG. 3. Mätning av radians: avbildningsteknik.
Alternativt kan en mätning av irradians utföras med en cosinuskorrigerad ingångsoptik (fig. 4). En öppning placeras direkt vid källan för att definiera mätningens FOV. Radiansen beräknas från förhållandet mellan irradiansen och FOV:s fasta vinkel i steradianer.
Fysiologisk radians
För tillfällig betraktelse har näthinnebilden av en källa samma vinkel som källan. Den minsta bild som bildas på näthinnan har enligt IEC62471 en vinkelutbredning på 1,7 mrad, med tanke på ögats ofullkomliga avbildningsförmåga.
FIG. 4. Mätning av strålningsstyrka: indirekt teknik.
Med ökande exponeringstid, på grund av ögonrörelser (saccader) och uppgiftsbestämda rörelser, smetas näthinnebilden ut över ett större område av näthinnan, vilket resulterar i en motsvarande minskning av näthinnans strålningsstyrka. En tidsberoende funktion definieras för att representera spridningen av näthinnebilden i intervallet från 1,7 till 100 mrad. Detta täcker intervallet från 0,25 s (aversionssvarstid) till 10 000 s exponering.
I samband med fotobiologisk säkerhet utförs mätningen av strålningsstyrka på ett sätt som återspeglar detta fenomen, dvs. mätningsområdet väljs för att ta hänsyn till det ljus som faller inom ett visst område av näthinnan. Mätningsområdet följer därför samma tidsberoende, från 1,7 till 100 mrad, oavsett hur stor den uppmätta källan är.
Den uppmätta kvantiteten kallas mer exakt fysiologisk radians till skillnad från sann radians, som definitionsmässigt endast omfattar källans strålningsområde (fig. 5). När den fysiologiska radiansen mäts i ett FOV som är större än den vinkel som källan har, är den resulterande radiansen ett medelvärde av den sanna källans radians och den mörka bakgrunden. Eftersom källans vinklade subtension varierar med avståndet är den fysiologiska radiansen, till skillnad från den sanna radiansen, dessutom en funktion av mätningsavståndet.
FIG. 5. I varje bildpar visar de röda cirklarna mätfälten för sann (vänster) och fysiologisk (höger) radians. För mätningar av äkta radians omfattar cirkeln endast det ljusavgivande området, medan den fysiologiska radiansen är ett medelvärde av den äkta källans radians och den mörka bakgrunden.
Spektral påverkan
I ovanstående hänvisades till irradians och fysiologisk radians utan att ta hänsyn till källans spektrum, vilket uppenbarligen är mycket viktigt inom ramen för denna standard. Dessa storheter bör i praktiken utvärderas vid varje våglängd med en monokromator. Detta ger spektral irradians och spektral fysiologisk radians. De resulterande spektren bör vid behov viktas mot riskviktsfunktioner för att ta hänsyn till det starka våglängdsberoendet för tre av de aktuella riskerna (fig. 6). Resultatet bör integreras över det erforderliga våglängdsområdet före jämförelse med ELs.
Mätningsavstånd
Avståndet på vilket en källa bör utvärderas beror på dess avsedda användning. Två exponeringsscenarier beaktas; allmän belysningstjänst (GLS) och alla andra tillämpningar (icke-GLS).
Den nuvarande definitionen av GLS är tvetydig, men avser färdiga produkter som avger vitt ljus och som är avsedda att belysa utrymmen. Utvärderingen bör rapporteras, inte nödvändigtvis mätas, på ett avstånd där källan ger en belysningsstyrka på 500 lux. Detta avstånd kan vara mindre än en meter för hushållsarmaturer, men många meter för till exempel gatubelysning.
FIG. 6. Funktioner för viktning av faror som används i IEC62471.
Mätningar av strålningsstyrka kan utföras på ett lämpligt avstånd och skalas till 500 lux. Fysiologisk strålning, som beror på källans subtension i förhållande till det tillämpliga FOV, bör dock utföras på rätt avstånd.
Rationalet för 500 lux är godtyckligt och en tvistefråga inom belysningsindustrin eftersom detta i många fall inte representerar ett realistiskt exponeringsscenario. I nästa del av denna artikel kommer vi att överväga hur denna fråga för närvarande hanteras.
Non-GLS-källor bör mätas på ett avstånd av 200 mm från den (skenbara) källan. Detta avstånd motsvarar det mänskliga ögats närpunkt. På kortare avstånd än 200 mm är näthinnebilden ofokuserad, vilket resulterar i lägre näthinnebestrålning.
Här är begreppet skenbar källa viktigt. När en lins används för att kollimera utgången från en lysdiod produceras en förstorad virtuell bild bakom chipet. Mätavståndet på 200 mm bör tas med avseende på denna skenbara källa, eftersom det är denna som ögat avbildar.
Mätningen vid 200 mm kan representera ett värsta exponeringstillstånd för näthinnan. Detta är dock inte fallet för huden och ögats främre ytor där exponeringsavståndet kan vara närmare. Denna senare eventualitet har ännu inte beaktats i denna standard, för vilken det primära problemet är akut skada på näthinnan.
Jämförelse med EL
EL anges i form av strålningsflöde för termiska risker eller energi (strålningsflöde multiplicerat med tid) för fotokemiska risker: ett uppmätt resultat av strålningsstyrka kan direkt jämföras med det förstnämnda och en exponeringstid kan erhållas för det sistnämnda. Detta förfarande gäller inte för mätning av strålningsstyrka, för vilken FOV för mätning är tidsberoende.
