光生物輻射安全測量技術(shù)

過 峰，喬 波，趙介軍

(1. 無錫出入境檢驗檢疫局，江蘇 無錫 214101；2.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江 杭州 310030)

引言

光生物輻射安全是人類健康所面臨的一項新的課題，由于光學(xué)輻射對人皮膚和眼睛的損傷是一復(fù)雜的光生物和光化學(xué)作用過程，目前主要考慮在八小時內(nèi)的正常輻照下造成的光化學(xué)作用和熱輻射作用。國際上非常關(guān)注各種產(chǎn)品的光輻射對人可能造成的潛在危險，歐盟已納入CE認證；全球電工產(chǎn)品符合性認證委會IECEE也已成立了光生物安全工作組，開展統(tǒng)一的認證。但是，光生物輻射安全的測量和評估涉及復(fù)雜的測試、分析技術(shù)，很多國家都投入了較大的精力進行此項技術(shù)的研究，我國在測試技術(shù)方面走在國際的前列，提出了視網(wǎng)膜輻射測量技術(shù)等新方法，并牽頭國際標準IEC 62471-4 的制訂。

1 光譜輻射測量

用于光輻射安全測量評價的光譜輻射計光譜響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋光生物危害的作用光譜范圍。對于某一種光生物安全的評價，要求所對應(yīng)測量的寬帶探測器，其光譜響應(yīng)函數(shù)應(yīng)該與光生物作用光譜函數(shù)一致，也就是要求采用對應(yīng)波長范圍敏感的光電探測器或熱釋電探測器，加上光譜修正用濾光片和帶外截止濾光片組成，構(gòu)成與圖1所示的作用函數(shù)一致的有效光生物效應(yīng)探測系統(tǒng)。

圖1 光生物安全作用光譜加權(quán)函數(shù)Fig.1 Spectral weighting function for photobiological

但是，由于光譜響應(yīng)涉及個數(shù)量級的精確匹配以外的截止響應(yīng)，目前尚無一款這種有效光生物效應(yīng)探測器可以真正用于光生物輻射安全測量評價；此外，光生物安全評價涉及的200nm～3000nm寬波段多數(shù)的測量，所以目前國際上可行的方法是采用光譜輻測量技術(shù)。通常采用多光柵分光和多種探測器的組合測量方式，選擇與掃描波段對應(yīng)的光電探測器檢測從單色儀出射的單色光。但是多探測器存在與單色儀輸出光譜匹配、耦合、同步等問題。例如光生物輻射典型的作用函數(shù)，如紫外危害作用光譜加權(quán)函數(shù)SUV(λ)在不同波長有四個數(shù)量級的差別，藍光危害作用光譜加權(quán)函數(shù)B(λ)有三個數(shù)量的差別，探測器的光譜響應(yīng)很難匹配到所要求的光生物作用光譜函數(shù)。此外，探測器的帶外截止性能也是非常重要的，即探測器對于非該光生物作用效應(yīng)所產(chǎn)生響應(yīng)的抑制能力。特別是對于紅外波段光生物安全測量時，利用紅外輻射探測器成為了一種紅外輻射測量的簡單實現(xiàn)途徑。但是由于紅外探測器在整個紅外光譜區(qū)域很難做到平坦的光譜響應(yīng)，并且在3000nm以上時輻射無法截止(如圖2所示)，這會對紅外輻射的測量帶來很大的影響。

圖2 紅外輻射探測器帶外截止能力Fig.2 Band rejection of infrared radiation detector

表1列出了不同色溫光源在光生物安全涉及的波長范圍200nm～3000nm內(nèi)，與波長范圍3000nm～5000nm內(nèi)的發(fā)射值。從表中可以看出，不同色溫的光源，在不同的波長范圍內(nèi)的發(fā)射值有著明顯的差異。對于色溫低于1118K的光源，200nm～3000nm波長范圍內(nèi)的發(fā)射值低于3000nm～5000nm的發(fā)射值。隨著色溫的升高，200nm～3000nm的發(fā)射值逐漸增大，3000nm～5000nm的發(fā)射值逐漸降低，且發(fā)射值的比值存在顯著的變化。這說明，在進行低色溫光源的測量時，由于3000nm以上波長的發(fā)射能量顯著高于200nm～3000nm內(nèi)的發(fā)射值，對于帶外信號截止能力較差的紅外輻射探測器來說，會導(dǎo)致較大的測量誤差，從而影響被測光源光生物危害等級的評價。

表1 不同色溫光源在不同波長范圍下的發(fā)射值對比Table 1 Contrast values of different color temperature light source emitting at different wavelength ranges

