扩展光源的辐射亮度及人眼危害

陈慧挺 蔡 喆 吴晓晨 罗佳文 邓之鹤

(中山市质量计量监督检测所，国家灯具质量监督检验中心 (中山)，中山 528000)

1 引言

当扩展光源发射光谱的波长在人眼视网膜危害光谱区范围内 (400nm至1400nm)，辐射亮度的概念是非常重要的，它可以用来判定光源对视网膜是否存在辐射危害，以及光辐射的危害程度到底有多深。

最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光辐射安全的制造导则》是一份针对非激光类灯和灯系统做出应用危害等级信息和解释的指南，该导则对扩展光源的辐射亮度及人眼危害做了介绍。本文紧密结合IEC/TR 62471—2导则内容，基于辐射亮度的特性，阐述了视网膜曝辐限值和光源参数的关系、辐射亮度在危害评价中的各种应用局限，以及光源辐射亮度和空间平均辐射亮度的关系。

2 辐射亮度的特性

亮度通常用于评价显示屏等发光表面的“明亮程度”，因此也可用于评价发光表面的光辐射危害。辐射亮度可用单位发光截面在给定方向的单位立体角内的辐射通量来表示，计量单位为 W·m－2·sr－1，其主要特性之一是“与扩展光源距离远近的无关性”，如图1所示，当观察者或者探测器朝远离扩展光源的方向移动，平方反比损失可通过与观察点相对应的扩展光源表面面积的增加得到补偿。

图1 辐射亮度与扩展光源距离远近的无关性

IEC/TR 62471—2对“辐射亮度与扩展光源距离远近的无关性”这一结论做了进一步延伸拓展，该导则指出:当有折射率、反射率放大或缩小作用的光学元件放置在扩展光源和观察者之间，其辐射亮度也是守恒的 (这里不考虑辐射亮度因为光学元件的光吸收作用而导致的损耗因素)。换句话说，尽管插入的光学元件可能会改变光源的表观视角，但是同样发生改变的单位面积光功率可使辐射亮度得到相应的补偿。因此，一般情况下，可以认为辐射亮度的数值大小仅仅受光学元件本身的光吸收作用以及出射光瞳耦合因素的影响。

3 视网膜曝辐限值和光源参数的关系

对于光辐射限值的实验测量，以往一般通过测量光源在人眼视网膜上的辐射照度 (单位:W/m2)来判定人眼视网膜曝辐限值。但是，将光源参数与视网膜曝辐限值做比较，往往会涉及到复杂的辐射照度转换，对于扩展光源而言，还需要考虑测试距离的影响因素。为此，IEC/TR 62471—2提出了“经修正后的视网膜曝辐限值”的概念，该参数以辐射亮度为计算基础，这意味着在应用“经修正后的视网膜曝辐限值”对视网膜辐射危害评价过程中，可以大大简化人眼本身的光学特性以及其他外来插入光学元件所带来的影响。

4 辐射亮度在危害评价中的应用局限

IEC/TR 62471—2也特别强调了辐射亮度在表征和评价光源辐射特性的应用过程中可能存在的一些应用局限。下面分情况讨论:

4.1 点光源

某些光源的辐射危害并不适合用辐射亮度参数来判定，在利用辐射亮度来判定光源辐射危害之前，首先要先区分光源的类型。比如，点光源的辐射亮度具有不确定性，因此应该用另外的辐射参数 (比如指定距离处的辐照度)来测量和判定激光光源以及任何视觉对边角小于1.7mrad光源的辐射危害。如果实验中的光源是通过光学放大镜才能被人眼所接收，那么该光源真实的视觉对边角就会大大增加，并且有可能超过1.7mrad，此时该光源就应该被视为扩展光源来考虑分析。另外，在某些案例中，假如一个照明灯具内同时包含有点光源和扩展光源，那么就应将其视作一个整体，用辐照度单元区来判定和表征光源的辐射危害。

4.2 发射光谱在视网膜危害光谱区外

由于对于发射光谱为可见光的光源，其亮度是辐亮度的光度模拟，因此IEC 62471中设置了一个亮度上限值，作为判定该类灯具光源是否归属于危险类别的一条准则。

但是，当光源的发射光谱落在人眼视网膜危害光谱区范围外，就不适合再用辐射亮度这个参数，而通常应该用辐照度或者曝辐射量参数来表征此类光源对人眼的辐射危害程度。由于各个测试几何量参数之间的转换非常繁琐且容易出错，因此，作为一条基本准则，辐射亮度参数只适用于对发射光谱为可见光或者近红外光光源的辐射危害评价。

4.3 封闭式灯具内的光源

由于某些灯具的特殊需要，其光源是封装或全密封在灯具内的，对于这类光源的辐射亮度测试可能就会比较困难。辐射亮度的计量单位为W·m－2·sr－1，尽管对于光源辐射光通量以及立体角的测量通常都比较容易实现，不过对于测试仪器如何界定其中的光源区域面积 (m－2)，却是个比较棘手的问题。IEC/TR 62471—2提出了一种可行的解决方案，找出某个统一的光学系统，在该系统内同时界定立体角和光源的区域。根据辐亮度守恒定律，可以得知:只要立体角和光源的区域是在同一个平面内测得的，那么测量结果就是有意义的。做这个测量实验一定要避免犯这样的错误:界定光源区域是在某个A平面内，测量立体角却在另一个B平面内。

