基于EN 62471:2008的LED灯串光生物安全检测与分析

赵浩之 蒋春旭 王 深 林树坚 申中鸿

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

1 引言

随着低碳和环保理念的普及，绿色半导体照明——LED照明近些年来得到了长足的发展。LED灯具有传统照明产品不可比拟的优势:高光效、长寿命、高亮度等［1］。然而LED光源发出的光谱中，如果发光材料的工艺不过关，除了可见光外，紫外光、蓝光或红外光也会辐射出来，对人的眼睛和皮肤产生不同程度的光化学紫外危害和红外辐射 (热)危害，这就是常说的光生物安全。随着LED照明使用率的提高，其光生物安全性就显得更为重要。在国际上光生物安全的研究已经有很多年了，早在1996年，北美照明学会 (IESNA)和美国国家标准组织(ANSI)就推出了《灯和灯系统光生物安全性推荐实施规程》，即ANSI/IESNA RP－27。ANSI/IESNA RP－27规定了光辐射安全的研究方法、曝辐限值、分类等内容。2002年，国际照明委员会 (CIE)制定了非激光的光安全标准CIE S009/E:2002。2006年，国际电工委员会 (IEC)又以ANSI/IESNA RP－27.3－07为基础制定了IEC 62471。2008年，欧盟电子技术标准委员会 (CENELEC)对IEC 62471又进行了修订，将CE低电压指令 (2006/95/EC)和人造光辐射指令 (AORD 2006/25)覆盖，形成了EN 62471:2008。在我国，2006年发布了国家标准GB/T 20145－2006《灯和灯系统的光生物安全性》，此标准等同于 CIE S009/E:2002和IEC62471:2006［2，3］。

目前，在我国LED光源和灯具的光生物安全性还未列入强制性检验的项目，但是如果要出口欧盟、北美等国家时，光生物安全则是必不可少的检测项。在本文中，我们将参照欧盟标准EN 62471:2008对一种典型的白光LED灯串光生物安全性进行检测，并对IEC和EN标准差异进行简要的比较和分析。

2 LED光生物安全检测

标准IEC 62471中规定:普通照明用灯或灯系统的测量应在产生500lx照度的距离下进行，但不得小于20cm(普通照明是指办公室、学校、家庭、工厂、道路、汽车等场合的照明);非普通照明评估距离为20cm(非普通照明是指电影投影、复印过程、探照灯、医疗、工业过程等场合)。因此，必须在500lx处或20cm距离处测量普通照明用LED产品。光生物安全测量主要涉及两类物理量，辐照度和辐亮度，其对应考察的辐射危害和人体部位如图1所示。

图1 光生物安全检测Fig.1 Detection of photobiological safety

2.1 光谱辐照度

光谱辐照度的定义:在离开光源给定距离上，每单位面积和给定波长下的入射能量 (在无穷小波长范围内的辐照度除以该波长范围)，单位为W/(m2·nm)。光谱辐照度在200－3000nm范围内测量。辐照度公式见式 (1)，光谱辐照度公式见公式(2)。

对LED灯进行光谱辐照度测试之前，首先需要对光谱测试系统进行校正。进行校正要有光强标准灯及其具体标准数据。具体校正方法和测量方法参见GB/T 20145－2006第 5章，灯和灯系统的测量［4］。

在测量过程中，与辐照度相关的曝辐限值分别为:315－400nm人眼的曝辐限值，EUVA;红外各种情况的曝辐限值，EIR;皮肤热曝辐限值，EH。与光谱辐照度相关的分别为:200－400nm皮肤的眼睛曝辐限值，ES;视网膜的蓝光曝辐限值，对小光源的，EB。

2.2 光谱辐亮度

光谱辐亮度的定义为:从单位面积的光源表面射出的单位空间内的能量 (在给定方向上)，单位为W/sr·m2·nm，光谱辐亮度在300－1400nm范围内测量。辐亮度公式见式 (3)，光谱辐亮度公式见式 (4)。

