光生物辐射安全测量

程丽玲 李 利 徐哲谆 乔 波

（1.浙江出入境检验检疫局 浙江杭州 311215；2.杭州浙大三色仪器有限公司）

1 前言

照明系统的光生物辐射是以日常8小时工作时间作为辐射衡量时间，通过设定曝辐限值对应的特定危害，来衡量光辐射对眼睛前侧部分（角膜、结膜与晶状体）、视网膜和皮肤的潜在损害。标准IEC62471[1]是假设曝辐时间、瞳孔大小和观察距离等处于最严酷的条件下，对被测产品进行光生物辐射测量（辐照度E或辐亮度L），然后按危险等级分类。对于普通照明（GLS）用灯，标准要求其危害值应在产生500勒克斯（lx）照度的距离处测定，但这个距离不应小于200mm；对其余光源，包括脉冲灯，危害值的测定距离为200 mm。但是实际上，在许多情况下，并不能很清晰地确定一个光源是否用于普通照明或其他用途，这就给测量距离的选择带来了困难，同时在此测量距离测量合格的灯具其危害距离又该如何确定？本文旨在对光生物辐射中测量距离和危害距离的研究，进一步探讨测量距离对测量结果带来的影响，并明确危害距离以避免光生物辐射对用户的危害。

2 研究方法

2.1 光生物辐射测量中两种典型测量距离的确定

2.1.1 测量距离为500 lx

当选择用500 lx作为测量距离时，可通过调节照度计与被测产品之间的距离，直至被测产品在某一位置处的照度为500 lx，则该位置与被测产品之间的距离即为500 lx的测量距离。

2.1.2 测量距离为200 mm

当选择200 mm作为测量距离时，由于此时所说的200 mm，是指从被测产品的表观光源到测量系统的入射孔径之间的距离（如图1所示），这就为200 mm测量距离的确定带来了两个难题，一是被测产品的表观光源所在的位置，二是测量系统入射孔径所在的位置。

图1 200mm测量距离的确定

由于表观光源的位置不一定是实际光源所处的位置，特别是对于外加透镜的光源来说，表观光源是指由芯片等发光体经透镜所成的像，此时的像可能是实像也可能是虚像，且位置可能在发光体之前也可能在发光体之后，这使得表观光源的位置难以确定，图2显示了灯丝经凹透镜后所成的像位于实际灯丝的后面。此外，对于不同的测量系统，入射孔径可能位于成像透镜组系统之前（如图3a所示），也可能位于成像透镜组系统之后（如图3b所示），特别是当入射孔径位于成像透镜组系统之后时，在测量过程中无法确定当前情况下入射孔径的实际位置。可见，在光生物辐射危害的评价测量中，200 mm测量距离的确定相对难度较大。

图2 带有透镜光源的成像

图3 测量系统的入射孔径

2.2 危害距离的测量与评价

2.2.1 危害距离

灯或灯具的空间辐射往往是发散的，所以在最严酷情况下进行的光生物辐射危险等级分类，可能无法正确反映观察者在一个合理的距离所受到的真正危害。而且对于消费者来说，他们通常不关心一个照明产品属于何种危险类型和危险等级，他们所关心的是使用的照明产品是否会对自己的健康造成影响。因此，在最严酷条件下评判出的危险等级，会给消费者传递一个错误的概念：一个照明产品一旦不属于0类危险等级，它就不安全，就不可用。实际上，对于不同危险等级的照明产品来说，它的安全性与危险性均是相对的。任何被评价为安全的照明产品在不正确的使用情况下，仍然会存在一定的危险，例如长时间、近距离的直视光源；同样，任何被评价为有危险的照明产品在采取了一定的防护措施后，使用者可能不会受到任何辐射危害，例如短时间、长距离的接触辐射源。这样，在最严酷条件下评判出的危险等级，并没有给消费者一个直观、具体的概念，告诉如何有效地避免光生物辐射，反而使消费者产生了只要是非0类危险的照明产品就是不可用的错误理念。

在IEC62471-2灯和灯系统的光生物安全第2部分：非激光光辐射安全相关的制造要求指南中，首次提出了危害距离的概念[2]。危害距离是指该距离处所测得的光源辐射值等于相应的曝辐限值。对于一个照明产品来说，它的光生物辐射存在的6种危害类型，每种类型又对应3个危险等级。因此，每种危害类型下的每个危险等级都分别对应一个危害距离。

2.2.2 基于E评价的危害距离

在光生物辐射危害分类中，有5种危害类型的评价是通过E值与相应的光谱作用加权函数进行积分计算，得到相应的危险等级分类，如表1所示。所以，对于由E进行评价的危害类型，需要利用辐射测量的平方反比定律确定观看的安全距离[3-4]。

表1 与E相关的光生物辐射危害类型

然而，平方反比定律只能应用于光源尺寸小于测试距离，在远场条件下的发散光源（一般来说，测试距离是光源尺寸的5倍以上）；在给定光源E的情况下，不同光源尺寸以及不同距离处对应E之间的关系如图4所示。