4.4 非均匀发光的光源

考虑到人眼的物理移动和视觉差异，对于局部光辐射能量变化的光源 (比如非均匀光源)的辐射亮度测量，需要结合IEC 62471中指定的立体角来进行，这样可以确保实际测得的人眼辐射亮度与视网膜曝辐限值能做正确比较。

5 光源辐射亮度和空间平均辐射亮度的关系

基于辐射曝光量限定值、时间积分辐亮度都遵循辐亮度守恒定律，因此，如果光源发射光的辐射亮度处在规定的危险类别值以下，那么最终的灯具产品辐射也不会超过可允许的限值。因此，为了避免重复测试，IEC/TR 62471—2要求光源制造商标明所有单个光源的安全特性，并提供相关的危险等级类别。

通常，辐射亮度L(W·m－2·sr－1)是通过测量指定测试距离r、指定测试孔径上的辐射功率P(W)获得的 (见图2所示)。测试孔径的直径d确定了立体角Ω(sr)和测量视场面积A视场(m2)的大小，其中测试视场面积与探测器前面的圆形视场光阑所确定的接受角γ存在对应关系。一般情况下，光源面积会超过测量视场面积，如图2所示 (换言之，α＞γ)。光源的辐射亮度数值可根据通过测试孔径的辐射功率P(W)、测量视场面积A视场、以及立体角Ω计算得出:

图2 测定辐射亮度和时间积分辐射亮度的示意图

时间积分辐射亮度也可用同样方法进行测量，只不过将测试的辐射能量值Q替代了光辐射功率P(W)。

IEC 62471提出对空间平均辐亮度的测试需要考虑人眼的物理移动和视觉特性，这种测试方法相对于传统测试辐射亮度方法会有不同的实验结果，但是其结果对于评价光源对人眼的危害更有实际意义。对于空间平均辐亮度的测量，需要指定一个接收角γ，它与曝光时间密切相关。需要注意的是，该测试所指定的视场面积就有可能比光源面积小 (如图3a)，也有可能比光源面积大 (如图3 b)，这是由光源危险类别所对应的光源尺寸和曝光时间所决定的。这一点与传统的辐射亮度测试方法非常不同，在传统测试方法中，光源面积一定是超过测试视场面积的。

图3 光源与视场尺寸对比

如果光源面积比视场面积大，对应着图3 a所示，光源视场角α的数值大于圆形视场光阑对应的接收角γ;如果光源面积比测试视场面积小，对应着图3b所示，α数值小于γ数值。对于大光源而言，光源面积大于测试视场面积，因此实验测得的辐射亮度数值和测试视场面积无关;对于小光源而言，生产商应该根据不同测试视场的具体情况做区别对待，以便准确评价产品安全性。

灯具以及LED制造商首先应确定光源的“真实”辐射亮度，用于和辐射限值做比对，最后做产品安全分类。IEC 62471规定，对于非危险类别的光源以及大多数被限制的蓝光危害光源，其允许的最大的接收角γ数值为100mrad。如果以最苛刻条件的实验为例，测试距离为200mm，视场接受角为100mrad，那么对应的测试视场直径为20mm。然而，对于某些发光二极管芯片、单颗LED或者普通的灯丝，它们的尺寸往往会比20mm更小。如果此类小光源的空间平均辐射亮度数值刚好满足非危险类别光源的限值，那么就意味着它们的“真实”辐射亮度数值要比限值高出 (γ/α)2倍 ［对于此类小光源，(γ/α)2＞1］。因此，如果一个灯具系统内安装有多个类似的小光源 (比如高密度分布的LED阵列灯具)，那么该灯具就有可能超过非危险类别的限值。

还有一种特殊情况是灯具内安装有光束整形器件，灯具内较小的表观光源有可能会被放大或扩展，并有可能超过测试视场面积。在这种情况下，光源的“真实”辐射亮度在一级近似下并不会发生改变。

另外，IEC/TR 62471—2也提到:对于被列为非危险类别的光源，如果在10000s曝光时间内是安全的，那么对于更短的曝光或者观察时间内也应该是安全的，换言之，该光源可以满足危险类别1和危险类别2的要求。

6 总结

针对最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光辐射安全的制造导则》提到的辐射亮度对扩展光源辐射危害的评价方法和要求，本文基于辐射亮度的特性，主要阐述了视网膜曝辐限值和光源参数的关系、辐射亮度在危害评价中的各种应用局限，以及光源辐射亮度和空间平均辐射亮度的关系。灯具和LED生产商在实际检测过程中应全面理解和考虑这些检测细节，以便能对灯和灯系统的光生物安全性采用正确的检测和评价方法，最终给出准确合理的安全等级分类。

［1］IEC/TR 62471—2.Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance onmanufacturing requirements relating to non-laser optical radiation safety，Technical reports，Edition 1.0，2009-08.

［2］GB/T 20145—2006.灯和灯系统的光生物安全性.国家质检总局、国家标委会发布，2006，3.

［3］吴晓晨，蔡喆，彭振坚，等.灯和灯系统的光生物安全性检测分析.信息技术与标准化，2010，(7).