基于上述原因，傳統(tǒng)的基于探測器技術(shù)進行光生物安全的測量，已不能滿足測量精度的要求，需要利用光譜輻射分析儀進行200nm～3000nm整個波長范圍內(nèi)的波長掃描。并且由于不同危害種類，其發(fā)射限值可能相差4～5個數(shù)量級。因此，光譜輻射分析儀應(yīng)具有足夠?qū)挼膭討B(tài)響應(yīng)范圍。由單色儀和探測器組成的光譜輻射分析儀，其光譜響應(yīng)函數(shù)(狹縫函數(shù))應(yīng)符合等腰三角形函數(shù)。對于逐步測量的方式，采樣波長間隔應(yīng)與光譜輻射計的光譜響應(yīng)帶寬相同，或是它的1/N(N為整數(shù))。光譜響應(yīng)的帶寬要求如表2所示。

表2 光譜響應(yīng)帶寬Table 2 Spectral response bandwidth

若光譜輻射計的光譜響應(yīng)函數(shù)偏離等腰三角形函數(shù)，則應(yīng)采用更小的帶寬和采樣間隔。同時，由于不同危害類型的評價需要與對應(yīng)的作用光譜加權(quán)函數(shù)進行加權(quán)積分，光譜輻射計的波長精度會明顯影響加權(quán)的光生物輻射量。表3列出了用于光生物安全測量的光譜輻射分析儀的波長準確度。特別需要指出的是，由于在300nm～325nm波長范圍內(nèi)，作用光譜加權(quán)函數(shù)SUV(λ)急劇下降三個數(shù)量級，所以該范圍的波長精度應(yīng)不低于0.1nm。

表3 波長準確度Table 3 Wavelength accuracy

2 光輻射亮度計表觀光源測量

對于人眼視網(wǎng)膜的潛在危害測量與評價，需要涉及到光輻射亮度和表觀光源的測量。由于人眼是一個及其精密和復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，人眼觀察物體的過程及物體在視網(wǎng)膜上的成像非常特殊。所以，進行光輻射亮度和表觀光源的測量設(shè)備，需要能夠模擬人眼光學(xué)系統(tǒng)，并符合人眼觀察物體及成像的過程。

進行光輻射亮度的測量，通常利用點成像輻射亮度計和面成像輻射亮度計，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。傳統(tǒng)輻射亮度計典型的測量視場角通常為0.1°、1°和2°；鏡頭的入射孔徑為30mm～50mm，并且在不同測試距離下的調(diào)焦過程中，鏡頭的入射孔徑會發(fā)生變化；位于透鏡之后的孔徑光闌，使得亮度計的入瞳位于透鏡與探測器之間，無法確定準確的測量距離。

圖3 傳統(tǒng)輻射亮度計結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of traditional radiation luminance meter

在光生物安全測量與評價中，視網(wǎng)膜受輻照的面積是決定藍光危害和視網(wǎng)膜熱危害輻射值的重要因素。且人眼的生理結(jié)構(gòu)決定了在不同持續(xù)觀察時間下，可視點光源在視網(wǎng)膜上的視場角會發(fā)生變化。當觀察時間小于等于0.25s時，可視點光源在視網(wǎng)膜上成像的圖像尺寸為1.7mrad；觀察時間為10s時，成像的圖像尺寸為11mrad；觀察時間大于10000s時，成像的圖像尺寸為100mrad。表4所示為不同觀察時間下，可視點光源在視網(wǎng)膜上的視場角。

表4 觀察時間與對應(yīng)的視場角Table 4 Observation time and corresponding FOV

所以，進行光生物安全相關(guān)的輻亮度測量時，測量系統(tǒng)需要能夠根據(jù)不同輻照時間對應(yīng)的測量視場角，進行不同危害等級輻射值的測量。同時，由于人眼的瞳孔直徑為7mm，所以在標準中規(guī)定了采用最小直徑為7mm，最大直徑為50mm的接收孔徑作為限制視場的入射光闌?；诖?，采用傳統(tǒng)的點成像輻射亮度計和面成像輻射亮度計進行光輻射亮度的測量方式，已經(jīng)不適合光生物安全的測量與評價。

我國對人眼睛視網(wǎng)膜損傷在國際上進行了深層次的研究，研制了模擬人眼成像的專用成像亮度計[1]。見圖4，專用亮度計利用CCD成像模擬人眼睛視網(wǎng)膜感光細胞，可以根據(jù)測量的輻亮度圖像，按照IEC 62471標準要求實現(xiàn)100mrad、11mrad、1.7mrad不同視場角的測量要求，且完全可以通過軟件實現(xiàn)。接收孔徑限定為7mm，嚴格模擬人眼的瞳孔尺寸，防止采用25mm或50mm接收孔徑測量空間輻射不均勻的被測產(chǎn)品時，對測量帶來的誤差。對不同距離目標測量和對焦過程中，測量視場角與入射孔徑始終保持恒定，這也是專用成像亮度計光學(xué)機構(gòu)最顯著的特點。同時，將專用亮度計與光譜輻射度測量技術(shù)進行有機結(jié)合，形成了模擬人眼視網(wǎng)膜的光量輻射損傷亮度測量裝置。該裝置可同時進行成像和光譜測量，并由同視場的光譜輻射亮度校準成像亮度分布，解決了藍光危害的光譜輻亮度加權(quán)積分的要求，實現(xiàn)高精度不同視場角的有效藍光輻射危害以及視網(wǎng)膜熱損傷的有效輻射亮度的測量。

