擴(kuò)展光源的輻射亮度及人眼危害

陳慧挺 蔡 喆 吳曉晨 羅佳文 鄧之鶴

(中山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 (中山)，中山 528000)

1 引言

當(dāng)擴(kuò)展光源發(fā)射光譜的波長在人眼視網(wǎng)膜危害光譜區(qū)范圍內(nèi) (400nm至1400nm)，輻射亮度的概念是非常重要的，它可以用來判定光源對視網(wǎng)膜是否存在輻射危害，以及光輻射的危害程度到底有多深。

最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光輻射安全的制造導(dǎo)則》是一份針對非激光類燈和燈系統(tǒng)做出應(yīng)用危害等級信息和解釋的指南，該導(dǎo)則對擴(kuò)展光源的輻射亮度及人眼危害做了介紹。本文緊密結(jié)合IEC/TR 62471—2導(dǎo)則內(nèi)容，基于輻射亮度的特性，闡述了視網(wǎng)膜曝輻限值和光源參數(shù)的關(guān)系、輻射亮度在危害評價中的各種應(yīng)用局限，以及光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關(guān)系。

2 輻射亮度的特性

亮度通常用于評價顯示屏等發(fā)光表面的“明亮程度”，因此也可用于評價發(fā)光表面的光輻射危害。輻射亮度可用單位發(fā)光截面在給定方向的單位立體角內(nèi)的輻射通量來表示，計量單位為 W·m－2·sr－1，其主要特性之一是“與擴(kuò)展光源距離遠(yuǎn)近的無關(guān)性”，如圖1所示，當(dāng)觀察者或者探測器朝遠(yuǎn)離擴(kuò)展光源的方向移動，平方反比損失可通過與觀察點相對應(yīng)的擴(kuò)展光源表面面積的增加得到補償。

圖1 輻射亮度與擴(kuò)展光源距離遠(yuǎn)近的無關(guān)性

IEC/TR 62471—2對“輻射亮度與擴(kuò)展光源距離遠(yuǎn)近的無關(guān)性”這一結(jié)論做了進(jìn)一步延伸拓展，該導(dǎo)則指出:當(dāng)有折射率、反射率放大或縮小作用的光學(xué)元件放置在擴(kuò)展光源和觀察者之間，其輻射亮度也是守恒的 (這里不考慮輻射亮度因為光學(xué)元件的光吸收作用而導(dǎo)致的損耗因素)。換句話說，盡管插入的光學(xué)元件可能會改變光源的表觀視角，但是同樣發(fā)生改變的單位面積光功率可使輻射亮度得到相應(yīng)的補償。因此，一般情況下，可以認(rèn)為輻射亮度的數(shù)值大小僅僅受光學(xué)元件本身的光吸收作用以及出射光瞳耦合因素的影響。

3 視網(wǎng)膜曝輻限值和光源參數(shù)的關(guān)系

對于光輻射限值的實驗測量，以往一般通過測量光源在人眼視網(wǎng)膜上的輻射照度 (單位:W/m2)來判定人眼視網(wǎng)膜曝輻限值。但是，將光源參數(shù)與視網(wǎng)膜曝輻限值做比較，往往會涉及到復(fù)雜的輻射照度轉(zhuǎn)換，對于擴(kuò)展光源而言，還需要考慮測試距離的影響因素。為此，IEC/TR 62471—2提出了“經(jīng)修正后的視網(wǎng)膜曝輻限值”的概念，該參數(shù)以輻射亮度為計算基礎(chǔ)，這意味著在應(yīng)用“經(jīng)修正后的視網(wǎng)膜曝輻限值”對視網(wǎng)膜輻射危害評價過程中，可以大大簡化人眼本身的光學(xué)特性以及其他外來插入光學(xué)元件所帶來的影響。

4 輻射亮度在危害評價中的應(yīng)用局限

IEC/TR 62471—2也特別強調(diào)了輻射亮度在表征和評價光源輻射特性的應(yīng)用過程中可能存在的一些應(yīng)用局限。下面分情況討論:

