室内LED光源的光生物安全分析
时间：2023-02-18 10:45:06 来源：千叶帆 本文已影响人
袁芳文，武德起，杨茜，周晓娟，楚晓杏
(1.河南大学 河南省智能技术与应用工程技术研究中心，河南 郑州 450001;2.河南机电职业学院 信息中心,河南 郑州 451191；
3.国家电光源质量监督检验中心，北京 100022；
4.中国科学院 微电子研究所，北京 100029；
5.河南机电职业学院 产业技术研究院，河南 郑州 451191))
随着对低碳和环保的重视，绿色半导体照明——功率型发光二极管(LED)以其体积小、寿命长、效率高、节能环保等优点正逐渐取代白炽光源、节能光源等传统照明产品[1-4].在现如今的室内照明中，LED光源产品的使用率逐年递增.2016年以来，随着对生物学研究的不断深入，光辐射问题受到了高度重视[3,5].欧洲、北美等发达国家和地区十分重视LED产品的光生物安全性，已经制定了一系列的标准.然而，国内对LED光生物安全测试技术的研究依然比较薄弱，相关测试系统与测试方法的研究较少[6].针对这一现状，为了评估室内LED光源潜在的光生物安全风险，在国家电光源质量监督检验中心搭建的光生物安全测试系统平台上，对几款当下室内照明普遍使用的LED 光源进行了光生物安全检测.在对它们涉及的主要物理量——辐射照度、辐射亮度等测试的基础上，通过检测结果，对其危害类型进行了详细归类.根据普通照明LED 光源不产生800 nm 以上的红外光谱[6]，本实验只进行了250～800 nm 部分光谱的测试.
1.1 测试样品
1)样品组成.6个样品：1个LED筒灯、5个LED球泡灯，其中3个样品是品牌光源，另外3个在小商店购买；
将LED筒灯标记为#1，5个LED球泡光源分别标记为#2、#3、#4、#5、#6.
2)基本参数.标称功率：#1～#5为7 W，#6为5 W；
色温：#1～#3为6 500 K，#4、#5为5 000 K，#6为3 300 K；
电压均为220 V，频率均为50 Hz.
1.2 测试系统
搭建的光生物安全测试系统如图1所示.本系统主要用于完成系统定标后，进行样品的辐照度与辐亮度的测试.将光谱辐射照度副基准光源组送去中国计量科学研究院进行校准，按照JJF1059系列标准的要求对校准结果不确定度进行评估和表述[7]，其证书编号为GXfs2012-1746.本系统主要有单色仪主体(Omni-λ300)、光电倍增管探测器及其高压稳压电源、硫化铅红外探测器及电源、光学斩波器及其控制器和锁相放大器构成，其中主要器件——单色仪是分光仪器，内部配装3块光栅，实现波长250～3 000 nm的分光全覆盖；
使用光电倍增管(250～800 nm)和硫化铅探测器(800～3 000 nm)，实现波长250～3 000 nm的探测全覆盖.入射端结合使用石英玻璃余弦器，经校准后，可实现“光谱辐射照度计”功能；
结合视场限制光阑，可实现“光谱辐射亮度计”.锁相放大器与光学斩波器的配合使用，可实现对微弱信号的准确探测.除二者之外均是采用北京卓立汉光有限公司的产品，将其与该公司生产的Omni-λ系列光谱仪一起使用，能够测量辐射源的光谱特性，而且具有诸多优点，如灵敏度高、接收面积大、使用方便等.
图1 光生物安全测试系统Fig.1 Photobiosafety testing system
测试过程如下：点亮样品架上的样品灯，通过光阑的光线去除了杂散光，被照度/亮度探头接收，再由光纤传输到单色仪，进行分光检测，最终由计算机记录分析结果[8].图2为光生物安全测试系统的局部照片.单色仪入射端最前面(图2中可见白色部分)为石英玻璃余弦器.后面安装7 mm的限制光阑.限制光阑后面是入射狭缝.单色仪共有3个可调狭缝，分别是入射狭缝、探测器1(端窗、光电倍增管)狭缝和探测器2(侧窗、硫化铅)狭缝.根据各波段带宽要求，确定入射狭缝在2个值之间变换.
图2 系统的局部照片Fig.2 Local photos of testing system
本实验中采用的光谱辐射分析仪，其光谱测试范围为250～800 nm.系统校正后可进行光谱辐照度测试.校正方法和光谱辐射测量方法参考标准GB/T 20145—2006《光源和光源系统的光生物安全》的第5章，借助光强标准光源及其具体标准数据进行校正[4,9].
将辐射照度标准光源安装到位——使单色仪的入射窗(石英玻璃余弦器)处于光谱辐射照度标准光源的校准点位置上；
燃点辐射照度标准光源，用确定的设置(各狭缝宽度、光栅、探测器电源、探测器)进行对应波长范围的测试，获得系统对校准光谱辐射照度E0(λ)的响应S0(λ)t.于是确定系统的响应函数St(λ)如式(1).
