可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價系統(tǒng)研究

許巧云

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 福州 350015）

引言

智能可穿戴產(chǎn)品通常包括眼接觸式和皮膚接觸式，通過與人體相關(guān)部位的接觸，起到生理指標(biāo)監(jiān)測、理療、信息顯示等功能。因此，此類設(shè)備通常會發(fā)射光輻射，涉及的波長范圍涵蓋紫外到紅外。目前，對此類產(chǎn)品光輻射的安全測量并無專門標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范，導(dǎo)致此類商品的檢測、標(biāo)識和使用的混亂、容易引發(fā)安全事故。隨著智能腕表、便攜理療、AR/VR等可穿戴設(shè)備使用的日益廣泛，加之其具有的近眼或近膚接觸的特性，因此，其光輻射安全問題不容忽視。同時，國內(nèi)相關(guān)的軟件企業(yè)也未涉足該方面研究。本項目所開發(fā)的光輻射安全風(fēng)險評價分析系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)快速的分析出智能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級，大大節(jié)約人力和時間，提高工作效率。

1 軟件評價系統(tǒng)設(shè)計

光輻射安全風(fēng)險評價分析系統(tǒng)總共有2大子系統(tǒng)，他們分別是：連續(xù)發(fā)射光源評價系統(tǒng)、脈沖光源評價系統(tǒng)。這兩大系統(tǒng)是根據(jù)所測試光源種類來區(qū)分的。連續(xù)發(fā)射光源評價分析系統(tǒng)根據(jù)IEC 62471-5:2015表3中的連續(xù)發(fā)光光源不同危險類別的發(fā)射限值運(yùn)算判斷智能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。脈沖光源評價系統(tǒng)是先根據(jù)脈沖持續(xù)時間和測試對象角確定最大接收角amax。再根據(jù)測試對象角和時間基準(zhǔn)中的脈沖數(shù)選擇C5和α的計算方式，最終求出Lr和Lir的限值，來判斷智能可能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。另外的ES、EUVA和LB同連續(xù)發(fā)射光源評價系統(tǒng)的算法一致。

1.1 運(yùn)行環(huán)境

軟件應(yīng)在以下兩種環(huán)境中運(yùn)行：

1）計算機(jī)硬件

選用高檔微機(jī)或?qū)Ｓ梅?wù)器，其中：CPU:PentiumII/266或以上；內(nèi)存(RAM):>=64M；硬盤:4.3G以上*2(備份)；顯示器:15”高分辨率彩顯，網(wǎng)卡:NE2000或PCI網(wǎng)卡；CD-ROM:24速或以上；軟驅(qū)1.44MB+鍵盤/鼠標(biāo)。

2）計算機(jī)軟件

采用C#語言進(jìn)行編譯并生成相應(yīng)執(zhí)行文件格式，在Windows 7以上運(yùn)行，電腦必須安裝.net framework 3.5的運(yùn)行環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

本項目依托現(xiàn)代信息技術(shù)，設(shè)計了光輻射安全風(fēng)險評價分析系統(tǒng)（見圖1）。其計算過程由計算機(jī)自動完成。對于分析的算法都程序化，保證計算過程不會出錯。使試驗人員脫離了繁復(fù)的計算工作，提高實(shí)驗室的工作效率。

圖1 系統(tǒng)界面

1）系統(tǒng)框架圖

光輻射安全風(fēng)險評價分析系統(tǒng)總共有2大子系統(tǒng)，他們分別是：連續(xù)發(fā)射光源評價系統(tǒng)、脈沖光源評價系統(tǒng)。光輻射安全風(fēng)險評價分析系統(tǒng)通過對光學(xué)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算可以精確快速的判斷出所測試的智能可能可穿戴產(chǎn)品安全評價是屬于哪個級別。其框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2）系統(tǒng)總的流程圖（見圖3）

圖3 系統(tǒng)流程圖

當(dāng)程序開始運(yùn)行之后，根據(jù)可穿戴產(chǎn)品的光源類型選擇光源類型按鈕，連續(xù)發(fā)射光源評價分析系統(tǒng)根據(jù)IEC 62471-5:2015表3中的連續(xù)發(fā)光光源不同危險類別的發(fā)射限值運(yùn)算判斷智能可能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。脈沖光源評價系統(tǒng)是先根據(jù)脈沖持續(xù)時間和測試對象角確定最大接收角amax。再根據(jù)測試對象角和時間基準(zhǔn)中的脈沖數(shù)選擇C5和α的計算方式，最終求出Lr和Lir的限值，來判斷智能可能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。另外的ES、EUVA和LB同連續(xù)發(fā)射光源評價系統(tǒng)的算法一致。

1.2.1 連續(xù)發(fā)射光源評價系統(tǒng)

此系統(tǒng)是針對光源類型為連續(xù)發(fā)射光源的可穿戴產(chǎn)品。其流程圖如圖4所示。

連續(xù)發(fā)射光源評價分析系統(tǒng)根據(jù)IEC 62471-5:2015表3中的連續(xù)發(fā)光光源不同危險類別的發(fā)射限值運(yùn)算判斷智能可能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。

1.2.2 脈沖光源評價系統(tǒng)

