电玩具中激光和LED有害辐射安全测试研究

杜凤娟李骏奇李诗礼罗燕玲骆均衡李淑岗劳泳坚

（广东出入境检验检疫局广东广州510623）

电玩具中激光和LED有害辐射安全测试研究

杜凤娟李骏奇李诗礼罗燕玲骆均衡李淑岗劳泳坚

（广东出入境检验检疫局广东广州510623）

为防止电玩具中大功率激光和LED对儿童眼睛造成辐射伤害，本文通过对电玩具中15个典型的激光和LED样品进行辐射安全测试，确定了存在激光和LED辐射危害高风险的电玩具类别。

电玩具；激光；LED；有害辐射

1 前言

中国是世界上最大的玩具生产国，制造了全球75%左右的玩具。国内市场的玩具目前约有3万多个品种，产品类型主要包括：塑胶玩具、弹射玩具、电动玩具、声光玩具、童车等，其中电动玩具和声光玩具由于比较能吸引儿童和家长的注意力，是目前市场上比较畅销的玩具之一。激光二极管和发光二极管（LED）由于具有体积小、颜色绚丽多彩、节能、价格便宜以及仿真娱乐性能好等优点[1]，深受儿童喜爱，在电玩具中应用越来越普遍，如用作玩具激光枪中的瞄准器、遥控车的闪光灯等。但随着激光二极管和LED在电玩具领域的广泛应用，大功率激光二极管和LED对儿童眼睛造成伤害的情况也时有发生，这种伤害严重可以致盲[2]。为了避免电玩具中激光和LED辐射对儿童眼睛造成伤害，世界各国纷纷制定标准，限定玩具中激光和LED的光辐射功率。近年来由于玩具中激光和LED光辐射功率过大伤害儿童眼睛而被欧盟通报召回的案例逐年增多，被通报的频率整体呈上升趋势，频繁的召回事件严重影响了“中国制造”的玩具产品形象，也给我国玩具企业造成了较大的经济损失。

本研究首先利用实验室自主研制的电玩具中激光和LED光源尺寸测试仪对激光和LED的光源尺寸进行精确测量，对电玩具中15个典型的激光和LED样品进行辐射安全测试，确定了存在激光和LED辐射危害高风险的电玩具类别，进而可以指导玩具制造商对电玩具中使用的激光和LED进行筛选，以防止销售的电玩具中激光和LED的有害辐射对儿童眼睛造成伤害，也降低出口到国外的电玩具因激光和LED辐射危害而被召回的风险。

2 测试方法

2.1 测试方法

针对电玩具中激光和LED光辐射会对儿童眼睛产生危害，IEC（国际电工委员会）在《电玩具的安全》（IEC 62115）中明确规定：电玩具中激光和LED要符合IEC 60825-1《激光产品的安全—第1部分：设备分类、要求和使用者指南》中1类激光产品要求[3]。

IEC 60825-1是IEC针对激光产品安全的标准，标准中将激光和LED产品的可达发射极限（AEL）进行了分类，这些类别用于表示激光和LED产品光线的危险程度，危险程度由低到高依次是I类、IM类、II类、IIM类、IIIR类、IIIB类、IV类。I类激光产品的安全定义：如果激光和LED产品在运作、维护、服务及失效的所有条件下，辐射均不超过I类可达发射极限（AELI），则该激光和LED属于I类激光产品[4]。本研究采用IEC 60825-1标准中激光和LED辐射安全测试方法。

2.2 样品选择

实验选取15个典型的激光和LED电玩具样品进行辐射安全测试，分别为：发红光的激光二极管、直径3mm的红色LED（Φ3mm）、直径3mm的橙色LED（Φ3mm）、直径3mm的黄色LED（Φ3mm）、直径3mm的绿色LED（Φ3mm）、直径3mm的蓝色LED（Φ3mm）、直径3mm的紫色LED（Φ3mm）、直径3mm的白色LED（Φ3mm）、直径5mm的红色LED（Φ5mm）、直径5mm的橙色LED（Φ5mm）、直径5mm的黄色LED（Φ5mm）、直径5mm的绿色LED（Φ5mm）、直径5mm的蓝色LED（Φ5mm）、直径5mm的紫色LED（Φ5mm）、直径5mm的白色LED（Φ5mm），共8类（激光+7颜色），15个样品。

2.3 测试仪器

本研究所有涉及激光和LED峰值波长测量试验所用的光谱仪都是美国NEWPORT公司的OSM2-400DUV-U型光谱仪；实验中所有激光和LED光功率的测量都是采用美国NEWPORT公司的1918-C型光功率计（探头型号918-UV/OD3）；本文所有的激光和LED光源尺寸的测量都是采用实验室自主研制的电玩具中激光和LED光源尺寸测试仪完成。

