過 峰，喬 波，趙介軍

(1. 無錫出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 無錫 214101；2.杭州浙大三色儀器有限公司，浙江 杭州 310030)

引言

光生物輻射安全是人類健康所面臨的一項(xiàng)新的課題，由于光學(xué)輻射對(duì)人皮膚和眼睛的損傷是一復(fù)雜的光生物和光化學(xué)作用過程，目前主要考慮在八小時(shí)內(nèi)的正常輻照下造成的光化學(xué)作用和熱輻射作用。國(guó)際上非常關(guān)注各種產(chǎn)品的光輻射對(duì)人可能造成的潛在危險(xiǎn)，歐盟已納入CE認(rèn)證；全球電工產(chǎn)品符合性認(rèn)證委會(huì)IECEE也已成立了光生物安全工作組，開展統(tǒng)一的認(rèn)證。但是，光生物輻射安全的測(cè)量和評(píng)估涉及復(fù)雜的測(cè)試、分析技術(shù)，很多國(guó)家都投入了較大的精力進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的研究，我國(guó)在測(cè)試技術(shù)方面走在國(guó)際的前列，提出了視網(wǎng)膜輻射測(cè)量技術(shù)等新方法，并牽頭國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62471-4 的制訂。

1 光譜輻射測(cè)量

用于光輻射安全測(cè)量評(píng)價(jià)的光譜輻射計(jì)光譜響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋光生物危害的作用光譜范圍。對(duì)于某一種光生物安全的評(píng)價(jià)，要求所對(duì)應(yīng)測(cè)量的寬帶探測(cè)器，其光譜響應(yīng)函數(shù)應(yīng)該與光生物作用光譜函數(shù)一致，也就是要求采用對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍敏感的光電探測(cè)器或熱釋電探測(cè)器，加上光譜修正用濾光片和帶外截止濾光片組成，構(gòu)成與圖1所示的作用函數(shù)一致的有效光生物效應(yīng)探測(cè)系統(tǒng)。

圖1 光生物安全作用光譜加權(quán)函數(shù)Fig.1 Spectral weighting function for photobiological

但是，由于光譜響應(yīng)涉及個(gè)數(shù)量級(jí)的精確匹配以外的截止響應(yīng)，目前尚無一款這種有效光生物效應(yīng)探測(cè)器可以真正用于光生物輻射安全測(cè)量評(píng)價(jià)；此外，光生物安全評(píng)價(jià)涉及的200nm～3000nm寬波段多數(shù)的測(cè)量，所以目前國(guó)際上可行的方法是采用光譜輻測(cè)量技術(shù)。通常采用多光柵分光和多種探測(cè)器的組合測(cè)量方式，選擇與掃描波段對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器檢測(cè)從單色儀出射的單色光。但是多探測(cè)器存在與單色儀輸出光譜匹配、耦合、同步等問題。例如光生物輻射典型的作用函數(shù)，如紫外危害作用光譜加權(quán)函數(shù)SUV(λ)在不同波長(zhǎng)有四個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，藍(lán)光危害作用光譜加權(quán)函數(shù)B(λ)有三個(gè)數(shù)量的差別，探測(cè)器的光譜響應(yīng)很難匹配到所要求的光生物作用光譜函數(shù)。此外，探測(cè)器的帶外截止性能也是非常重要的，即探測(cè)器對(duì)于非該光生物作用效應(yīng)所產(chǎn)生響應(yīng)的抑制能力。特別是對(duì)于紅外波段光生物安全測(cè)量時(shí)，利用紅外輻射探測(cè)器成為了一種紅外輻射測(cè)量的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)途徑。但是由于紅外探測(cè)器在整個(gè)紅外光譜區(qū)域很難做到平坦的光譜響應(yīng)，并且在3000nm以上時(shí)輻射無法截止(如圖2所示)，這會(huì)對(duì)紅外輻射的測(cè)量帶來很大的影響。

