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LED蓝光危害评价的最新标准及测试方案探讨

  1.概述

  LED的蓝光危害一直颇受争议,且一度成为LED照明产品推广应用的限制性问题,影响了市场的消费信心。IEC 60598-1"Luminaires-Part 1: General requirements and tests"在第八版修订过程中,重点提出LED灯具蓝光危害的标识要求。该标准是对灯具的基本要求,被全球大多数国家和地区所引用,我国与之相对应的为强制性标准GB 7000.1。此标准的修改和发布预示着蓝光危害的分类标识将可能成为LED灯具的强制性要求。因此,LED光源和灯具制造商有必要以相关标准为依据,采取有效的检测手段,做好产品蓝光危害的测量和评估。

  2. LED蓝光危害的分级及标识要求

  2.1相关标准

  LED蓝光危害的测量评价标准主要有IEC/TR 62778以及IEC62471、IEC 62471-2等,IEC 60598-1采用的是IEC/TR 62778 "Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaires"。IEC/TR 62778是在IEC 62471的基础上,对光源及灯具的蓝光危害的测量评估作了简化。考虑到LED产业链较长,且从LED芯片到LED灯具,即从产业上游到下游,产品的种类越来越丰富,为减轻测试负担,IEC/TR 62778推荐了LED蓝光危害从光源向灯具传递的评价方法。

  2.2 LED 蓝光危害的分级

  IEC 62471标准中将光生物安全分为4个等级,从RG0到RG3危险等级逐级提高,其中,RG0和RG1被认为一般应用是安全的。

  IEC/TR 62778经过分析认为一般的白光光源为RG3的可能性很小,同时为实现危害等级从光源到灯具的传递,重新定义为以下3个安全等级。

  其中,“Ethr for RG2”适用于蓝光危害加权辐亮度有可能超过RG1限值或者辐亮度不可测的情况,Ethr为RG1和RG2边界的照度值,用于确定危害限制距离dmin,一般灯具应在此距离以外使用。

  2.3 LED 灯具的安全标识要求

  标准IEC 60598-1 edition 8规定,如果灯具中安装了IEC/TR 62778中的RG0或RG1光源,或者灯具在实际应用条件下被评定为RG0或RG1,则没有附加的标识要求。但儿童用可移式灯具和电源插座安装的夜灯,其光源的危害级别不可超过RG1。对于其他一体化LED灯具、可移式灯具和固定灯具,IEC 60598-1有不同的标识要求。对于在200mm以及0.011rd的测量条件下超过RG1的可移式灯具需要标识“不要直视光源”的警示语。而对于固定式灯具,灯具应按照IEC/TR 62778评估其最小安全使用距离dmin以及灯具RG1/RG2边界,当dmin大于200mm,标识该最小安全使用距离。

  3. LED蓝光危害的测量和评价

  标准IEC 62471及IEC/TR 62471-2测量和评价单个光源或灯具的辐射危害,不同的是,IEC/TR 62778强调将光源的蓝光危害信息传递给灯具,主要测量光源,也可用于直接测量灯具,其测量评价过程如图1所示。

  如果光源厂商能够提供光源的亮度、辐亮度和Ethr(通过光谱测量获得),则灯具厂商可根据光源厂商所提供的数据按照图1的流程对灯具进行安全分级,必要时进行灯具的照度测量。此处照度测量需要根据灯具的光强分布信息先确定灯具的最大光强方向。如果光源的危害信息不可知,则灯具厂商需要测量灯具的亮度、光谱等信息来对灯具的危害等级进行分类。

  3.1 LED蓝光危害的测量要点

  LED蓝光危害考察的是蓝光辐射在视网膜上产生的光化学损伤。在实际应用中,人们可能会从不同的角度观察光源或灯具发光面上的不同区域。因此,为满足各种应用情况,IEC 62471规定,蓝光危害应根据发光面最大亮度区域在最大辐射强度方向上的曝辐值(加权辐照度以及加权辐亮度)进行安全等级分类。

  IEC/TR 62778主要规定了光源与灯具之间蓝光危害的传递,相比较于IEC 62471,其对测量位置的要求更加严格,多次强调亮度测量应在光源或灯具的最大亮度区域的最大辐射强度方向上测量,且灯具的最小安全使用距离dmin需要在灯具最大发光强度方向上测量。

  实际应用中,光源发光面的亮度及空间各方向的光强一般并不均匀,以图3所示的LED阵列为例,芯片上的亮度较高,芯片之间的间隙亮度较低。因此,LED发光面上的最大亮度区域的确定十分关键。如果定位不准确,将对亮度及辐亮度的测量以及危害的分类带来极大的影响。但受LED本身特性的影响,其发光面上的最大亮度区域以及最大辐射强度方向的准确定位具有一定的难度。

