基于EN 62471:2008的LED燈串光生物安全檢測與分析

趙浩之 蔣春旭 王 深 林樹堅(jiān) 申中鴻

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州 510610)

1 引言

隨著低碳和環(huán)保理念的普及，綠色半導(dǎo)體照明——LED照明近些年來得到了長足的發(fā)展。LED燈具有傳統(tǒng)照明產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢:高光效、長壽命、高亮度等［1］。然而LED光源發(fā)出的光譜中，如果發(fā)光材料的工藝不過關(guān)，除了可見光外，紫外光、藍(lán)光或紅外光也會(huì)輻射出來，對人的眼睛和皮膚產(chǎn)生不同程度的光化學(xué)紫外危害和紅外輻射 (熱)危害，這就是常說的光生物安全。隨著LED照明使用率的提高，其光生物安全性就顯得更為重要。在國際上光生物安全的研究已經(jīng)有很多年了，早在1996年，北美照明學(xué)會(huì) (IESNA)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)組織(ANSI)就推出了《燈和燈系統(tǒng)光生物安全性推薦實(shí)施規(guī)程》，即ANSI/IESNA RP－27。ANSI/IESNA RP－27規(guī)定了光輻射安全的研究方法、曝輻限值、分類等內(nèi)容。2002年，國際照明委員會(huì) (CIE)制定了非激光的光安全標(biāo)準(zhǔn)CIE S009/E:2002。2006年，國際電工委員會(huì) (IEC)又以ANSI/IESNA RP－27.3－07為基礎(chǔ)制定了IEC 62471。2008年，歐盟電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) (CENELEC)對IEC 62471又進(jìn)行了修訂，將CE低電壓指令 (2006/95/EC)和人造光輻射指令 (AORD 2006/25)覆蓋，形成了EN 62471:2008。在我國，2006年發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20145－2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，此標(biāo)準(zhǔn)等同于 CIE S009/E:2002和IEC62471:2006［2，3］。

目前，在我國LED光源和燈具的光生物安全性還未列入強(qiáng)制性檢驗(yàn)的項(xiàng)目，但是如果要出口歐盟、北美等國家時(shí)，光生物安全則是必不可少的檢測項(xiàng)。在本文中，我們將參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 62471:2008對一種典型的白光LED燈串光生物安全性進(jìn)行檢測，并對IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)差異進(jìn)行簡要的比較和分析。

2 LED光生物安全檢測

標(biāo)準(zhǔn)IEC 62471中規(guī)定:普通照明用燈或燈系統(tǒng)的測量應(yīng)在產(chǎn)生500lx照度的距離下進(jìn)行，但不得小于20cm(普通照明是指辦公室、學(xué)校、家庭、工廠、道路、汽車等場合的照明);非普通照明評估距離為20cm(非普通照明是指電影投影、復(fù)印過程、探照燈、醫(yī)療、工業(yè)過程等場合)。因此，必須在500lx處或20cm距離處測量普通照明用LED產(chǎn)品。光生物安全測量主要涉及兩類物理量，輻照度和輻亮度，其對應(yīng)考察的輻射危害和人體部位如圖1所示。

圖1 光生物安全檢測Fig.1 Detection of photobiological safety

2.1 光譜輻照度

光譜輻照度的定義:在離開光源給定距離上，每單位面積和給定波長下的入射能量 (在無窮小波長范圍內(nèi)的輻照度除以該波長范圍)，單位為W/(m2·nm)。光譜輻照度在200－3000nm范圍內(nèi)測量。輻照度公式見式 (1)，光譜輻照度公式見公式(2)。

對LED燈進(jìn)行光譜輻照度測試之前，首先需要對光譜測試系統(tǒng)進(jìn)行校正。進(jìn)行校正要有光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈及其具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。具體校正方法和測量方法參見GB/T 20145－2006第 5章，燈和燈系統(tǒng)的測量［4］。

