擴展光源的輻射亮度及人眼危害

陳慧挺 蔡 喆 吳曉晨 羅佳文 鄧之鶴

(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)，中山 528000)

1 引言

當擴展光源發射光譜的波長在人眼視網膜危害光譜區范圍內 (400nm至1400nm)，輻射亮度的概念是非常重要的，它可以用來判定光源對視網膜是否存在輻射危害，以及光輻射的危害程度到底有多深。

最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光輻射安全的制造導則》是一份針對非激光類燈和燈系統做出應用危害等級信息和解釋的指南，該導則對擴展光源的輻射亮度及人眼危害做了介紹。本文緊密結合IEC/TR 62471—2導則內容，基于輻射亮度的特性，闡述了視網膜曝輻限值和光源參數的關系、輻射亮度在危害評價中的各種應用局限，以及光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關系。

2 輻射亮度的特性

亮度通常用于評價顯示屏等發光表面的“明亮程度”，因此也可用于評價發光表面的光輻射危害。輻射亮度可用單位發光截面在給定方向的單位立體角內的輻射通量來表示，計量單位為 W·m－2·sr－1，其主要特性之一是“與擴展光源距離遠近的無關性”，如圖1所示，當觀察者或者探測器朝遠離擴展光源的方向移動，平方反比損失可通過與觀察點相對應的擴展光源表面面積的增加得到補償。

圖1 輻射亮度與擴展光源距離遠近的無關性

IEC/TR 62471—2對“輻射亮度與擴展光源距離遠近的無關性”這一結論做了進一步延伸拓展，該導則指出:當有折射率、反射率放大或縮小作用的光學元件放置在擴展光源和觀察者之間，其輻射亮度也是守恒的 (這里不考慮輻射亮度因為光學元件的光吸收作用而導致的損耗因素)。換句話說，盡管插入的光學元件可能會改變光源的表觀視角，但是同樣發生改變的單位面積光功率可使輻射亮度得到相應的補償。因此，一般情況下，可以認為輻射亮度的數值大小僅僅受光學元件本身的光吸收作用以及出射光瞳耦合因素的影響。

3 視網膜曝輻限值和光源參數的關系

對于光輻射限值的實驗測量，以往一般通過測量光源在人眼視網膜上的輻射照度 (單位:W/m2)來判定人眼視網膜曝輻限值。但是，將光源參數與視網膜曝輻限值做比較，往往會涉及到復雜的輻射照度轉換，對于擴展光源而言，還需要考慮測試距離的影響因素。為此，IEC/TR 62471—2提出了“經修正后的視網膜曝輻限值”的概念，該參數以輻射亮度為計算基礎，這意味著在應用“經修正后的視網膜曝輻限值”對視網膜輻射危害評價過程中，可以大大簡化人眼本身的光學特性以及其他外來插入光學元件所帶來的影響。

4 輻射亮度在危害評價中的應用局限

IEC/TR 62471—2也特別強調了輻射亮度在表征和評價光源輻射特性的應用過程中可能存在的一些應用局限。下面分情況討論:

4.1 點光源

某些光源的輻射危害并不適合用輻射亮度參數來判定，在利用輻射亮度來判定光源輻射危害之前，首先要先區分光源的類型。比如，點光源的輻射亮度具有不確定性，因此應該用另外的輻射參數 (比如指定距離處的輻照度)來測量和判定激光光源以及任何視覺對邊角小于1.7mrad光源的輻射危害。如果實驗中的光源是通過光學放大鏡才能被人眼所接收，那么該光源真實的視覺對邊角就會大大增加，并且有可能超過1.7mrad，此時該光源就應該被視為擴展光源來考慮分析。另外，在某些案例中，假如一個照明燈具內同時包含有點光源和擴展光源，那么就應將其視作一個整體，用輻照度單元區來判定和表征光源的輻射危害。

4.2 發射光譜在視網膜危害光譜區外

由于對于發射光譜為可見光的光源，其亮度是輻亮度的光度模擬，因此IEC 62471中設置了一個亮度上限值，作為判定該類燈具光源是否歸屬于危險類別的一條準則。

但是，當光源的發射光譜落在人眼視網膜危害光譜區范圍外，就不適合再用輻射亮度這個參數，而通常應該用輻照度或者曝輻射量參數來表征此類光源對人眼的輻射危害程度。由于各個測試幾何量參數之間的轉換非常繁瑣且容易出錯，因此，作為一條基本準則，輻射亮度參數只適用于對發射光譜為可見光或者近紅外光光源的輻射危害評價。

4.3 封閉式燈具內的光源

由于某些燈具的特殊需要，其光源是封裝或全密封在燈具內的，對于這類光源的輻射亮度測試可能就會比較困難。輻射亮度的計量單位為W·m－2·sr－1，盡管對于光源輻射光通量以及立體角的測量通常都比較容易實現，不過對于測試儀器如何界定其中的光源區域面積 (m－2)，卻是個比較棘手的問題。IEC/TR 62471—2提出了一種可行的解決方案，找出某個統一的光學系統，在該系統內同時界定立體角和光源的區域。根據輻亮度守恒定律，可以得知:只要立體角和光源的區域是在同一個平面內測得的，那么測量結果就是有意義的。做這個測量實驗一定要避免犯這樣的錯誤:界定光源區域是在某個A平面內，測量立體角卻在另一個B平面內。