  3.2 LED蓝光危害的亮度及辐亮度测量

  如果采用瞄点式亮度计测量,最大曝辐位置较难准确定位,且一般普通瞄点式亮度计难以准确做到标准规定的0.011rd视场角。因此,对于LED蓝光危害的亮度和辐亮度测量来说,成像亮度计是比较理想的测量设备,如图2所示,成像亮度计具有以下优势:

  1)通过一次测量将被测对象的表观光源成像至CCD上,其自带的专业软件可自动、准确判断成像区域内最大亮度的位置;

  2)测量视场角(红色圆圈的范围)可利用软件方便设置,如图3所示,软件自动计算选定视场角内的平均亮度/辐亮度,并按照标准要求对蓝光危害进行分级。

  相比于一般普通成像亮度计,图2所示设备采用高精度TE-cooling半导体致冷CCD作为探测器,可将CCD的工作温度恒温至5℃,大幅减小测量的暗噪声,提高了亮度/辐亮度的测量准确度,尤其适用于精度要求较高的蓝光危害测量。

  3.3 LED蓝光危害的光谱测量

  光源或灯具的光谱是计算蓝光危害量值的重要参数。根据标准规定,对于某一光源,可以通过光谱测量计算其蓝光危害效能系数KB,V,公式如下:

  KB,V的获取,能够方便地实现亮度L和蓝光危害加权辐亮度LB、以及照度E和蓝光危害加权辐照度EB的转换。标准中所述的RG1和RG2边界处的照度限值Ethr也由此计算而来。

  光谱测量的波长范围应覆盖蓝光危害的敏感区域,即300nm-700nm;考虑到绝大多数LED产品不存在紫外光谱,可见光波段的光谱仪也可用于LED产品的蓝光危害测量。

  3.4 LED光源及灯具蓝光危害测量的综合解决方案

  图5所示为光源和灯具蓝光危害的综合测试系统,系统集成了图3所示的高精度成像亮度计以及高精度光谱辐射计,可准确实现光源和灯具的危害加权辐亮度、亮度、危害加权辐照度、照度、光谱、KB,V与Ethr等参数的测量。

  系统利用高精度成像亮度计准确寻找光源或灯具发光面上的最大亮度区域,其独具的五维位置调节系统,可进行上下、左右、前后移动,并可以绕其垂直轴和水平轴转动。在高精度成像亮度计固定的情况下,能够方便地定位LED产品发光面上最大亮度区域的最大辐射强度方向,准确度高,可靠性好。

  1)LED光源的测量

  光源被安装在五维位置调节系统上,在确定亮度及辐亮度的最大曝辐位置后,系统可将光源依次对准测量设备,并测试获得光源的亮度、辐亮度、以及光谱数据,自动计算蓝光危害加权辐亮度LB以及Ethr,并按照图1所示的流程对光源进行蓝光危害的分类。

  2)LED灯具的测量

  如果光源的危害信息已知,灯具厂商可以根据其提供的数据按照图1所示的流程对灯具进行危害的分类。若灯具中安装的光源落在Ethr for RG2类别或者为小光源时,该系统也可以用于测量其最小安全使用距离dmin。

  如果光源信息未知,灯具厂商也可以利用该系统测量灯具的亮度、辐亮度和光谱信息,按照IEC 62471或IEC/TR 62778的标准要求进行灯具的蓝光危害分类。此时亮度测量的条件应尽可能与实际应用条件一致,包括灯具的运行条件、测试距离、测量视场角等,以对灯具进行有效的安全分级。

  3)系统IEC 62471标准测试扩展

  该系统的拓展性很强,可以灵活配置各类测量仪表,测试IEC 62471所要求的全套光生物危害参数,并对被测光源或灯具进行危害分级,可满足具有多重测量要求的场合,如认证实验室、产品种类丰富的灯具厂商等。此外,该系统还可以通过IEC 62471和IEC/TR 62778两种标准比对测试,帮助厂商根据实际应用情况来确认灯具真正的危害等级。

  4总结

  LED蓝光危害的测试和评价已势在必行,相关的国际标准在不久的将来即将在全球各区域内采用,或者强制实行。我国目前关于光源及灯具蓝光危害测量的相关技术及设备已开发成熟,LED光源以及灯具厂商有必要对LED光源及灯具蓝光危害的测量和评价予以重视,对终端的照明应用产品做好安全标识。这不仅是回应标准实施的必须选择,也是进一步提高市场对LED产品消费信心的有效手段。

 

编辑:Cedar

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