在測量過程中，與輻照度相關(guān)的曝輻限值分別為:315－400nm人眼的曝輻限值，EUVA;紅外各種情況的曝輻限值，EIR;皮膚熱曝輻限值，EH。與光譜輻照度相關(guān)的分別為:200－400nm皮膚的眼睛曝輻限值，ES;視網(wǎng)膜的藍(lán)光曝輻限值，對小光源的，EB。

2.2 光譜輻亮度

光譜輻亮度的定義為:從單位面積的光源表面射出的單位空間內(nèi)的能量 (在給定方向上)，單位為W/sr·m2·nm，光譜輻亮度在300－1400nm范圍內(nèi)測量。輻亮度公式見式 (3)，光譜輻亮度公式見式 (4)。

對LED燈進(jìn)行光譜輻亮度測試之前，同樣需要對測試系統(tǒng)進(jìn)行校正。具體校正方法和測量方法參見GB/T 20145－2006第5章，燈和燈系統(tǒng)的測量［4］。

與光譜輻亮度有關(guān)的曝輻限值分別為:視網(wǎng)膜的藍(lán)光曝輻限值，LB;視網(wǎng)膜的熱曝輻限值，LB;視網(wǎng)膜的熱曝輻限值，對微弱可見光刺激，LIR。

3 LED燈串光生物安全檢測與危害評估

3.1 試驗(yàn)參數(shù)測量

在本文中，我們使用了某型號輻射安全性能測試系統(tǒng) (圖2)，對某種白光LED燈串 (圖3)光生物安全性能進(jìn)行檢測。

圖2 某輻射安全性能測試系統(tǒng)Fig.2 One radiation safety testing system

圖3 某白光LED燈串Fig.3 One white LED light rope

在完成定標(biāo)后，移去光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈與白板，安裝上待測試的LED燈串，調(diào)整燈串中心位置與探測器平面的縱向距離，使其固定于20cm。然后通過移動(dòng)橫向?qū)к壣系腖ED燈座，使LED燈串的光源中心對準(zhǔn)各個(gè)探測器中心，從而實(shí)現(xiàn)各輻照度和輻亮度參數(shù)的測量。在本檢測中，為了更全面的考察該LED燈串的光生物安全性，我們分別對單個(gè)LED燈(圖4)和20個(gè)LED燈 (圖5)進(jìn)行測試。

圖4 單個(gè)LED燈Fig.4 Single LED bulb

圖5 20個(gè)LED燈Fig.5 20 LED bulbs

在按規(guī)定完成各個(gè)探測器的測量后，單個(gè)LED燈和20個(gè)LED燈組形成的相對光譜功率分布如圖6和圖7所示。

圖6 單燈光譜功率分布圖Fig.6 The spectrum power of single LED

圖7 20燈光譜功率分布圖Fig.7 The spectrum power of 20 LEDs

通過軟件采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)獲得光源在各個(gè)波段的輻照度和輻亮度測試結(jié)果:

單燈情況:

20燈情況:

3.2 危害評估

在完成了輻照度和輻亮度的測量之后，就需要對照EN 62471:2008標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的條款和曝輻限值對各個(gè)類別的光生物危害進(jìn)行等級評估，從而最終為此 LED 燈串劃分光生物危害等級［5，6］。

3.2.1 皮膚和眼睛的光化學(xué)紫外危害

入射到?jīng)]有采取保護(hù)措施的皮膚和眼睛的紫外輻射的曝輻限值僅適用于照射時(shí)間在8h以內(nèi)的情況。有效輻射的曝輻限值為30J·m－2。

為了保護(hù)眼睛或皮膚不受寬帶光譜光源產(chǎn)生的紫外輻射的損傷，光源的有效積分光譜輻照度ES不應(yīng)超過由公式 (5)定義的限值。

將試驗(yàn)測得的ES代入上式中，并且令t=8h=2.88e+04s，可得如下結(jié)果:

兩種情況均小于曝輻限值，可見該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生皮膚和眼睛的光化學(xué)紫外危害。

3.2.2 眼睛的近紫外危害

光譜范圍在315nm－400nm譜段的總輻射量在8h以內(nèi)不能超過10000J·m－2。

將檢測結(jié)果代入上式，并令t=8h=2.88e+04s，可得:

單燈:EUVA×t=1.18＜10000J·m－2

20LEDs:EUVA×t=3.456＜10000J·m－2.

