室內(nèi)LED光源的光生物安全分析

袁芳文，武德起，楊茜，周曉娟，楚曉杏

(1.河南大學 河南省智能技術(shù)與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001;2.河南機電職業(yè)學院 信息中心,河南 鄭州 451191；3.國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100022；4.中國科學院 微電子研究所，北京 100029；5.河南機電職業(yè)學院 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 鄭州 451191))

隨著對低碳和環(huán)保的重視，綠色半導體照明——功率型發(fā)光二極管(LED)以其體積小、壽命長、效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點正逐漸取代白熾光源、節(jié)能光源等傳統(tǒng)照明產(chǎn)品[1-4].在現(xiàn)如今的室內(nèi)照明中，LED光源產(chǎn)品的使用率逐年遞增.2016年以來，隨著對生物學研究的不斷深入，光輻射問題受到了高度重視[3,5].歐洲、北美等發(fā)達國家和地區(qū)十分重視LED產(chǎn)品的光生物安全性，已經(jīng)制定了一系列的標準.然而，國內(nèi)對LED光生物安全測試技術(shù)的研究依然比較薄弱，相關(guān)測試系統(tǒng)與測試方法的研究較少[6].針對這一現(xiàn)狀，為了評估室內(nèi)LED光源潛在的光生物安全風險，在國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心搭建的光生物安全測試系統(tǒng)平臺上，對幾款當下室內(nèi)照明普遍使用的LED 光源進行了光生物安全檢測.在對它們涉及的主要物理量——輻射照度、輻射亮度等測試的基礎(chǔ)上，通過檢測結(jié)果，對其危害類型進行了詳細歸類.根據(jù)普通照明LED 光源不產(chǎn)生800 nm 以上的紅外光譜[6]，本實驗只進行了250～800 nm 部分光譜的測試.

1 實驗設(shè)計

1.1 測試樣品

1)樣品組成.6個樣品：1個LED筒燈、5個LED球泡燈，其中3個樣品是品牌光源，另外3個在小商店購買；將LED筒燈標記為#1，5個LED球泡光源分別標記為#2、#3、#4、#5、#6.

2)基本參數(shù).標稱功率：#1～#5為7 W，#6為5 W；色溫：#1～#3為6 500 K，#4、#5為5 000 K，#6為3 300 K；電壓均為220 V，頻率均為50 Hz.

1.2 測試系統(tǒng)

搭建的光生物安全測試系統(tǒng)如圖1所示.本系統(tǒng)主要用于完成系統(tǒng)定標后，進行樣品的輻照度與輻亮度的測試.將光譜輻射照度副基準光源組送去中國計量科學研究院進行校準，按照JJF1059系列標準的要求對校準結(jié)果不確定度進行評估和表述[7]，其證書編號為GXfs2012-1746.本系統(tǒng)主要有單色儀主體(Omni-λ300)、光電倍增管探測器及其高壓穩(wěn)壓電源、硫化鉛紅外探測器及電源、光學斬波器及其控制器和鎖相放大器構(gòu)成，其中主要器件——單色儀是分光儀器，內(nèi)部配裝3塊光柵，實現(xiàn)波長250～3 000 nm的分光全覆蓋；使用光電倍增管(250～800 nm)和硫化鉛探測器(800～3 000 nm)，實現(xiàn)波長250～3 000 nm的探測全覆蓋.入射端結(jié)合使用石英玻璃余弦器，經(jīng)校準后，可實現(xiàn)“光譜輻射照度計”功能；結(jié)合視場限制光闌，可實現(xiàn)“光譜輻射亮度計”.鎖相放大器與光學斬波器的配合使用，可實現(xiàn)對微弱信號的準確探測.除二者之外均是采用北京卓立漢光有限公司的產(chǎn)品，將其與該公司生產(chǎn)的Omni-λ系列光譜儀一起使用，能夠測量輻射源的光譜特性，而且具有諸多優(yōu)點，如靈敏度高、接收面積大、使用方便等.