圖2 紅外輻射探測(cè)器帶外截止能力Fig.2 Band rejection of infrared radiation detector

表1列出了不同色溫光源在光生物安全涉及的波長(zhǎng)范圍200nm～3000nm內(nèi)，與波長(zhǎng)范圍3000nm～5000nm內(nèi)的發(fā)射值。從表中可以看出，不同色溫的光源，在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射值有著明顯的差異。對(duì)于色溫低于1118K的光源，200nm～3000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射值低于3000nm～5000nm的發(fā)射值。隨著色溫的升高，200nm～3000nm的發(fā)射值逐漸增大，3000nm～5000nm的發(fā)射值逐漸降低，且發(fā)射值的比值存在顯著的變化。這說明，在進(jìn)行低色溫光源的測(cè)量時(shí)，由于3000nm以上波長(zhǎng)的發(fā)射能量顯著高于200nm～3000nm內(nèi)的發(fā)射值，對(duì)于帶外信號(hào)截止能力較差的紅外輻射探測(cè)器來說，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差，從而影響被測(cè)光源光生物危害等級(jí)的評(píng)價(jià)。

表1 不同色溫光源在不同波長(zhǎng)范圍下的發(fā)射值對(duì)比Table 1 Contrast values of different color temperature light source emitting at different wavelength ranges

基于上述原因，傳統(tǒng)的基于探測(cè)器技術(shù)進(jìn)行光生物安全的測(cè)量，已不能滿足測(cè)量精度的要求，需要利用光譜輻射分析儀進(jìn)行200nm～3000nm整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)掃描。并且由于不同危害種類，其發(fā)射限值可能相差4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，光譜輻射分析儀應(yīng)具有足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。由單色儀和探測(cè)器組成的光譜輻射分析儀，其光譜響應(yīng)函數(shù)(狹縫函數(shù))應(yīng)符合等腰三角形函數(shù)。對(duì)于逐步測(cè)量的方式，采樣波長(zhǎng)間隔應(yīng)與光譜輻射計(jì)的光譜響應(yīng)帶寬相同，或是它的1/N(N為整數(shù))。光譜響應(yīng)的帶寬要求如表2所示。

表2 光譜響應(yīng)帶寬Table 2 Spectral response bandwidth

若光譜輻射計(jì)的光譜響應(yīng)函數(shù)偏離等腰三角形函數(shù)，則應(yīng)采用更小的帶寬和采樣間隔。同時(shí)，由于不同危害類型的評(píng)價(jià)需要與對(duì)應(yīng)的作用光譜加權(quán)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)積分，光譜輻射計(jì)的波長(zhǎng)精度會(huì)明顯影響加權(quán)的光生物輻射量。表3列出了用于光生物安全測(cè)量的光譜輻射分析儀的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度。特別需要指出的是，由于在300nm～325nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，作用光譜加權(quán)函數(shù)SUV(λ)急劇下降三個(gè)數(shù)量級(jí)，所以該范圍的波長(zhǎng)精度應(yīng)不低于0.1nm。

表3 波長(zhǎng)準(zhǔn)確度Table 3 Wavelength accuracy

2 光輻射亮度計(jì)表觀光源測(cè)量

對(duì)于人眼視網(wǎng)膜的潛在危害測(cè)量與評(píng)價(jià)，需要涉及到光輻射亮度和表觀光源的測(cè)量。由于人眼是一個(gè)及其精密和復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，人眼觀察物體的過程及物體在視網(wǎng)膜上的成像非常特殊。所以，進(jìn)行光輻射亮度和表觀光源的測(cè)量設(shè)備，需要能夠模擬人眼光學(xué)系統(tǒng)，并符合人眼觀察物體及成像的過程。

進(jìn)行光輻射亮度的測(cè)量，通常利用點(diǎn)成像輻射亮度計(jì)和面成像輻射亮度計(jì)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。傳統(tǒng)輻射亮度計(jì)典型的測(cè)量視場(chǎng)角通常為0.1°、1°和2°；鏡頭的入射孔徑為30mm～50mm，并且在不同測(cè)試距離下的調(diào)焦過程中，鏡頭的入射孔徑會(huì)發(fā)生變化；位于透鏡之后的孔徑光闌，使得亮度計(jì)的入瞳位于透鏡與探測(cè)器之間，無法確定準(zhǔn)確的測(cè)量距離。

圖3 傳統(tǒng)輻射亮度計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of traditional radiation luminance meter