兩種情況均小于曝輻限值，可見該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生眼睛的近紫外危害。

3.2.3 視網(wǎng)膜藍(lán)光危害

按照EN 62471:2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，需根據(jù)對邊角的大小確定不同的曝輻限值。當(dāng)α11mrad時(shí)，考察光源的輻亮度是否超出限制;當(dāng)α＜11mrad時(shí)，考察光源的輻照度是否超出限制。對于此類LED燈串而言，α11mrad考察的照射時(shí)間為10000s，而對于小光源α＜11mrad的情況，照射時(shí)間規(guī)定為100s。

具體曝輻限值如下:

由檢測數(shù)據(jù)可知，單燈的對邊角小于11mrad，而20燈的對邊角大于11mrad，所以兩者分別考核輻照度和輻亮度。結(jié)果如下所示:

兩種情況均小于曝輻限值，可見該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生視網(wǎng)膜的藍(lán)光危害。

3.2.4 視網(wǎng)膜熱危害

考察視網(wǎng)膜的熱危害，主要集中在380－1400nm波段的輻射情況。其中曝輻限值的確定根據(jù)眼睛的觀察時(shí)間分為三種情況:t10μs，10μst10s和t＞10s。對于本LED燈串而言，眼睛的觀察時(shí)間為大于10s，所以對應(yīng)的計(jì)算公式如下:

而且對于Cα的取值，也與α的大小有關(guān)，具體關(guān)系如下:

在本例中，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得:

單燈:

綜上所述，兩種情況均小于曝輻限值，可見該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生視網(wǎng)膜的熱危害。

3.2.5 視網(wǎng)膜熱危害－對微弱視覺刺激

考察視網(wǎng)膜的熱危害，主要集中在780－1400nm波段的輻射情況。在考察此類危害時(shí)，EN的標(biāo)準(zhǔn)同樣考慮了不同的照射時(shí)間，t10μs，10μst10s和 t＞10s。在本例中，照射時(shí)間為大于10s，所以只考慮這個(gè)范圍的情況:

對于Cα的取值，與α的大小有關(guān)，具體關(guān)系如下:

在本例中，代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得:

單燈:

綜上所述，兩種情況均小于曝輻限值，可見該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生此類視網(wǎng)膜的熱危害。

3.2.6 眼睛的紅外輻射危害

為了避免對眼角膜的熱危害以及對晶狀體的后遺癥，對于在波長780－3000nm之間的紅外輻射，在照射時(shí)間1000s之內(nèi)，紅外輻射的限值不能超過式 (11)規(guī)定的限值:

本試驗(yàn)中，測得的EIR均為0，因此說明該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生眼睛的紅外輻射危害。

3.2.7 皮膚熱危害

同理，可見光和紅外輻射 (380－3000nm)對皮膚的輻射應(yīng)小于以下曝輻限值:

本試驗(yàn)中，測得的EH均為0，因此說明該LED燈串不會(huì)產(chǎn)生皮膚熱危害。

綜上所述，該類LED燈串滿足無危險(xiǎn)類燈的要求，即對于標(biāo)準(zhǔn)在極限條件下也不會(huì)造成任何光生物危害。

4 EN 62471:2008與IEC 62471:2006的差異小結(jié)

前面已經(jīng)提到，IEC 62471在歐洲采用的版本即為EN 62471:2008，它是與歐盟的“低電壓指令”和“人造光輻射指令”協(xié)調(diào)兼用的。凡出口歐盟國家的LED類產(chǎn)品都要按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行光生物安全性的檢測。在本文的第二部分我們參照EN 62471:2008對某種LED燈串進(jìn)行檢測，現(xiàn)對檢測過程中涉及到EN標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的差異作一個(gè)總結(jié)。

