光生物輻射安全測(cè)量

程麗玲 李 利 徐哲諄 喬 波

（1.浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局 浙江杭州 311215；2.杭州浙大三色儀器有限公司）

1 前言

照明系統(tǒng)的光生物輻射是以日常8小時(shí)工作時(shí)間作為輻射衡量時(shí)間，通過(guò)設(shè)定曝輻限值對(duì)應(yīng)的特定危害，來(lái)衡量光輻射對(duì)眼睛前側(cè)部分（角膜、結(jié)膜與晶狀體）、視網(wǎng)膜和皮膚的潛在損害。標(biāo)準(zhǔn)IEC62471[1]是假設(shè)曝輻時(shí)間、瞳孔大小和觀察距離等處于最嚴(yán)酷的條件下，對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行光生物輻射測(cè)量（輻照度E或輻亮度L），然后按危險(xiǎn)等級(jí)分類。對(duì)于普通照明（GLS）用燈，標(biāo)準(zhǔn)要求其危害值應(yīng)在產(chǎn)生500勒克斯（lx）照度的距離處測(cè)定，但這個(gè)距離不應(yīng)小于200mm；對(duì)其余光源，包括脈沖燈，危害值的測(cè)定距離為200 mm。但是實(shí)際上，在許多情況下，并不能很清晰地確定一個(gè)光源是否用于普通照明或其他用途，這就給測(cè)量距離的選擇帶來(lái)了困難，同時(shí)在此測(cè)量距離測(cè)量合格的燈具其危害距離又該如何確定？本文旨在對(duì)光生物輻射中測(cè)量距離和危害距離的研究，進(jìn)一步探討測(cè)量距離對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響，并明確危害距離以避免光生物輻射對(duì)用戶的危害。

2 研究方法

2.1 光生物輻射測(cè)量中兩種典型測(cè)量距離的確定

2.1.1 測(cè)量距離為500 lx

當(dāng)選擇用500 lx作為測(cè)量距離時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)照度計(jì)與被測(cè)產(chǎn)品之間的距離，直至被測(cè)產(chǎn)品在某一位置處的照度為500 lx，則該位置與被測(cè)產(chǎn)品之間的距離即為500 lx的測(cè)量距離。

2.1.2 測(cè)量距離為200 mm

當(dāng)選擇200 mm作為測(cè)量距離時(shí)，由于此時(shí)所說(shuō)的200 mm，是指從被測(cè)產(chǎn)品的表觀光源到測(cè)量系統(tǒng)的入射孔徑之間的距離（如圖1所示），這就為200 mm測(cè)量距離的確定帶來(lái)了兩個(gè)難題，一是被測(cè)產(chǎn)品的表觀光源所在的位置，二是測(cè)量系統(tǒng)入射孔徑所在的位置。

圖1 200mm測(cè)量距離的確定

由于表觀光源的位置不一定是實(shí)際光源所處的位置，特別是對(duì)于外加透鏡的光源來(lái)說(shuō)，表觀光源是指由芯片等發(fā)光體經(jīng)透鏡所成的像，此時(shí)的像可能是實(shí)像也可能是虛像，且位置可能在發(fā)光體之前也可能在發(fā)光體之后，這使得表觀光源的位置難以確定，圖2顯示了燈絲經(jīng)凹透鏡后所成的像位于實(shí)際燈絲的后面。此外，對(duì)于不同的測(cè)量系統(tǒng)，入射孔徑可能位于成像透鏡組系統(tǒng)之前（如圖3a所示），也可能位于成像透鏡組系統(tǒng)之后（如圖3b所示），特別是當(dāng)入射孔徑位于成像透鏡組系統(tǒng)之后時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中無(wú)法確定當(dāng)前情況下入射孔徑的實(shí)際位置?？梢?jiàn)，在光生物輻射危害的評(píng)價(jià)測(cè)量中，200 mm測(cè)量距離的確定相對(duì)難度較大。

圖2 帶有透鏡光源的成像

圖3 測(cè)量系統(tǒng)的入射孔徑

2.2 危害距離的測(cè)量與評(píng)價(jià)

