大功率LED路燈的光生物安全測試與分析

陳慧挺 蔡喆 吳曉晨 彭振堅 黃駿

(中山市質量計量監督檢測所;國家燈具質量監督檢驗中心，中山 510000)

1 引言

隨著LED技術的不斷進步，LED功效不斷增大，亮度不斷提高，過去LED出射光不會對人體造成危害的時代已經一去不復返，歐洲、北美等發達國家和地區都開始密切關注LED產品的光生物安全性問題，并著手制定了一系列標準。但是，目前國內對于LED光生物安全測試技術的研究仍然非常薄弱，相關的測試系統與方法研究論文更是少之又少。

本文對一款目前LED照明中被大量采用的大功率LED路燈進行光生物安全性檢測。首先對輻射照度、輻射亮度、表觀光源作了測試，最后對檢測結果的危害類型進行分析和歸類。基于普通照明用LED光源不會產生800nm以上的紅外部分光譜，本實驗只針對200nm～800nm部分光譜范圍進行測試。

該燈具基本參數如下:電壓 220 V，電流0.3248 A，功率為65.98 W，功率因數為 0.9231，頻率為50 Hz;燈具光通量為5747.3 lm，中心光強1727.33 cd，最大光強2839.16 cd，最大光強角度c:180.0°γ:59.0°，光效 87.11 lm/W，相關色溫4632 K，顯色指數Ra=69.1，色品坐標x=0.3617 y=0.3949 u=0.2062 v=0.3378。

2 輻照度測試

一般來說，LED路燈的配光設計是根據道路照明需要設計的，所以路燈的中心軸位置獲取的視場亮度值往往不是最大值，該樣品的最大光強方向在:c:180.0°γ:59.0°。考慮到測試需要針對路燈的最大危害方向進行，因此在測量時需使用專用夾具，固定燈具的最大光強方向垂直于探測器端面方向。

本實驗采用光譜輻射分析儀光譜測試范圍為200nm～930nm。在輻射照度測試之前，首先應對光譜分析儀作定標校正，實驗裝置如圖1所示。

圖1 光譜輻照度校正

由于測試光譜范圍跨度較大，對光譜分析儀的定標校正須分波段采用兩種不同的光強標準燈。其中，對200nm～350nm光譜定標采用300 mA恒流供電的標準氘燈;對350nm～800nm光譜信號定標，采用標準鹵鎢燈作為光強標準燈。

測試系統采用混光球開孔的方法作為探測器的輸入口，小型混光球可以充分接收探測器前方的光度信號，由于在光生物安全系統測量中光度信號方向性較強，所以混光球在充分接收光度信號時也可以很好的對被測燈具的方向性做出很好的余弦修正。另外，混光球的內部材料的隨機反射會使入射光發生偏振現象，經過多次反射可以使以同樣光譜特性的入射光充滿輻射的入射口徑，從而避免了不同角度入射光偏振特性的差異。

定標完成后，移去光強標準燈，安裝上待測試的LED路燈，對該樣品的輻射照度進行測量。一般情況下，普通照明最大使用照度為500 lx，所以在評估普通照明用燈時采用該照度去測量。另外，對于光源危害值的計算是將光譜掃描后進行危害函數加權，藍光的危害加權函數的變化量非常大，所以在本系統中設置測量波長間隔為1nm，以保證測試結果的準確性。

測量燈具最大光強角度 (C:180.0°/G:59.0°)方向在混光球端面所產生的照度值。調節該燈具的距離，使端面產生500 lx的照度，固定該距離進行光譜測試。需要特別注意的是人眼的生理避讓距離為200mm，考慮到燈具使用中預期最差使用條件的原則，必須保證該測試距離大于200mm。

500 lx照度下獲取該燈具的相對光譜功率值，測得照度光譜分布圖如圖2:

圖2 光譜分布圖

通過軟件采集數據，自動獲得到燈具在各個波段的光譜輻照度測試結果:

光化紫外:ES=0W/m2;

近紫外:EUVA=0W/m2;

紅外:EIR=1.4×10－3W/m2

3 亮度與表觀光源測試

根據GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全》的要求，對于連續輻射燈在規定曝輻時間內的發射限值如表1所示，對于無危險類的燈具不應該超過任何一項限值。

表1 連續輻射燈無危險類的發射限

亮度測試采用型號為MPR-16的成像亮度計，該亮度計具有連續調焦功能。在亮度測試之前，首先應對亮度計定標校正。亮度定標采用的是漫反射白板的方式，連接測試系統，如圖3所示。