圖1 光生物安全測試系統(tǒng)Fig.1 Photobiosafety testing system

測試過程如下：點亮樣品架上的樣品燈，通過光闌的光線去除了雜散光，被照度/亮度探頭接收，再由光纖傳輸?shù)絾紊珒x，進行分光檢測，最終由計算機記錄分析結(jié)果[8].圖2為光生物安全測試系統(tǒng)的局部照片.單色儀入射端最前面(圖2中可見白色部分)為石英玻璃余弦器.后面安裝7 mm的限制光闌.限制光闌后面是入射狹縫.單色儀共有3個可調(diào)狹縫，分別是入射狹縫、探測器1(端窗、光電倍增管)狹縫和探測器2(側(cè)窗、硫化鉛)狹縫.根據(jù)各波段帶寬要求，確定入射狹縫在2個值之間變換.

圖2 系統(tǒng)的局部照片F(xiàn)ig.2 Local photos of testing system

2 輻照度測試

本實驗中采用的光譜輻射分析儀，其光譜測試范圍為250～800 nm.系統(tǒng)校正后可進行光譜輻照度測試.校正方法和光譜輻射測量方法參考標準GB/T 20145—2006《光源和光源系統(tǒng)的光生物安全》的第5章，借助光強標準光源及其具體標準數(shù)據(jù)進行校正[4,9].

將輻射照度標準光源安裝到位——使單色儀的入射窗(石英玻璃余弦器)處于光譜輻射照度標準光源的校準點位置上；燃點輻射照度標準光源，用確定的設(shè)置(各狹縫寬度、光柵、探測器電源、探測器)進行對應(yīng)波長范圍的測試，獲得系統(tǒng)對校準光譜輻射照度E0(λ)的響應(yīng)S0(λ)t.于是確定系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)St(λ)如式(1).

(1)

定標后，樣品安裝到位，測量其輻射照度.鑒于普通照明最大照度通常限于500 lx，因而在該測試中采用500 lx去測量.此外，計算光源危害值時對掃描后的光譜進行危害函數(shù)加權(quán)，藍光的危害加權(quán)函數(shù)變化很大[6]，所以在本系統(tǒng)中設(shè)置測量250～400 nm和400～800 nm光譜波段的波長間隔分別為1 nm和5 nm，以保證測試結(jié)果的準確性.使樣品在入射窗位置產(chǎn)生500 lx的光照度，檢查此時樣品到入射窗的距離，如果小于200 mm則調(diào)整到200 mm.

用同樣的設(shè)置進行測試，獲得對樣品的光譜輻射照度響應(yīng)S1(λ)t.于是確定樣品的光譜輻照度Et(λ)如式(2).

(2)

將軟件采集到的數(shù)據(jù)進行處理，得到如表1所示各個波段的光譜輻照度.

表1 不同廠家室內(nèi)LED光源的光生物危害測試結(jié)果Tab.1 Photobiohazard test results of LED light sources from deferent manufacturers

ES為光化學紫外危害；EUVA為近紫外危害；LB為藍光危害；LR視網(wǎng)膜熱危害.

3 輻亮度測試

輻亮度的測試采用替代法，即測量輻照度間接得到輻亮度.只要確定一個準確定義的視場，測得的輻射照度值除以此視場就得出輻亮度值[9-10].用F表示視場光闌，r表示孔徑光闌到視場光闌的距離，視場確定了，就可以如式 (3)表示出視場平面角γ.

(3)

本測試系統(tǒng)中，移動樣品至距離余弦接收器200 mm處，根據(jù)樣品表面亮度均勻性情況、評估危害的曝光時間長度、光源確定亮度測試使用的視場光闌的通光孔徑.將視場光闌固定在樣品朝向余弦接收器的表面貼近放置，但不得影響樣品狀態(tài).根據(jù)光闌孔徑F和光闌到入射窗的距離r判讀立體角Ω，見式(4).

(4)

在相同的系統(tǒng)設(shè)置下，經(jīng)測試得到對樣品的光譜輻射照度響應(yīng)S2(λ)t.于是確定樣品的光譜輻射亮度Lt(λ)為

(5)

隨后，實驗測得的對邊角α=0.011 rad.