Ett godkänt/underkänt test tillämpas därför på retinala faror baserat på mätningar vid FOV som motsvarar minimiexponeringstiderna i klassificeringssystemet i tur och ordning, med utgångspunkt från den undantagna riskgruppen. Om den resulterande strålningen överskrider den högsta tillåtna strålningen för en viss riskgrupp testas nästa riskgrupp. Den detaljerade utvärderingen av risker för näthinnan är något mer invecklad eftersom källans storlek och nivån på den visuella stimulansen bör beaktas när man bestämmer vilka EL som ska tillämpas.
Klassificering
Som beskrivs i del 1 av denna artikelserie definieras ett klassificeringssystem, baserat på den minsta exponeringstiden innan EL överskrids, som sträcker sig från undantagen (ingen risk) till riskgrupp 3 (RG3; hög risk). Gränsstrålningen (radiansen) för varje riskgrupp kan sedan bestämmas, och den uppmätta strålningen (radiansen) kan jämföras med dessa gränser.
Märkning
IEC62471 är tänkt att vara en horisontell standard, och som sådan omfattar den inte tillverknings- eller användarsäkerhetskrav som kan krävas till följd av att en produkt har placerats i en viss riskgrupp. Sådana säkerhetskrav varierar beroende på tillämpning och bör behandlas i vertikala, produktbaserade standarder. IEC TR 62471-2 ger dock ytterligare vägledning om mätningen och ger en rekommendation om märkning för varje fara och riskgrupp (fig. 7).
FIG. 7. Exempel på etikett enligt IEC TR 62471-2.
Genomförande av IEC62471 i Europa
I Europeiska unionen visar CE-märkning produktsäkerheten genom att den överensstämmer med det relevanta tillämpliga EU-direktivet, t.ex. lågspänningsdirektivet (LVD), genom tillämpning av standarderna i European Norme (EN) som är harmoniserade med det aktuella direktivet. Även om det inte är obligatoriskt att följa dessa EN-standarder, ger det en presumtion om att de väsentliga hälso- och säkerhetskraven i det aktuella direktivet är uppfyllda.
Optisk strålning omfattas särskilt av villkoren i LVD-direktivet. Detta gäller för elektriska produkter som arbetar med spänningar på 50-1000 V AC. Det europeiska antagandet av IEC62471, nämligen EN62471:2008, är harmoniserat med LVD.
Från och med den 1 september 2011 tillåter utvärdering av lysdioder mot laserstandarden (IEC60825) inte längre att man antar att de överensstämmer med de grundläggande hälso- och säkerhetskraven i LVD.
Från april 2010 trädde EU:s direktiv om artificiell optisk strålning (AORD), 2006/25/EG, i kraft. Detta antar exponeringsgränser som skiljer sig något från dem i IEC62471. För konsekvensens skull antar EN62471 exponeringsgränserna i AORD och är den standard som ska användas för att utvärdera arbetstagares exponering för optiska strålningskällor som inte är laserkällor.
Också relevant för lysdioder är EU:s direktiv om leksakers säkerhet, till vilket harmoniseras EN62115 ”Säkerhet för elektriska leksaker”. Denna standard har tidigare hänvisat till laserstandarden (EN60825) för klassificering av lysdioder. Den håller för närvarande på att ses över, men det förväntas att man kommer att hänvisa till EN 62471 när mätningar krävs.
För produkter som inte omfattas av LVD- eller leksaksdirektiven bör man slutligen också ta hänsyn till det allmänna produktsäkerhetsdirektivet, till vilket få standarder är specifikt harmoniserade, men för utvärderingen av ljuskällor som inte är laserkällor är EN62471 den relevanta EN-standarden.
Genomförande av IEC62471 i ROW
Om många standardiseringsorgan runt om i världen överväger att anta IEC62471, är det få som ännu har utfärdat nationella standarder, än mindre en rättslig ram för att göra testning obligatorisk. Av den aktivitet som har setts är mycket relaterad till belysningsindustrin, för vilken en väldefinierad standardiseringsram finns på plats och är under aktiv utveckling för att tillgodose halvledarbelysning.
Såvitt författaren känner till är Kina för närvarande ensamt om att formellt ha genomfört en frivillig standard – GB/T 20145-2006 – medan Japan väntas publicera JIS C 7550 i november 2011.
Enskilda länder, t.ex. Australien och Nya Zeeland, arbetar för närvarande med att anta IEC62471 som en frivillig standard. En annan grupp (t.ex. Hongkong och Sydkorea) nöjer sig för närvarande med att hänvisa till IEC62471 på frivillig basis, medan andra (t.ex. Kanada) håller på att överväga genomförandet och eventuella bestämmelser.
För närvarande finns det i USA, där ANSI RP27.1 finns som en frivillig standard, inget obligatoriskt krav på utvärdering av icke-laserkällor. Efter ett möte i augusti 2011 med den tekniska panelen för UL/ANSI 8750 ”Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products” har dock en arbetsgrupp bildats för att överväga genomförandet av fotobiologiska säkerhetsnormer för de belysningsprodukter som omfattas av denna UL-standard.
I del 3 av denna artikelserie diskuteras genomförandet av IEC62471 för dagens LED-apparater och dess potentiella framtida utveckling. Det kommer också att visas att IEC62471 inte förblir okänd för världen, främst genom genomförandet av internationella IECEE CB och många andra certifieringssystem.
LED-baserade produkter måste uppfylla fotobiologiska säkerhetsnormer: del 1
LED-baserade produkter måste uppfylla fotobiologiska säkerhetsnormer: del 3
IEA 4E SSL Annex opines on LED impact on health and environment
Det finns en potential för SSL att positivt påverka hälsa och välbefinnande, men vetenskapen är eftersatt
.