2.4 测试步骤

2.4.1 样品预处理

对玩具施加额定电压测量其辐射，测量时应取下可能影响激光器或LED聚焦的部件，如透镜、反射镜或滤光镜，即使取下这些部件会破坏玩具结构。

2.4.2 测量激光和LED波长

玩具以额定电压供电，玩具中激光或LED在所有正常工作状态和最不利的非正常工作下，测量其所发出辐射的波长λ。辐射光谱中能量峰值的波长为激光或LED的波长λ（如辐射光谱中存在多个能量峰值，即辐射存在多个波长）。

2.4.3 测量激光和LED光源尺寸

使用实验室自主设计的电玩具中激光和LED光源尺寸测试仪测试光源尺寸[5]。实验时，使光束光轴垂直于电荷耦合元器件（CCD）平面。CCD捕获到光斑图像后，对其分析，以得到光束半径。

根据国际标准化组织的规定，实际光束的光束半径可以用以下方法计算：

首先，计算出光斑的一阶矩（即光斑的中心位置）

其中I（x，y）为光斑的强度分布。接着，计算二阶矩

光束半径可以表示为

光斑的椭圆方位角为

由CCD捕捉到的光斑图像是离散化的灰度图像，（1）至（5）式需要化成求和的形式

其中Imn为记录光斑灰度图像的矩阵，△d为CCD的像素间距。利用式（6）与（7）便可以容易地求出CCD所捕捉光束的光束半径。

光斑尺寸的测量后，便可以容易地测量出光束在光轴的不同位置的光束半径，如图1所示。

图1 光束质量因子测量示意图

由实际多模光束在自由空间的传输方程，可以知道不同位置的光束半径wm（z）满足双曲线关系

系数A、B、C可以通过实验数据拟合得到，而且有

则光束质量因子M2为

测量得到激光和LED光束的M2因子后，便可以预测光束的传播特性，因此能够容易地计算出LD和LED光束在任一位置的光斑尺寸。

试验中搭建了测量电玩具中激光和LED光源尺寸的测量控制系统，该系统以CCD摄像机作为光源光斑采集的关键设备，用VB编写了位移平台和CCD的控制程序，同步控制CCD和数控位移平台，采集激光和LED所发光束在不同位置的光强分布图样，利用二阶矩计算光束的束宽，并由双曲线拟合得到光束轮廓曲线计算出光束的M2因子，进而推算出激光和和LED光束在发光位置的光斑尺寸，最终实现对玩具中的激光和LED的光源尺寸测量。

图2 测量激光光束质量M2因子的实验装置图

图3 测量LED光束质量M2因子的实验装置图

2.4.4 计算激光和LED可达发射极限和光功率测试距离

根据IEC60825-1标准表4中公式计算激光和LED的I类可达发射极限；

根据IEC60825-1标准表4中公式计算测量激光和LED光功率时样品距探头的距离。

2.4.5 测量激光和LED光功率

根据2.4.4中计算出的测量激光和LED光功率时样品距探头的距离，放置光功率计探头和样品，测量激光和LED的光功率。

2.4.6 判定激光和LED是否是I类激光产品

将实际测量的激光和LED的光功率与2.4.4中计算得到的I类可达发射极限进行比较，判定激光和LED是否是I类激光产品。如果实际测量的激光和LED光功率不超过其I类可达发射极限，则是I类激光产品；反之，则不是I类激光产品，直视该激光或LED会对儿童眼睛造成危害。

若激光或LED波长在600 nm-700 nm之间，只需考虑视网膜热伤害；若激光或LED波长在400 nm-700 nm之间，则要同时考虑视网膜热伤害和视网膜光化学伤害。

3 测试结果分析

对15个典型的激光和LED电玩具样品辐射安全性进行测试，结果见表1。

表1 15个典型的激光和LED电玩具样品辐射安全测试结果

3.1 激光辐射安全

分析表1中数据可知，电玩具中常见的用于激光枪瞄准器中的红色激光峰值波长为650 nm左右，不在400 nm-600 nm之间，所以该类激光只会对儿童眼睛产生视网膜热危害。根据标准IEC 60825-1计算出其I类激光产品视网膜热危害可达发射极限AELI热值在0.4 mW左右，但该类激光测试光功率在一般在3 mW以上，所以该激光超过了I类激光产品要求，直视该激光会对儿童眼睛产生视网膜热危害。

3.2 LED辐射安全

电玩具中常见的LED峰值波长均在可见光范围，根据标准IEC 60825-1中计算出的Φ5 mm LED的I类激光产品视网膜热危害可达发射极限AELI热值在10 mW左右，计算出的Φ3 mm LED的I类激光产品视网膜热危害可达发射极限AELI热值在7 mW左右，而被测LED的光功率都在1 mW以下，因此可以认为电玩具中常见的LED均为非大功率型LED，不会对儿童的眼睛造成视网膜热危害，只可能产生视网膜光化学危害。