1)EN標(biāo)準(zhǔn)紫外線波長從180nm開始，而IEC標(biāo)準(zhǔn)則從200nm開始計(jì)算，可參見本文2.2.1中的公式 (5)，計(jì)算皮膚和眼睛的光化學(xué)紫外危害;

2)對于各種危害的加權(quán)函數(shù)，EN標(biāo)準(zhǔn)以1nm的步長列出，而IEC以5nm步長列出。這說明了EN標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算總輻射量時(shí)具有更高的精度;

3)對于眼睛的近紫外危害，見本文2.2.2。關(guān)于照射時(shí)間的規(guī)定，EN標(biāo)準(zhǔn)是8h，而IEC標(biāo)準(zhǔn)是1000s。而在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的總的曝輻射量是一樣的，所以可見EN標(biāo)準(zhǔn)對于限值的要求更加苛刻;

4)對于視網(wǎng)膜的藍(lán)光危害，見本文2.2.3。EN標(biāo)準(zhǔn)對光源的對邊角有詳細(xì)的規(guī)定，即當(dāng)對邊角大于11mrad時(shí)，只考慮輻亮度這個(gè)參數(shù)是否滿足曝輻限值;當(dāng)對邊角小于11mrad時(shí)，只考慮輻照度是否滿足限值的要求。而IEC標(biāo)準(zhǔn)中并無明確說明對邊角的大小對于檢測的影響，只是提到當(dāng)對邊角小于11mrad時(shí)，可以用輻照度代替輻亮度考察;

5)對于視網(wǎng)膜的熱危害，見本文2.2.4和2.2.5。EN標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)照射時(shí)間的長短將限值的計(jì)算分成了三種方式，而且對于Ca的取值還有特殊的規(guī)定，這些都是和IEC標(biāo)準(zhǔn)具有很大區(qū)別的。

總的來說，EN標(biāo)準(zhǔn)對于IEC標(biāo)準(zhǔn)在曝輻限值的計(jì)算和照射時(shí)間的選取方面有一些改進(jìn)，并且更多的考慮到對邊角的大小對于輻射量的影響。在波長范圍和危害加權(quán)函數(shù)方面，都在精度上有一定的提升。

5 結(jié)論

本文基于EN 62471:2008標(biāo)準(zhǔn)對一種LED燈串的光生物安全性進(jìn)行了檢測，并對其危害等級進(jìn)行了評估和分析。在LED燈串危害等級評估過程中，采用了EN標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)不同的要求，主要體現(xiàn)曝輻限值和照射時(shí)間以及對邊角的考慮等幾個(gè)方面上。本文還對國際上光生物安全的檢測的發(fā)展作了簡單介紹，并簡要總結(jié)了IEC 62471:2006和EN 62471:2008兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異。相信隨著更多產(chǎn)品出口歐盟，EN標(biāo)準(zhǔn)的使用將會(huì)更加廣泛和成熟。

［1］俞建峰，顧高浪，陶宏錦.LED照明產(chǎn)品質(zhì)量控制與國際認(rèn)證［M］.人民郵電出版社，2012.

［2］徐學(xué)基.關(guān)于發(fā)光二極管產(chǎn)品的光生物安全性及其標(biāo)準(zhǔn)問題 (一)［J］.光源與照明，2011，4:29－31.

［3］徐學(xué)基.關(guān)于發(fā)光二極管產(chǎn)品的光生物安全性及其標(biāo)準(zhǔn)問題 (二)［J］.光源與照明，2012，1:36－39.

［4］GB/T20145—2006，燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性［S］.

［5］BS EN 62471:2008，Photobiological safety of lamps and lamp systems［S］.

［6］陳慧挺，蔡喆，吳曉晨，等.大功率LED路燈的光生物安全測試與分析［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(6):191－196.