在光生物安全測(cè)量與評(píng)價(jià)中，視網(wǎng)膜受輻照的面積是決定藍(lán)光危害和視網(wǎng)膜熱危害輻射值的重要因素。且人眼的生理結(jié)構(gòu)決定了在不同持續(xù)觀察時(shí)間下，可視點(diǎn)光源在視網(wǎng)膜上的視場(chǎng)角會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)觀察時(shí)間小于等于0.25s時(shí)，可視點(diǎn)光源在視網(wǎng)膜上成像的圖像尺寸為1.7mrad；觀察時(shí)間為10s時(shí)，成像的圖像尺寸為11mrad；觀察時(shí)間大于10000s時(shí)，成像的圖像尺寸為100mrad。表4所示為不同觀察時(shí)間下，可視點(diǎn)光源在視網(wǎng)膜上的視場(chǎng)角。

表4 觀察時(shí)間與對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角Table 4 Observation time and corresponding FOV

所以，進(jìn)行光生物安全相關(guān)的輻亮度測(cè)量時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)需要能夠根據(jù)不同輻照時(shí)間對(duì)應(yīng)的測(cè)量視場(chǎng)角，進(jìn)行不同危害等級(jí)輻射值的測(cè)量。同時(shí)，由于人眼的瞳孔直徑為7mm，所以在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了采用最小直徑為7mm，最大直徑為50mm的接收孔徑作為限制視場(chǎng)的入射光闌?；诖耍捎脗鹘y(tǒng)的點(diǎn)成像輻射亮度計(jì)和面成像輻射亮度計(jì)進(jìn)行光輻射亮度的測(cè)量方式，已經(jīng)不適合光生物安全的測(cè)量與評(píng)價(jià)。

我國(guó)對(duì)人眼睛視網(wǎng)膜損傷在國(guó)際上進(jìn)行了深層次的研究，研制了模擬人眼成像的專用成像亮度計(jì)[1]。見圖4，專用亮度計(jì)利用CCD成像模擬人眼睛視網(wǎng)膜感光細(xì)胞，可以根據(jù)測(cè)量的輻亮度圖像，按照IEC 62471標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)100mrad、11mrad、1.7mrad不同視場(chǎng)角的測(cè)量要求，且完全可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。接收孔徑限定為7mm，嚴(yán)格模擬人眼的瞳孔尺寸，防止采用25mm或50mm接收孔徑測(cè)量空間輻射不均勻的被測(cè)產(chǎn)品時(shí)，對(duì)測(cè)量帶來的誤差。對(duì)不同距離目標(biāo)測(cè)量和對(duì)焦過程中，測(cè)量視場(chǎng)角與入射孔徑始終保持恒定，這也是專用成像亮度計(jì)光學(xué)機(jī)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)。同時(shí)，將專用亮度計(jì)與光譜輻射度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成了模擬人眼視網(wǎng)膜的光量輻射損傷亮度測(cè)量裝置。該裝置可同時(shí)進(jìn)行成像和光譜測(cè)量，并由同視場(chǎng)的光譜輻射亮度校準(zhǔn)成像亮度分布，解決了藍(lán)光危害的光譜輻亮度加權(quán)積分的要求，實(shí)現(xiàn)高精度不同視場(chǎng)角的有效藍(lán)光輻射危害以及視網(wǎng)膜熱損傷的有效輻射亮度的測(cè)量。

圖4 模擬人眼視網(wǎng)膜的光輻射損傷亮度測(cè)量裝置Fig.4 Measuring device of simulate human retinal damage

3 最大輻射量的測(cè)量

由于無法預(yù)知某個(gè)光源或照明產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，例如角度、距離和輻射時(shí)間等。所以，光生物輻射安全的評(píng)價(jià)通常是在最嚴(yán)格的條件下進(jìn)行的。但是對(duì)于經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)后的某些照明產(chǎn)品，通常具有復(fù)雜的空間輻射分布，特別是對(duì)于LED擴(kuò)展光源，最大輻射可能對(duì)應(yīng)于不同的位置，而且也不一定是光源的中心位置。如圖5所示，兩款照明產(chǎn)品的空間輻射分布示例。所以在進(jìn)行復(fù)雜空間輻射分布的照明產(chǎn)品光生物輻射測(cè)量時(shí)，需要確定表觀光源上最大輻射的方向和區(qū)域，并在該最嚴(yán)苛條件下測(cè)量對(duì)應(yīng)的輻照度或輻亮度。