图4 不同光源尺寸和测量距离下的E归一化值

从图4中的箭头可知，当测试距离是光源尺寸的5倍以上时，利用简单的平方反比定律求出的值（——线）与L和E的相互关系（……线）之间的误差小于1%。△△△△线表示考虑了与之对应的对边角范围（αmin和αmax之间)，它表明了根据IEC62471所做的危害评估，一般采用远场条件。因此，进行光度和E测量时，平方反比基本定律可用于危害距离的确定。

在此情况下，测试距离r1下的辐照度E1和测试距离r2下的辐照度E2的关系如下：

即，如果光谱加权E曝辐限值超过了r1距离下所得的E1值，则相应的危害距离可计算为

式中，ELV为不同危害类型对应危害等级的曝辐限值。

由于不同危险类别有不同的曝辐限值，因此为了确定对观察者的危害，可以为每个危险类别确定相应的危害距离。但是，应谨慎考虑带有光束整形元件的光源。尽管如图2所示的基本关系仍然成立，但是含有光束整形元件的光源可能会被放大，这意味着L和E的线性关系要在一个很远的距离或者平方反比关系成立的远场条件下才存在，这个距离称之为闪亮距离。

如果已知投影系统中反射镜或透镜的焦距f、光源的直径D和反射镜（或透镜）光圈直径a，则可计算出该闪亮距离rf：

2.2.3 基于L评价的危害距离

与常规测试方法相比，IEC 62471的一个突出的特点就是利用空间平均L来代替光源L的“真实值”。与L相关的危害类型如表2所示。

表2 与L相关的光生物辐射危害类型

该测量方法不受真实光源对边角限制，仅考虑其所应用的光源平面区域的特定接收角γ内L的平均值。因此，尽管测量距离增大到了危害距离的位置，但接收角必须保持不变（不受限于与光源之间的距离），否则光源的对边角α会减小。从一定的距离开始，随着与光源之间距离的增加，α开始小于γ。从距离光源的此特定位置开始，光源和空间平均L成平方反比关系，通常这对于确定危害距离来说非常重要。

空间平均L随测量距离的增加而减小，而且在空间平均L等于特定危险等级限值的位置，可以确定相应的危害距离。且光源尺寸越小，危害距离越短。应当指出的是，每个限值都结合了特定的γ。如果将γ随着采用限值的变化造成的影响也考虑在内，那么空间平均L随着距离增加而减小的现象会更加显著。

如果需要，可以计算出光源特定的距离rIS，在此计算中，光源与空间平均L之间不再是线性关系而是平方反比的关系。因此，与E限值方程类似，L限值的危害距离可由下式进行计算：

式中，LS是光源辐亮度；ELV是给定危险类别和危害的空间平均L所采用的曝辐限值。上述关系式在危害距离计算值大于rIS时有效，每个危害类型和危害等级都可以计算出各自的危害距离。

3 结果与分析

根据IEC62471-2，等级超过1类危险的照明产品需要在产品包装盒说明书上进行相应的标识。所以，1类危险对应的危害距离，无论是对于产品的制造商还是消费者来说，都是一个重要的参数[5]。在此情况下，实验测试了10种不同规格LED灯具在200 mm下的辐射值，并经前处理后根据公式（2）和公式（4），对限值为10000 W.m-2.Sr-1的蓝光危害1类危险对应的危害距离进行了推算，结果见表3。

表3 测量结果

表3最后一列为所测试的10个LED样品达到蓝光危害的1类危险等级时，人体可接触的最小危害距离。这个距离直观地告诉消费者，当接触距离小于该危害距离时，人体存在受到1类蓝光危害的风险；当接触距离大于该危害距离时，人体相对安全。

4 结论

在进行光生物辐射安全测量时，要根据灯具或系统的特性及光学特点正确选择测量距离；同时对于光生物辐射安全的关注，不应该仅停留在简单的通过限值划分灯具或系统的“好”与“坏”，而是要充分了解其不同危害类型和等级与危害距离的关系，告知用户在何种规定的安全距离下使用，才能有效避免光生物辐射危害。

［1］IEC62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems[S].

［2］IEC62471-2Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2:Guidance on manufacturing requirements relating to non-laser optical radiation safety[S].［3］李金玉，吴启保，周钢.LED产品光生物安全测量评估方法探析

[J].深圳信息职业技术学院学报，2013，1:35-39.［4］江磊，江程，陈郁阳，等.LED恒流电流驱动效率研究[J].光源与照明，2008，1:6-8.［5］愈安琪.发光二极管照明产品蓝光危害的检测分析和富蓝化的

分析与建议[J].光源与照明，2014，1:28-33.［6］乔波，牟同升.LED产品的光辐射安全国际标准——制造商应该考虑的问题[C].第十三届全国LED产业发展与技术研讨会,2012.