(1)
定标后，样品安装到位，测量其辐射照度.鉴于普通照明最大照度通常限于500 lx，因而在该测试中采用500 lx去测量.此外，计算光源危害值时对扫描后的光谱进行危害函数加权，蓝光的危害加权函数变化很大[6]，所以在本系统中设置测量250～400 nm和400～800 nm光谱波段的波长间隔分别为1 nm和5 nm，以保证测试结果的准确性.使样品在入射窗位置产生500 lx的光照度，检查此时样品到入射窗的距离，如果小于200 mm则调整到200 mm.
用同样的设置进行测试，获得对样品的光谱辐射照度响应S1(λ)t.于是确定样品的光谱辐照度Et(λ)如式(2).
(2)
将软件采集到的数据进行处理，得到如表1所示各个波段的光谱辐照度.
表1 不同厂家室内LED光源的光生物危害测试结果Tab.1 Photobiohazard test results of LED light sources from deferent manufacturers
ES为光化学紫外危害；
EUVA为近紫外危害；
LB为蓝光危害；
LR视网膜热危害.
辐亮度的测试采用替代法，即测量辐照度间接得到辐亮度.只要确定一个准确定义的视场，测得的辐射照度值除以此视场就得出辐亮度值[9-10].用F表示视场光阑，r表示孔径光阑到视场光阑的距离，视场确定了，就可以如式 (3)表示出视场平面角γ.
(3)
本测试系统中，移动样品至距离余弦接收器200 mm处，根据样品表面亮度均匀性情况、评估危害的曝光时间长度、光源确定亮度测试使用的视场光阑的通光孔径.将视场光阑固定在样品朝向余弦接收器的表面贴近放置，但不得影响样品状态.根据光阑孔径F和光阑到入射窗的距离r判读立体角Ω，见式(4).
(4)
在相同的系统设置下，经测试得到对样品的光谱辐射照度响应S2(λ)t.于是确定样品的光谱辐射亮度Lt(λ)为
(5)
随后，实验测得的对边角α=0.011 rad.
通过软件采集数据及对数据的处理，获得光源在特定曝辐时间下不同波段区域出射光的曝辐参数，结果如表1所示.
对照国家标准，分析和判定了样品光源的各类辐射危险类别[6]，如表2所示.鉴于普通照明用的LED 光源不产生800 nm 以上的红外部分光谱，本文不讨论红外辐射危害.
表2 连续辐射光源无危险类的发射限Tab.2 Emission limits of non-dangerous class from continuous radiation source
4.1 光化学紫外和近紫外对眼睛的危害分析
根据表1可知，所测样品的紫外辐射有效积分光谱照度ES、EUVA的最大值分别为5.53×10-9和1.39×10-4W/m2，最小值均为0.因而没有光化学紫外和近紫外危害.
4.2 视网膜蓝光危害分析
标准规定：为了避免视网膜长期受到蓝光辐射而导致光化学损伤，曝辐时间t限定在10 000 s 以下时，蓝光加权辐亮度LB以100 W/(m2·sr)为上限[6].根据眼睛运动和测量对边角的关系，在曝辐时间10 000 s 时，测得样品LED筒光源对应的蓝光加权辐亮度LB为184.54 W/(m2·sr)，大于标准限值[6]，符合低危险类；
LED球泡光源样品对应的蓝光加权辐亮度LB最大值为46.14 W/(m2·sr)，小于标准限值，没有危险，即在10 000 s 内对视网膜不造成蓝光危害[6].
4.3 视网膜热危害分析
标准规定：为防止热损伤视网膜，曝辐时间t限定在10 s 内时，无危险类光源的热危害加权辐亮度应在限值内[6]
将实验数据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).测得LED筒光源和球泡光源的最大实验值为2 121.72 W/(m2·sr)，没有超出标准限值，所以样品不存在视网膜热危害.
综上所述，LED筒光源除蓝光危害超过无危险限值属于低危险类，其他项均未超过其限值；
LED球泡光源样品均未超过任何一项限值属于无危险类.在测试中发现，非正规商家的产品的实际功率远远低于标称功率(标称7 W，实测不到5 W，相差近30%)，且外观和封装材料质量有待检验.然而，倘若发光材料和封装工艺不过关，LED光源发出的紫外光、蓝光或红外光就有可能会辐射出来，可能会对人的眼睛和皮肤产生某种程度的光化学紫外危害和红外辐射(热)危害.伴随着LED照明的普及，其光生物安全性就显得更为重要[4].在实际应用中，建议广大用户选择正规产品，不要一味图便宜，而忽视了其光生物安全性.
针对当前LED光源的生产使用情况，为了评估室内LED光源潜在的光生物安全，在国家电光源质量监督检验中心搭建的光生物安全测试系统平台上，检测了当下室内照明中普遍使用的几款LED 光源的光生物安全性.结果表明，测试的LED筒灯存在蓝光危害，LED球泡灯样品均没有发现危险.本文较全面地测试了室内LED 光源的辐射照度、辐射亮度等光生物安全性项目，对实验结果进行了分析探讨，这对搭建室内LED 产品的光生物安全测试系统以及研究其测试方法均具有一定的参考价值.
致谢:在实验中得到了辛洪政同志的大力支持，在此表示感谢！
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