此系統(tǒng)是針對光源類型為脈沖發(fā)射光源的可穿戴產(chǎn)品。其流程圖如圖5所示。

圖5 脈沖發(fā)光光源系統(tǒng)流程圖

脈沖光源評價系統(tǒng)是先根據(jù)脈沖持續(xù)時間和測試對象角確定最大接收角amax。再根據(jù)測試對象角和時間基準(zhǔn)中的脈沖數(shù)選擇C5和α的計算方式，最終求出Lr和Lir的限值，來判斷智能可能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價等級。

2 硬件測量系統(tǒng)要求

2.1 光譜測量設(shè)備

用于可穿戴設(shè)備光輻射安全測量的光譜輻射分析儀，光譜響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋光輻射危害的作用光譜范圍200～3000 nm。光譜輻射分析儀的雜散光應(yīng)小于0.3 %。

對于不同危害類型和危險級別的可穿戴設(shè)備，其輻射值可能相差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，線性度應(yīng)優(yōu)于0.3 %。

光譜輻射分析儀的光譜響應(yīng)函數(shù)（狹縫函數(shù)）應(yīng)符合等腰三角形函數(shù)。對于每一波長逐步測量方式，采樣波長間隔應(yīng)與光譜輻射分析儀的光譜響應(yīng)帶寬相同，或是它的1/N（N為整數(shù)）。在200～400nm波長范圍，儀器的光譜響應(yīng)帶寬應(yīng)不大于4nm；400～600nm波長范圍，儀器的光譜響應(yīng)帶寬應(yīng)不大于8nm；600～1400nm范圍，應(yīng)不大于20nm。若光譜輻射分析儀的光譜響應(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。

光譜輻射分析儀的波長精度會明顯影響光生物作用的加權(quán)有效輻射量，其波長精度：在200～300 nm范圍應(yīng)不大于0.2 nm；300～325 nm范圍應(yīng)不大于0.1 nm；325～600 nm范圍應(yīng)不大于0.2 nm；600～1400 nm范圍應(yīng)不大于2 nm。

2.2 光譜輻照度測量設(shè)備

光譜輻照度測量設(shè)備通常由輻照度接收器和光譜輻射分析儀組成，應(yīng)滿足以下要求：光譜輻射分析儀應(yīng)滿足2.1的要求；輻照度接收器至少在規(guī)定的測量視場角范圍應(yīng)具有余弦響應(yīng)；輻照度測量的接收孔徑應(yīng)該是一個圓形，需使用合適的孔徑光闌來限制接收的光束。

2.3 光譜輻亮度測量設(shè)備

光譜輻亮度測量設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：滿足2.1光譜測量要求；測量設(shè)備的測量視場角應(yīng)該與輻射危險類別相對應(yīng)的接收角一致，兩者偏差不大于±3 %；入射孔徑應(yīng)該是一個圓形，需使用合適的孔徑光闌來限制入射的光束，對于與眼睛光輻射危害有關(guān)的測量中，測量系統(tǒng)的入射孔徑應(yīng)與人眼瞳孔大小相匹配，偏差應(yīng)不大±3 %；測量設(shè)備的入射孔徑位置應(yīng)該標(biāo)出，方便確定測量距離，位置精度應(yīng)不低于1 mm。

2.4 校準(zhǔn)光源

光輻射安全測量用的校準(zhǔn)（輻照度和輻亮度）光源應(yīng)滿足下列要求：光譜范圍至少覆蓋200～3000 nm，在該范圍的光譜分布應(yīng)該是連續(xù)、平滑分布；輻照度或輻亮度值應(yīng)該與危險類別所對應(yīng)的發(fā)射限值相接近；在測量設(shè)備的接收(入射)孔徑上，光束的不均勻度應(yīng)低于5 %；輻亮度校準(zhǔn)光源的輻亮度不均勻度應(yīng)小于5 %，并充滿輻射亮度計的測量視場；光源的不穩(wěn)定度應(yīng)小于0.5 %。

使用校準(zhǔn)光源時，發(fā)射光的方向、使用范圍應(yīng)與計量校準(zhǔn)時的狀態(tài)一致。測量儀器應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)測量裝置（如鏡頭、探測器、接收光纖）發(fā)生變動時，應(yīng)重新校準(zhǔn)。

2.5 其他要求

2.5.1 測量距離

應(yīng)參照被測可穿戴設(shè)備的說明書提供的預(yù)期使用狀態(tài)所對應(yīng)的距離作為測量距離。對于未提供預(yù)期使用狀態(tài)，或未標(biāo)明使用距離的被測可穿戴設(shè)備，應(yīng)以可接近距離作為測量距離。

2.5.2 可達(dá)發(fā)射值

在光輻射安全測量中，需判別被測可穿戴設(shè)備最大的光輻射的區(qū)域和方向，從而測量對應(yīng)可達(dá)發(fā)射的輻照度或輻亮度。對于不同的危險類別進(jìn)行分類，最大輻射可能對應(yīng)于光源的不同區(qū)域和方向。應(yīng)根據(jù)危險類別對應(yīng)的測量視場角，從表觀光源的輻亮度分布中獲得最大輻亮度。

3 小結(jié)

本文針對智能可穿戴產(chǎn)品特點(diǎn)和使用特性，搭建智能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價測試系統(tǒng)，探尋智能可穿戴產(chǎn)品產(chǎn)生光生物危害的規(guī)律，在大量試驗驗證基礎(chǔ)上，建立智能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全評價方法，可為相關(guān)的檢測和研究機(jī)構(gòu)開展智能可穿戴產(chǎn)品光輻射安全風(fēng)險評價分析工作提供借鑒和參考。