4.1 點光源

某些光源的輻射危害并不適合用輻射亮度參數(shù)來判定，在利用輻射亮度來判定光源輻射危害之前，首先要先區(qū)分光源的類型。比如，點光源的輻射亮度具有不確定性，因此應(yīng)該用另外的輻射參數(shù) (比如指定距離處的輻照度)來測量和判定激光光源以及任何視覺對邊角小于1.7mrad光源的輻射危害。如果實驗中的光源是通過光學(xué)放大鏡才能被人眼所接收，那么該光源真實的視覺對邊角就會大大增加，并且有可能超過1.7mrad，此時該光源就應(yīng)該被視為擴(kuò)展光源來考慮分析。另外，在某些案例中，假如一個照明燈具內(nèi)同時包含有點光源和擴(kuò)展光源，那么就應(yīng)將其視作一個整體，用輻照度單元區(qū)來判定和表征光源的輻射危害。

4.2 發(fā)射光譜在視網(wǎng)膜危害光譜區(qū)外

由于對于發(fā)射光譜為可見光的光源，其亮度是輻亮度的光度模擬，因此IEC 62471中設(shè)置了一個亮度上限值，作為判定該類燈具光源是否歸屬于危險類別的一條準(zhǔn)則。

但是，當(dāng)光源的發(fā)射光譜落在人眼視網(wǎng)膜危害光譜區(qū)范圍外，就不適合再用輻射亮度這個參數(shù)，而通常應(yīng)該用輻照度或者曝輻射量參數(shù)來表征此類光源對人眼的輻射危害程度。由于各個測試幾何量參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換非常繁瑣且容易出錯，因此，作為一條基本準(zhǔn)則，輻射亮度參數(shù)只適用于對發(fā)射光譜為可見光或者近紅外光光源的輻射危害評價。

4.3 封閉式燈具內(nèi)的光源

由于某些燈具的特殊需要，其光源是封裝或全密封在燈具內(nèi)的，對于這類光源的輻射亮度測試可能就會比較困難。輻射亮度的計量單位為W·m－2·sr－1，盡管對于光源輻射光通量以及立體角的測量通常都比較容易實現(xiàn)，不過對于測試儀器如何界定其中的光源區(qū)域面積 (m－2)，卻是個比較棘手的問題。IEC/TR 62471—2提出了一種可行的解決方案，找出某個統(tǒng)一的光學(xué)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)同時界定立體角和光源的區(qū)域。根據(jù)輻亮度守恒定律，可以得知:只要立體角和光源的區(qū)域是在同一個平面內(nèi)測得的，那么測量結(jié)果就是有意義的。做這個測量實驗一定要避免犯這樣的錯誤:界定光源區(qū)域是在某個A平面內(nèi)，測量立體角卻在另一個B平面內(nèi)。

4.4 非均勻發(fā)光的光源

考慮到人眼的物理移動和視覺差異，對于局部光輻射能量變化的光源 (比如非均勻光源)的輻射亮度測量，需要結(jié)合IEC 62471中指定的立體角來進(jìn)行，這樣可以確保實際測得的人眼輻射亮度與視網(wǎng)膜曝輻限值能做正確比較。

5 光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關(guān)系

基于輻射曝光量限定值、時間積分輻亮度都遵循輻亮度守恒定律，因此，如果光源發(fā)射光的輻射亮度處在規(guī)定的危險類別值以下，那么最終的燈具產(chǎn)品輻射也不會超過可允許的限值。因此，為了避免重復(fù)測試，IEC/TR 62471—2要求光源制造商標(biāo)明所有單個光源的安全特性，并提供相關(guān)的危險等級類別。

通常，輻射亮度L(W·m－2·sr－1)是通過測量指定測試距離r、指定測試孔徑上的輻射功率P(W)獲得的 (見圖2所示)。測試孔徑的直徑d確定了立體角Ω(sr)和測量視場面積A視場(m2)的大小，其中測試視場面積與探測器前面的圓形視場光闌所確定的接受角γ存在對應(yīng)關(guān)系。一般情況下，光源面積會超過測量視場面積，如圖2所示 (換言之，α＞γ)。光源的輻射亮度數(shù)值可根據(jù)通過測試孔徑的輻射功率P(W)、測量視場面積A視場、以及立體角Ω計算得出:

圖2 測定輻射亮度和時間積分輻射亮度的示意圖

時間積分輻射亮度也可用同樣方法進(jìn)行測量，只不過將測試的輻射能量值Q替代了光輻射功率P(W)。

IEC 62471提出對空間平均輻亮度的測試需要考慮人眼的物理移動和視覺特性，這種測試方法相對于傳統(tǒng)測試輻射亮度方法會有不同的實驗結(jié)果，但是其結(jié)果對于評價光源對人眼的危害更有實際意義。對于空間平均輻亮度的測量，需要指定一個接收角γ，它與曝光時間密切相關(guān)。需要注意的是，該測試所指定的視場面積就有可能比光源面積小 (如圖3a)，也有可能比光源面積大 (如圖3 b)，這是由光源危險類別所對應(yīng)的光源尺寸和曝光時間所決定的。這一點與傳統(tǒng)的輻射亮度測試方法非常不同，在傳統(tǒng)測試方法中，光源面積一定是超過測試視場面積的。

圖3 光源與視場尺寸對比

如果光源面積比視場面積大，對應(yīng)著圖3 a所示，光源視場角α的數(shù)值大于圓形視場光闌對應(yīng)的接收角γ;如果光源面積比測試視場面積小，對應(yīng)著圖3b所示，α數(shù)值小于γ數(shù)值。對于大光源而言，光源面積大于測試視場面積，因此實驗測得的輻射亮度數(shù)值和測試視場面積無關(guān);對于小光源而言，生產(chǎn)商應(yīng)該根據(jù)不同測試視場的具體情況做區(qū)別對待，以便準(zhǔn)確評價產(chǎn)品安全性。

燈具以及LED制造商首先應(yīng)確定光源的“真實”輻射亮度，用于和輻射限值做比對，最后做產(chǎn)品安全分類。IEC 62471規(guī)定，對于非危險類別的光源以及大多數(shù)被限制的藍(lán)光危害光源，其允許的最大的接收角γ數(shù)值為100mrad。如果以最苛刻條件的實驗為例，測試距離為200mm，視場接受角為100mrad，那么對應(yīng)的測試視場直徑為20mm。然而，對于某些發(fā)光二極管芯片、單顆LED或者普通的燈絲，它們的尺寸往往會比20mm更小。如果此類小光源的空間平均輻射亮度數(shù)值剛好滿足非危險類別光源的限值，那么就意味著它們的“真實”輻射亮度數(shù)值要比限值高出 (γ/α)2倍 ［對于此類小光源，(γ/α)2＞1］。因此，如果一個燈具系統(tǒng)內(nèi)安裝有多個類似的小光源 (比如高密度分布的LED陣列燈具)，那么該燈具就有可能超過非危險類別的限值。

還有一種特殊情況是燈具內(nèi)安裝有光束整形器件，燈具內(nèi)較小的表觀光源有可能會被放大或擴(kuò)展，并有可能超過測試視場面積。在這種情況下，光源的“真實”輻射亮度在一級近似下并不會發(fā)生改變。

另外，IEC/TR 62471—2也提到:對于被列為非危險類別的光源，如果在10000s曝光時間內(nèi)是安全的，那么對于更短的曝光或者觀察時間內(nèi)也應(yīng)該是安全的，換言之，該光源可以滿足危險類別1和危險類別2的要求。

6 總結(jié)

針對最近出版的IEC/TR 62471—2《非激光光輻射安全的制造導(dǎo)則》提到的輻射亮度對擴(kuò)展光源輻射危害的評價方法和要求，本文基于輻射亮度的特性，主要闡述了視網(wǎng)膜曝輻限值和光源參數(shù)的關(guān)系、輻射亮度在危害評價中的各種應(yīng)用局限，以及光源輻射亮度和空間平均輻射亮度的關(guān)系。燈具和LED生產(chǎn)商在實際檢測過程中應(yīng)全面理解和考慮這些檢測細(xì)節(jié)，以便能對燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性采用正確的檢測和評價方法，最終給出準(zhǔn)確合理的安全等級分類。

［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.燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性.國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)委會發(fā)布，2006，3.

［3］吳曉晨，蔡喆，彭振堅，等.燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性檢測分析.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，(7).