圖4 模擬人眼視網(wǎng)膜的光輻射損傷亮度測量裝置Fig.4 Measuring device of simulate human retinal damage

3 最大輻射量的測量

由于無法預(yù)知某個光源或照明產(chǎn)品的實際使用情況，例如角度、距離和輻射時間等。所以，光生物輻射安全的評價通常是在最嚴格的條件下進行的。但是對于經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計后的某些照明產(chǎn)品，通常具有復(fù)雜的空間輻射分布，特別是對于LED擴展光源，最大輻射可能對應(yīng)于不同的位置，而且也不一定是光源的中心位置。如圖5所示，兩款照明產(chǎn)品的空間輻射分布示例。所以在進行復(fù)雜空間輻射分布的照明產(chǎn)品光生物輻射測量時，需要確定表觀光源上最大輻射的方向和區(qū)域，并在該最嚴苛條件下測量對應(yīng)的輻照度或輻亮度。

圖5 照明產(chǎn)品空間輻射分布示例Fig.5 Space radiation of a lighting products sample

將分布光度測量技術(shù)與光生物安全測量技術(shù)進行結(jié)合，通過測量被測照明產(chǎn)品的空間光束分布情況，得到其最大輻射量值所對應(yīng)的角度與輻射方向，然后在該方向角度下進行輻照度和輻亮度測量的方法，很好的解決了對于具有復(fù)雜的空間輻射分布照明產(chǎn)品光生物輻射的測量與評價。

4 危害距離

IEC 62471[2]對于光生物輻射危害的評價規(guī)定了兩種典型的測量距離。對于普通照明(GLS)用燈，危害值應(yīng)在產(chǎn)生500lx照度的距離下給出，但這個距離不應(yīng)小于200mm。對其余所有光源，包括脈沖燈，危害值是在200mm的距離下給出。但是無論500lx還是200mm，通常不能正確反映有意或無意的觀察者，在一個合理的距離所受到的真正危害。如圖6所示，對于一個特定的照明產(chǎn)品，用戶的接觸距離可能會有多種情況，所以在最嚴苛接觸條件評價處的危害等級對用戶并不具有指導(dǎo)意義。

圖6 照明產(chǎn)品與人體接觸距離Fig.6 Lighting products and accessible distance to the human

在用戶的日常使用過程中，人們更加關(guān)心如何正確的使用照明產(chǎn)品，以有效的避免光生物輻射危害。這涉及到人體可接觸的最小安全距離、允許的曝輻時間和觀察情況(有意或無意觀察)。其中，人體可接觸的最小安全距離即危害距離，在照明產(chǎn)品的使用過程中最為關(guān)鍵。危害距離定義為測得的光源輻射值等于相應(yīng)的曝輻限值的位置與光源之間的距離[3-4]。為了得到不同危害類型、不同危害等級對應(yīng)的危害距離，在測量時，需要測量在何種距離條件下，被測光源的發(fā)射值達到了對應(yīng)的曝輻限值，從而得到相應(yīng)的危害距離。以便有針對性的采取防護措施，避免受到光生物輻射的危害[5-6]。

5 總結(jié)

我國在光生物輻射安全的測量和評估研究已經(jīng)走在世界的前列，通過國際標準的制訂，相關(guān)測量技術(shù)與系統(tǒng)已經(jīng)在國際上發(fā)揮主導(dǎo)作用。同時，隨著國際標準的同步采用，繼歐盟和美國之后，為保障使用者的安全，我國對各類進入市場的照明產(chǎn)品，也將陸續(xù)把光生物輻射安全納入強制性的安全要求之中。并通過光生物輻射測量技術(shù)的發(fā)展，為用戶安全地使用照明產(chǎn)品和避免光生物輻射危害提供指導(dǎo)。

[1] Mou Tongsheng， Yu Jiangdong， Li Li. A Rentinal radiance meter[C]. Turin: CIE X033:2008 PROCEEDINGS of the CIE Expert Symposium on Advances in Photometry and Colorimetry, 2008.

[2] IEC 62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems[S].

[3] IEC 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance on manufacturing requires relating to non-laser optical radiation safety[S].

[4] GB/T 30117.2燈和燈系統(tǒng)的光生物安全 第2部分：非激光光輻射安全相關(guān)制造要求指南[S].

[5] 喬波, 程麗玲. 光生物輻射危害解讀[J]. 照明工程學(xué)報, 2013, 24(S1): 61-65.

[6] 喬波, 牟同升. LED產(chǎn)品的光輻射安全國際標準——制造商應(yīng)該考慮的問題[C]. 武漢：第十三屆全國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)研討會, 2012.