圖5 照明產(chǎn)品空間輻射分布示例Fig.5 Space radiation of a lighting products sample

將分布光度測(cè)量技術(shù)與光生物安全測(cè)量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過測(cè)量被測(cè)照明產(chǎn)品的空間光束分布情況，得到其最大輻射量值所對(duì)應(yīng)的角度與輻射方向，然后在該方向角度下進(jìn)行輻照度和輻亮度測(cè)量的方法，很好的解決了對(duì)于具有復(fù)雜的空間輻射分布照明產(chǎn)品光生物輻射的測(cè)量與評(píng)價(jià)。

4 危害距離

IEC 62471[2]對(duì)于光生物輻射危害的評(píng)價(jià)規(guī)定了兩種典型的測(cè)量距離。對(duì)于普通照明(GLS)用燈，危害值應(yīng)在產(chǎn)生500lx照度的距離下給出，但這個(gè)距離不應(yīng)小于200mm。對(duì)其余所有光源，包括脈沖燈，危害值是在200mm的距離下給出。但是無論500lx還是200mm，通常不能正確反映有意或無意的觀察者，在一個(gè)合理的距離所受到的真正危害。如圖6所示，對(duì)于一個(gè)特定的照明產(chǎn)品，用戶的接觸距離可能會(huì)有多種情況，所以在最嚴(yán)苛接觸條件評(píng)價(jià)處的危害等級(jí)對(duì)用戶并不具有指導(dǎo)意義。

圖6 照明產(chǎn)品與人體接觸距離Fig.6 Lighting products and accessible distance to the human

在用戶的日常使用過程中，人們更加關(guān)心如何正確的使用照明產(chǎn)品，以有效的避免光生物輻射危害。這涉及到人體可接觸的最小安全距離、允許的曝輻時(shí)間和觀察情況(有意或無意觀察)。其中，人體可接觸的最小安全距離即危害距離，在照明產(chǎn)品的使用過程中最為關(guān)鍵。危害距離定義為測(cè)得的光源輻射值等于相應(yīng)的曝輻限值的位置與光源之間的距離[3-4]。為了得到不同危害類型、不同危害等級(jí)對(duì)應(yīng)的危害距離，在測(cè)量時(shí)，需要測(cè)量在何種距離條件下，被測(cè)光源的發(fā)射值達(dá)到了對(duì)應(yīng)的曝輻限值，從而得到相應(yīng)的危害距離。以便有針對(duì)性的采取防護(hù)措施，避免受到光生物輻射的危害[5-6]。

5 總結(jié)

我國(guó)在光生物輻射安全的測(cè)量和評(píng)估研究已經(jīng)走在世界的前列，通過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂，相關(guān)測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)際上發(fā)揮主導(dǎo)作用。同時(shí)，隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的同步采用，繼歐盟和美國(guó)之后，為保障使用者的安全，我國(guó)對(duì)各類進(jìn)入市場(chǎng)的照明產(chǎn)品，也將陸續(xù)把光生物輻射安全納入強(qiáng)制性的安全要求之中。并通過光生物輻射測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為用戶安全地使用照明產(chǎn)品和避免光生物輻射危害提供指導(dǎo)。

[1] Mou Tongsheng， Yu Jiangdong， Li Li. A Rentinal radiance meter[C]. Turin: CIE X033:2008 PROCEEDINGS of the CIE Expert Symposium on Advances in Photometry and Colorimetry, 2008.

[2] IEC 62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems[S].

[3] IEC 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance on manufacturing requires relating to non-laser optical radiation safety[S].

[4] GB/T 30117.2燈和燈系統(tǒng)的光生物安全 第2部分：非激光光輻射安全相關(guān)制造要求指南[S].

[5] 喬波, 程麗玲. 光生物輻射危害解讀[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2013, 24(S1): 61-65.

[6] 喬波, 牟同升. LED產(chǎn)品的光輻射安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——制造商應(yīng)該考慮的問題[C]. 武漢：第十三屆全國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)研討會(huì), 2012.