通過軟件采集數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)的處理，獲得光源在特定曝輻時間下不同波段區(qū)域出射光的曝輻參數(shù)，結(jié)果如表1所示.

4 實驗結(jié)果分析

對照國家標準，分析和判定了樣品光源的各類輻射危險類別[6]，如表2所示.鑒于普通照明用的LED 光源不產(chǎn)生800 nm 以上的紅外部分光譜，本文不討論紅外輻射危害.

表2 連續(xù)輻射光源無危險類的發(fā)射限Tab.2 Emission limits of non-dangerous class from continuous radiation source

4.1 光化學紫外和近紫外對眼睛的危害分析

根據(jù)表1可知，所測樣品的紫外輻射有效積分光譜照度ES、EUVA的最大值分別為5.53×10-9和1.39×10-4W/m2，最小值均為0.因而沒有光化學紫外和近紫外危害.

4.2 視網(wǎng)膜藍光危害分析

標準規(guī)定：為了避免視網(wǎng)膜長期受到藍光輻射而導致光化學損傷，曝輻時間t限定在10 000 s 以下時，藍光加權(quán)輻亮度LB以100 W/(m2·sr)為上限[6].根據(jù)眼睛運動和測量對邊角的關(guān)系，在曝輻時間10 000 s 時，測得樣品LED筒光源對應(yīng)的藍光加權(quán)輻亮度LB為184.54 W/(m2·sr)，大于標準限值[6]，符合低危險類；LED球泡光源樣品對應(yīng)的藍光加權(quán)輻亮度LB最大值為46.14 W/(m2·sr)，小于標準限值，沒有危險，即在10 000 s 內(nèi)對視網(wǎng)膜不造成藍光危害[6].

4.3 視網(wǎng)膜熱危害分析

標準規(guī)定：為防止熱損傷視網(wǎng)膜，曝輻時間t限定在10 s 內(nèi)時，無危險類光源的熱危害加權(quán)輻亮度應(yīng)在限值內(nèi)[6]

將實驗數(shù)據(jù)α=0.011 rad，t=10 s代入，推算出限值要求：28 000/0.011 =2 545 454 W/(m2·sr).測得LED筒光源和球泡光源的最大實驗值為2 121.72 W/(m2·sr)，沒有超出標準限值，所以樣品不存在視網(wǎng)膜熱危害.

綜上所述，LED筒光源除藍光危害超過無危險限值屬于低危險類，其他項均未超過其限值；LED球泡光源樣品均未超過任何一項限值屬于無危險類.在測試中發(fā)現(xiàn)，非正規(guī)商家的產(chǎn)品的實際功率遠遠低于標稱功率(標稱7 W，實測不到5 W，相差近30%)，且外觀和封裝材料質(zhì)量有待檢驗.然而，倘若發(fā)光材料和封裝工藝不過關(guān)，LED光源發(fā)出的紫外光、藍光或紅外光就有可能會輻射出來，可能會對人的眼睛和皮膚產(chǎn)生某種程度的光化學紫外危害和紅外輻射(熱)危害.伴隨著LED照明的普及，其光生物安全性就顯得更為重要[4].在實際應(yīng)用中，建議廣大用戶選擇正規(guī)產(chǎn)品，不要一味圖便宜，而忽視了其光生物安全性.

5 結(jié)論

針對當前LED光源的生產(chǎn)使用情況，為了評估室內(nèi)LED光源潛在的光生物安全，在國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心搭建的光生物安全測試系統(tǒng)平臺上，檢測了當下室內(nèi)照明中普遍使用的幾款LED 光源的光生物安全性.結(jié)果表明，測試的LED筒燈存在藍光危害，LED球泡燈樣品均沒有發(fā)現(xiàn)危險.本文較全面地測試了室內(nèi)LED 光源的輻射照度、輻射亮度等光生物安全性項目，對實驗結(jié)果進行了分析探討，這對搭建室內(nèi)LED 產(chǎn)品的光生物安全測試系統(tǒng)以及研究其測試方法均具有一定的參考價值.

致謝:在實驗中得到了辛洪政同志的大力支持，在此表示感謝！