4.4 非均勻發光的光源

考慮到人眼的物理移動和視覺差異，對于局部光輻射能量變化的光源 (比如非均勻光源)的輻射亮度測量，需要結合IEC 62471中指定的立體角來進行，這樣可以確保實際測得的人眼輻射亮度與視網膜曝輻限值能做正確比較。

5 光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關系

基于輻射曝光量限定值、時間積分輻亮度都遵循輻亮度守恒定律，因此，如果光源發射光的輻射亮度處在規定的危險類別值以下，那么最終的燈具產品輻射也不會超過可允許的限值。因此，為了避免重復測試，IEC/TR 62471—2要求光源制造商標明所有單個光源的安全特性，并提供相關的危險等級類別。

通常，輻射亮度L(W·m－2·sr－1)是通過測量指定測試距離r、指定測試孔徑上的輻射功率P(W)獲得的 (見圖2所示)。測試孔徑的直徑d確定了立體角Ω(sr)和測量視場面積A視場(m2)的大小，其中測試視場面積與探測器前面的圓形視場光闌所確定的接受角γ存在對應關系。一般情況下，光源面積會超過測量視場面積，如圖2所示 (換言之，α＞γ)。光源的輻射亮度數值可根據通過測試孔徑的輻射功率P(W)、測量視場面積A視場、以及立體角Ω計算得出:

圖2 測定輻射亮度和時間積分輻射亮度的示意圖

時間積分輻射亮度也可用同樣方法進行測量，只不過將測試的輻射能量值Q替代了光輻射功率P(W)。

IEC 62471提出對空間平均輻亮度的測試需要考慮人眼的物理移動和視覺特性，這種測試方法相對于傳統測試輻射亮度方法會有不同的實驗結果，但是其結果對于評價光源對人眼的危害更有實際意義。對于空間平均輻亮度的測量，需要指定一個接收角γ，它與曝光時間密切相關。需要注意的是，該測試所指定的視場面積就有可能比光源面積小 (如圖3a)，也有可能比光源面積大 (如圖3 b)，這是由光源危險類別所對應的光源尺寸和曝光時間所決定的。這一點與傳統的輻射亮度測試方法非常不同，在傳統測試方法中，光源面積一定是超過測試視場面積的。

圖3 光源與視場尺寸對比

如果光源面積比視場面積大，對應著圖3 a所示，光源視場角α的數值大于圓形視場光闌對應的接收角γ;如果光源面積比測試視場面積小，對應著圖3b所示，α數值小于γ數值。對于大光源而言，光源面積大于測試視場面積，因此實驗測得的輻射亮度數值和測試視場面積無關;對于小光源而言，生產商應該根據不同測試視場的具體情況做區別對待，以便準確評價產品安全性。

燈具以及LED制造商首先應確定光源的“真實”輻射亮度，用于和輻射限值做比對，最后做產品安全分類。IEC 62471規定，對于非危險類別的光源以及大多數被限制的藍光危害光源，其允許的最大的接收角γ數值為100mrad。如果以最苛刻條件的實驗為例，測試距離為200mm，視場接受角為100mrad，那么對應的測試視場直徑為20mm。然而，對于某些發光二極管芯片、單顆LED或者普通的燈絲，它們的尺寸往往會比20mm更小。如果此類小光源的空間平均輻射亮度數值剛好滿足非危險類別光源的限值，那么就意味著它們的“真實”輻射亮度數值要比限值高出 (γ/α)2倍 ［對于此類小光源，(γ/α)2＞1］。因此，如果一個燈具系統內安裝有多個類似的小光源 (比如高密度分布的LED陣列燈具)，那么該燈具就有可能超過非危險類別的限值。

還有一種特殊情況是燈具內安裝有光束整形器件，燈具內較小的表觀光源有可能會被放大或擴展，并有可能超過測試視場面積。在這種情況下，光源的“真實”輻射亮度在一級近似下并不會發生改變。

另外，IEC/TR 62471—2也提到:對于被列為非危險類別的光源，如果在10000s曝光時間內是安全的，那么對于更短的曝光或者觀察時間內也應該是安全的，換言之，該光源可以滿足危險類別1和危險類別2的要求。

6 總結

針對最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光輻射安全的制造導則》提到的輻射亮度對擴展光源輻射危害的評價方法和要求，本文基于輻射亮度的特性，主要闡述了視網膜曝輻限值和光源參數的關系、輻射亮度在危害評價中的各種應用局限，以及光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關系。燈具和LED生產商在實際檢測過程中應全面理解和考慮這些檢測細節，以便能對燈和燈系統的光生物安全性采用正確的檢測和評價方法，最終給出準確合理的安全等級分類。

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

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

［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).