由于红色和橙色LED光谱范围在600 nm以上，不在400 nm-600 nm之间，因此红色和橙色LED不会产生视网膜光化学危害，故电玩具中的非大功率的红色和橙色LED一般是安全的。

黄色、绿色、蓝色、紫色和白色LED峰值波长范围在400 nm-600 nm之间，要考虑其可能会产生视网膜光化学危害。被测LED的视网膜光化学危害可达发射极限只与其峰值波长有关，峰值波长越短，其I类激光产品视网膜光化学可达发射极限值AELI光化越小，而且这种伤害只与光谱范围有关，与LED表观光源尺寸无关。

实验中黄色和绿色LED峰值波长较长，其I类激光产品视网膜光化学危害可达发射极限AELI光化均远大于其测试光功率，所以电玩具中的非大功率的黄色和绿色LED一般不会产生视网膜光化学危害。

实验中蓝色和紫色LED由于峰值波长接近400 nm，其I类激光产品视网膜光化学危害可达发射极限AELI光化只有39 μW，然而实验中测试蓝色和紫色LED的光功率均远大于39 μW，所以电玩具中蓝色和紫色LED会对儿童的眼睛造成视网膜光化学危害。

实验中白色LED有两个峰值波长，其中一个为449.8 nm，和蓝色LED的波长很接近，该波长的I类激光产品视网膜光化学危害可达发射极限AELI光化只有39 μW，而白色LED在该波长附近的光功率为0.311 mW，所以白色LED会对儿童的眼睛造成视网膜光化学危害。

由上述数据分析可知，电玩具中的激光会对儿童眼睛造成视网膜热危害；电玩具中的非大功率的红色、橙色、黄色和绿色LED不会对儿童造成视网膜热危害和视网膜光化学危害，一般是安全的；电玩具中的非大功率的紫色、蓝色和白色LED不会对儿童眼睛造成视网膜热伤害，但由于其光谱中含有蓝光成分，会对儿童眼睛造成视网膜光化学危害，所以含有紫色、蓝色和白色LED的电玩具存在较高的有害辐射风险。

4 小结

电玩具中大功率的激光和LED会对儿童的眼睛造成辐射危害，对儿童健康构成直接威胁，一些不符合标准要求的激光类玩具出口国外，被国外检测机构检测出存在辐射危害，引发通报和召回，严重影响了我国出口玩具的信誉。本研究通过对15个典型的激光和LED电玩具样品进行辐射安全测试，确定了存在激光和LED辐射危害高风险电玩具的类别，为检验检疫部门控制电玩具中激光和LED辐射安全提供数据参考，进而指导玩具制造商对电玩具中使用的激光和LED进行粗筛，防止销售的电玩具中激光和LED的有害辐射对儿童造成伤害，也降低出口到国外的电玩具因激光和LED辐射危害而被召回的风险，在世界上维护“中国制造”的形象，同时帮助玩具制造商避免因产品召回造成较大经济损失。

玩具生产企业应紧密联系玩具检测机构，积极参与相关检测机构组织的标准学习，主动收集技术法规、标准信息，在玩具检测机构的指导下准确地对电玩具中的激光和LED产品进行辐射安全评估，保证生产的玩具符合出口国家和地区的安全要求，保证使用玩具儿童的安全，从而不断提高自身的竞争力。

[1]黄德修，刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京：国防工业出版社，1999，12-56.

[2]梅满海.对眼睛造成伤害的几种辐射光线[J].眼睛与眼镜，1999，2：56-57.

[3]IEC 62115：2003+A1：2004+A2：2010 Electric toys-Safety[S].

[4]IEC 60825-1：1993+A1：1997+A2：2001，Safety of Laser Products-Part 1：Equipment classification，requirementsanduser’s guide[S].

[5]杜凤娟，何广源，王新豫.基于CCD的电玩具中LD和LED光斑尺寸测量[J].光学与光电技术，2013，11（1）：52-55.

Research on the Measurement for Harmful Radiation of the Laser and LED Used in Electric Toys

DU Fengjuan，LI Junqi，LI Shili，LUO Yanling，LUO Junheng，LI Shugang，LAO Yongjian
（Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Guangzhou，Guangdong，510623）

In order to avoid the harmful radiation of laser and LED damage to children’s eyes，the irradiation safety of 15 typical kinds of laser and LED used in electric toys are tested.The categories of electric toys which have high risk for harmful radiation of the laser and LED are found.

Electronic Toy；Laser；LED；Harmful Radiation

O432.1

E-mail：dufj@iqtc.cn

广东出入境检验检疫局科技计划项目（2009GDK07）

2016-08-11