圖3 亮度計校正

由于反射板的反射率可以從中國計量科學研究院取得標準數據，由照度亮度的轉換關系很容易獲得標準白板上的亮度值L。根據亮度值L即可完成對亮度計的定標校正。

完成定標后，移去光強標準燈與白板，安裝待測LED路燈，對該樣品的輻射亮度進行測量。同樣在產生500 lx照度的距離下，以及最大光強角度位置C:180.0°/G:59.0°，調節亮度計的焦距，使該燈具的發光面完全清晰的位于亮度計成像面上，測量該燈具的輻亮度值，獲得視場平均亮度值以及亮度光譜分布數據。

最后，在與亮度同樣的測試條件下，測量該燈具的表觀光源亮度分布，獲得表觀光源對弦角數值。

由于眼睛在生理上的局限，在靜止眼睛的視網膜上圖像的最小對邊角為0.0017弧度。當觀測時間大于0.25 s時，快速的眼睛運動就會使光源像模糊，覆蓋視網膜上更大的區域，形成一個更大的對邊角角度，通過CCD成像測試可獲取表光光源對邊角以及光源亮度分布情況。測試特定曝輻時間下不同波段區域出射光的曝輻參數，結果如下:

LB=67.2W·m－2·sr－1， t=10000s;

LR=5.91 × 103W·m－2·sr－1， t=10s;

LIR=0.836W·m－2·sr－1， t=10s;

EIR=1.40 ×10－3W·m－2， t=1000s

隨后，測量表觀光源對弦角，結果為:

α=0.041rad

4 實驗結果分析

對照國家標準的規定 (見表1)，對樣品燈具的各類輻射危險類別作分析、判定。

4.1 眼睛光化學紫外和近紫外危害分析

由于該燈的紫外輻射有效積分光譜照度Es、EUVA均為0，小于標準限值，所以無光化學紫外和近紫外危害。

4.2 視網膜藍光危害分析

標準規定:為了防止長期受到藍光輻射的視網膜產生視網膜光化學損傷，在燈具曝輻時間t不超過10000 s的情況下，藍光加權輻亮度LB不應超過100W·m－2·sr－1。

根據眼睛運動和測量對邊角的關系，實驗測得曝輻時間t為10000s時，對應藍光加權輻亮度 LB為67.2W·m－2·sr－1，小于標準限值，符合標準中無危險類燈在10000s內不造成對視網膜藍光危害的規定。

4.3 視網膜熱危害分析

標準規定:防止視網膜熱損傷，無危險類燈在曝輻時間t不超過10 s的情況下，光源熱危害加權輻亮度不應超過限值:

LR=·R(λ)·Δλ ≤(W·m－2·sr－1)

將實驗測得的對弦角 α=0.041 rad，t=10s代入上面公式，可得到限值要求為:28000/α=28000/0.041=682926W·m－2·sr－1。

而實驗測量值為 5.91 ×103W·m－2·sr－1，小于標準限值，因此該燈具無視網膜熱危害。

4.4 視網膜熱危害曝輻限值-對微弱視覺刺激的危害分析

標準規定:對于一個紅外熱光源或者是任何近紅外的光源，當用眼睛觀察且輻照時間大于10s時，其近紅外 (780nm～1400nm)輻亮度應被限制在:

LIR=·R(λ)·Δλ ≤(W·m－2·sr－1)

將α=0.041rad代入公式，可知近紅外輻亮度限值 為 146341W ·m－2·sr－1。而 實 驗 測 量 值 為0.836W·m－2·sr－1，遠遠低于標準限值，因此符合該項目對無危險類燈的要求。

4.5 眼睛紅外輻射危害分析

標準規定:為了避免對眼角膜的熱危害以及對晶狀體的后遺癥 (比如白內障)，對于在波長780nm～3000nm的紅外輻射，當照射時間小于1000 s時，紅外輻射的視覺曝輻限值為:·Δλ ≤ 18000·t－0.75(W·m－2)

將t=1000s代入公式中，獲得無危險類燈的限值為101W·m－2。而測得的實驗值為1.40×10－3W·m－2，遠低于限值要求，因此該燈具無近紅外視視網膜危害。

5 總結

根據上述實驗結果分析，對照標準GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全》的要求，可以知道該燈具無眼睛光化學紫外和近紫外危害、無視網膜藍光危害、無視網膜熱危害、無微弱視覺刺激、無眼睛紅外輻射危害，應將該燈具劃分為無危險類燈具類別。本文較全面的測試了LED路燈的輻射照度、輻射亮度、表觀光源等光生物安全性項目，并對實驗結果做了分析探討，對LED產品光生物安全性的測試系統及測試方法研究具有一定的參考價值。

［1］國家質檢總局，國家標委會發布．GB/T 20145—2006燈和燈系統的光生物安全性，2006年3月

［2］IEC/TR 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non-laser optical radiation safety，Technical reports，Edition 1.0，2009-08．

［3］吳曉晨，蔡喆，彭振堅，等．燈和燈系統的光生物安全性檢測分析．信息技術與標準化，2010(7)．