2.2.1 危害距離

燈或燈具的空間輻射往往是發(fā)散的，所以在最嚴(yán)酷情況下進(jìn)行的光生物輻射危險(xiǎn)等級(jí)分類，可能無(wú)法正確反映觀察者在一個(gè)合理的距離所受到的真正危害。而且對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，他們通常不關(guān)心一個(gè)照明產(chǎn)品屬于何種危險(xiǎn)類型和危險(xiǎn)等級(jí)，他們所關(guān)心的是使用的照明產(chǎn)品是否會(huì)對(duì)自己的健康造成影響。因此，在最嚴(yán)酷條件下評(píng)判出的危險(xiǎn)等級(jí)，會(huì)給消費(fèi)者傳遞一個(gè)錯(cuò)誤的概念：一個(gè)照明產(chǎn)品一旦不屬于0類危險(xiǎn)等級(jí)，它就不安全，就不可用。實(shí)際上，對(duì)于不同危險(xiǎn)等級(jí)的照明產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它的安全性與危險(xiǎn)性均是相對(duì)的。任何被評(píng)價(jià)為安全的照明產(chǎn)品在不正確的使用情況下，仍然會(huì)存在一定的危險(xiǎn)，例如長(zhǎng)時(shí)間、近距離的直視光源；同樣，任何被評(píng)價(jià)為有危險(xiǎn)的照明產(chǎn)品在采取了一定的防護(hù)措施后，使用者可能不會(huì)受到任何輻射危害，例如短時(shí)間、長(zhǎng)距離的接觸輻射源。這樣，在最嚴(yán)酷條件下評(píng)判出的危險(xiǎn)等級(jí)，并沒(méi)有給消費(fèi)者一個(gè)直觀、具體的概念，告訴如何有效地避免光生物輻射，反而使消費(fèi)者產(chǎn)生了只要是非0類危險(xiǎn)的照明產(chǎn)品就是不可用的錯(cuò)誤理念。

在IEC62471-2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)的制造要求指南中，首次提出了危害距離的概念[2]。危害距離是指該距離處所測(cè)得的光源輻射值等于相應(yīng)的曝輻限值。對(duì)于一個(gè)照明產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它的光生物輻射存在的6種危害類型，每種類型又對(duì)應(yīng)3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。因此，每種危害類型下的每個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)都分別對(duì)應(yīng)一個(gè)危害距離。

2.2.2 基于E評(píng)價(jià)的危害距離

在光生物輻射危害分類中，有5種危害類型的評(píng)價(jià)是通過(guò)E值與相應(yīng)的光譜作用加權(quán)函數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算，得到相應(yīng)的危險(xiǎn)等級(jí)分類，如表1所示。所以，對(duì)于由E進(jìn)行評(píng)價(jià)的危害類型，需要利用輻射測(cè)量的平方反比定律確定觀看的安全距離[3-4]。

表1 與E相關(guān)的光生物輻射危害類型

然而，平方反比定律只能應(yīng)用于光源尺寸小于測(cè)試距離，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的發(fā)散光源（一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試距離是光源尺寸的5倍以上）；在給定光源E的情況下，不同光源尺寸以及不同距離處對(duì)應(yīng)E之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同光源尺寸和測(cè)量距離下的E歸一化值

從圖4中的箭頭可知，當(dāng)測(cè)試距離是光源尺寸的5倍以上時(shí)，利用簡(jiǎn)單的平方反比定律求出的值（——線）與L和E的相互關(guān)系（……線）之間的誤差小于1%?！鳌鳌鳌骶€表示考慮了與之對(duì)應(yīng)的對(duì)邊角范圍（αmin和αmax之間)，它表明了根據(jù)IEC62471所做的危害評(píng)估，一般采用遠(yuǎn)場(chǎng)條件。因此，進(jìn)行光度和E測(cè)量時(shí)，平方反比基本定律可用于危害距離的確定。

在此情況下，測(cè)試距離r1下的輻照度E1和測(cè)試距離r2下的輻照度E2的關(guān)系如下：

即，如果光譜加權(quán)E曝輻限值超過(guò)了r1距離下所得的E1值，則相應(yīng)的危害距離可計(jì)算為

式中，ELV為不同危害類型對(duì)應(yīng)危害等級(jí)的曝輻限值。

由于不同危險(xiǎn)類別有不同的曝輻限值，因此為了確定對(duì)觀察者的危害，可以為每個(gè)危險(xiǎn)類別確定相應(yīng)的危害距離。但是，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮帶有光束整形元件的光源。盡管如圖2所示的基本關(guān)系仍然成立，但是含有光束整形元件的光源可能會(huì)被放大，這意味著L和E的線性關(guān)系要在一個(gè)很遠(yuǎn)的距離或者平方反比關(guān)系成立的遠(yuǎn)場(chǎng)條件下才存在，這個(gè)距離稱之為閃亮距離。

如果已知投影系統(tǒng)中反射鏡或透鏡的焦距f、光源的直徑D和反射鏡（或透鏡）光圈直徑a，則可計(jì)算出該閃亮距離rf：

2.2.3 基于L評(píng)價(jià)的危害距離

與常規(guī)測(cè)試方法相比，IEC 62471的一個(gè)突出的特點(diǎn)就是利用空間平均L來(lái)代替光源L的“真實(shí)值”。與L相關(guān)的危害類型如表2所示。

表2 與L相關(guān)的光生物輻射危害類型

該測(cè)量方法不受真實(shí)光源對(duì)邊角限制，僅考慮其所應(yīng)用的光源平面區(qū)域的特定接收角γ內(nèi)L的平均值。因此，盡管測(cè)量距離增大到了危害距離的位置，但接收角必須保持不變（不受限于與光源之間的距離），否則光源的對(duì)邊角α?xí)p小。從一定的距離開(kāi)始，隨著與光源之間距離的增加，α開(kāi)始小于γ。從距離光源的此特定位置開(kāi)始，光源和空間平均L成平方反比關(guān)系，通常這對(duì)于確定危害距離來(lái)說(shuō)非常重要。

空間平均L隨測(cè)量距離的增加而減小，而且在空間平均L等于特定危險(xiǎn)等級(jí)限值的位置，可以確定相應(yīng)的危害距離。且光源尺寸越小，危害距離越短。應(yīng)當(dāng)指出的是，每個(gè)限值都結(jié)合了特定的γ。如果將γ隨著采用限值的變化造成的影響也考慮在內(nèi)，那么空間平均L隨著距離增加而減小的現(xiàn)象會(huì)更加顯著。

如果需要，可以計(jì)算出光源特定的距離rIS，在此計(jì)算中，光源與空間平均L之間不再是線性關(guān)系而是平方反比的關(guān)系。因此，與E限值方程類似，L限值的危害距離可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，LS是光源輻亮度；ELV是給定危險(xiǎn)類別和危害的空間平均L所采用的曝輻限值。上述關(guān)系式在危害距離計(jì)算值大于rIS時(shí)有效，每個(gè)危害類型和危害等級(jí)都可以計(jì)算出各自的危害距離。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)IEC62471-2，等級(jí)超過(guò)1類危險(xiǎn)的照明產(chǎn)品需要在產(chǎn)品包裝盒說(shuō)明書(shū)上進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識(shí)。所以，1類危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的危害距離，無(wú)論是對(duì)于產(chǎn)品的制造商還是消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)重要的參數(shù)[5]。在此情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了10種不同規(guī)格LED燈具在200 mm下的輻射值，并經(jīng)前處理后根據(jù)公式（2）和公式（4），對(duì)限值為10000 W.m-2.Sr-1的藍(lán)光危害1類危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的危害距離進(jìn)行了推算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量結(jié)果

表3最后一列為所測(cè)試的10個(gè)LED樣品達(dá)到藍(lán)光危害的1類危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，人體可接觸的最小危害距離。這個(gè)距離直觀地告訴消費(fèi)者，當(dāng)接觸距離小于該危害距離時(shí)，人體存在受到1類藍(lán)光危害的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)接觸距離大于該危害距離時(shí)，人體相對(duì)安全。

4 結(jié)論

在進(jìn)行光生物輻射安全測(cè)量時(shí)，要根據(jù)燈具或系統(tǒng)的特性及光學(xué)特點(diǎn)正確選擇測(cè)量距離；同時(shí)對(duì)于光生物輻射安全的關(guān)注，不應(yīng)該僅停留在簡(jiǎn)單的通過(guò)限值劃分燈具或系統(tǒng)的“好”與“壞”，而是要充分了解其不同危害類型和等級(jí)與危害距離的關(guān)系，告知用戶在何種規(guī)定的安全距離下使用，才能有效避免光生物輻射危害。

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