对LED灯进行光谱辐亮度测试之前，同样需要对测试系统进行校正。具体校正方法和测量方法参见GB/T 20145－2006第5章，灯和灯系统的测量［4］。

与光谱辐亮度有关的曝辐限值分别为:视网膜的蓝光曝辐限值，LB;视网膜的热曝辐限值，LB;视网膜的热曝辐限值，对微弱可见光刺激，LIR。

3 LED灯串光生物安全检测与危害评估

3.1 试验参数测量

在本文中，我们使用了某型号辐射安全性能测试系统 (图2)，对某种白光LED灯串 (图3)光生物安全性能进行检测。

图2 某辐射安全性能测试系统Fig.2 One radiation safety testing system

图3 某白光LED灯串Fig.3 One white LED light rope

在完成定标后，移去光强标准灯与白板，安装上待测试的LED灯串，调整灯串中心位置与探测器平面的纵向距离，使其固定于20cm。然后通过移动横向导轨上的LED灯座，使LED灯串的光源中心对准各个探测器中心，从而实现各辐照度和辐亮度参数的测量。在本检测中，为了更全面的考察该LED灯串的光生物安全性，我们分别对单个LED灯(图4)和20个LED灯 (图5)进行测试。

图4 单个LED灯Fig.4 Single LED bulb

图5 20个LED灯Fig.5 20 LED bulbs

在按规定完成各个探测器的测量后，单个LED灯和20个LED灯组形成的相对光谱功率分布如图6和图7所示。

图6 单灯光谱功率分布图Fig.6 The spectrum power of single LED

图7 20灯光谱功率分布图Fig.7 The spectrum power of 20 LEDs

通过软件采集数据，自动获得光源在各个波段的辐照度和辐亮度测试结果:

单灯情况:

20灯情况:

3.2 危害评估

在完成了辐照度和辐亮度的测量之后，就需要对照EN 62471:2008标准中相应的条款和曝辐限值对各个类别的光生物危害进行等级评估，从而最终为此 LED 灯串划分光生物危害等级［5，6］。

3.2.1 皮肤和眼睛的光化学紫外危害

入射到没有采取保护措施的皮肤和眼睛的紫外辐射的曝辐限值仅适用于照射时间在8h以内的情况。有效辐射的曝辐限值为30J·m－2。

为了保护眼睛或皮肤不受宽带光谱光源产生的紫外辐射的损伤，光源的有效积分光谱辐照度ES不应超过由公式 (5)定义的限值。

将试验测得的ES代入上式中，并且令t=8h=2.88e+04s，可得如下结果:

两种情况均小于曝辐限值，可见该LED灯串不会产生皮肤和眼睛的光化学紫外危害。

3.2.2 眼睛的近紫外危害

光谱范围在315nm－400nm谱段的总辐射量在8h以内不能超过10000J·m－2。

将检测结果代入上式，并令t=8h=2.88e+04s，可得:

单灯:EUVA×t=1.18＜10000J·m－2

20LEDs:EUVA×t=3.456＜10000J·m－2.

两种情况均小于曝辐限值，可见该LED灯串不会产生眼睛的近紫外危害。

3.2.3 视网膜蓝光危害

按照EN 62471:2008标准的要求，需根据对边角的大小确定不同的曝辐限值。当α11mrad时，考察光源的辐亮度是否超出限制;当α＜11mrad时，考察光源的辐照度是否超出限制。对于此类LED灯串而言，α11mrad考察的照射时间为10000s，而对于小光源α＜11mrad的情况，照射时间规定为100s。

具体曝辐限值如下:

由检测数据可知，单灯的对边角小于11mrad，而20灯的对边角大于11mrad，所以两者分别考核辐照度和辐亮度。结果如下所示:

两种情况均小于曝辐限值，可见该LED灯串不会产生视网膜的蓝光危害。

3.2.4 视网膜热危害

考察视网膜的热危害，主要集中在380－1400nm波段的辐射情况。其中曝辐限值的确定根据眼睛的观察时间分为三种情况:t10μs，10μst10s和t＞10s。对于本LED灯串而言，眼睛的观察时间为大于10s，所以对应的计算公式如下:

而且对于Cα的取值，也与α的大小有关，具体关系如下:

在本例中，代入相关数据可得:

单灯:

综上所述，两种情况均小于曝辐限值，可见该LED灯串不会产生视网膜的热危害。

3.2.5 视网膜热危害－对微弱视觉刺激

考察视网膜的热危害，主要集中在780－1400nm波段的辐射情况。在考察此类危害时，EN的标准同样考虑了不同的照射时间，t10μs，10μst10s和 t＞10s。在本例中，照射时间为大于10s，所以只考虑这个范围的情况:

对于Cα的取值，与α的大小有关，具体关系如下:

在本例中，代入相关数据可得:

单灯:

综上所述，两种情况均小于曝辐限值，可见该LED灯串不会产生此类视网膜的热危害。

3.2.6 眼睛的红外辐射危害

为了避免对眼角膜的热危害以及对晶状体的后遗症，对于在波长780－3000nm之间的红外辐射，在照射时间1000s之内，红外辐射的限值不能超过式 (11)规定的限值:

本试验中，测得的EIR均为0，因此说明该LED灯串不会产生眼睛的红外辐射危害。

3.2.7 皮肤热危害

同理，可见光和红外辐射 (380－3000nm)对皮肤的辐射应小于以下曝辐限值:

本试验中，测得的EH均为0，因此说明该LED灯串不会产生皮肤热危害。

综上所述，该类LED灯串满足无危险类灯的要求，即对于标准在极限条件下也不会造成任何光生物危害。

4 EN 62471:2008与IEC 62471:2006的差异小结

前面已经提到，IEC 62471在欧洲采用的版本即为EN 62471:2008，它是与欧盟的“低电压指令”和“人造光辐射指令”协调兼用的。凡出口欧盟国家的LED类产品都要按此标准进行光生物安全性的检测。在本文的第二部分我们参照EN 62471:2008对某种LED灯串进行检测，现对检测过程中涉及到EN标准和IEC标准的差异作一个总结。

1)EN标准紫外线波长从180nm开始，而IEC标准则从200nm开始计算，可参见本文2.2.1中的公式 (5)，计算皮肤和眼睛的光化学紫外危害;

2)对于各种危害的加权函数，EN标准以1nm的步长列出，而IEC以5nm步长列出。这说明了EN标准在计算总辐射量时具有更高的精度;

3)对于眼睛的近紫外危害，见本文2.2.2。关于照射时间的规定，EN标准是8h，而IEC标准是1000s。而在规定时间内的总的曝辐射量是一样的，所以可见EN标准对于限值的要求更加苛刻;

4)对于视网膜的蓝光危害，见本文2.2.3。EN标准对光源的对边角有详细的规定，即当对边角大于11mrad时，只考虑辐亮度这个参数是否满足曝辐限值;当对边角小于11mrad时，只考虑辐照度是否满足限值的要求。而IEC标准中并无明确说明对边角的大小对于检测的影响，只是提到当对边角小于11mrad时，可以用辐照度代替辐亮度考察;

5)对于视网膜的热危害，见本文2.2.4和2.2.5。EN标准根据照射时间的长短将限值的计算分成了三种方式，而且对于Ca的取值还有特殊的规定，这些都是和IEC标准具有很大区别的。

总的来说，EN标准对于IEC标准在曝辐限值的计算和照射时间的选取方面有一些改进，并且更多的考虑到对边角的大小对于辐射量的影响。在波长范围和危害加权函数方面，都在精度上有一定的提升。

5 结论

本文基于EN 62471:2008标准对一种LED灯串的光生物安全性进行了检测，并对其危害等级进行了评估和分析。在LED灯串危害等级评估过程中，采用了EN标准与IEC标准不同的要求，主要体现曝辐限值和照射时间以及对边角的考虑等几个方面上。本文还对国际上光生物安全的检测的发展作了简单介绍，并简要总结了IEC 62471:2006和EN 62471:2008两个标准的差异。相信随着更多产品出口欧盟，EN标准的使用将会更加广泛和成熟。

［1］俞建峰，顾高浪，陶宏锦.LED照明产品质量控制与国际认证［M］.人民邮电出版社，2012.

［2］徐学基.关于发光二极管产品的光生物安全性及其标准问题 (一)［J］.光源与照明，2011，4:29－31.

［3］徐学基.关于发光二极管产品的光生物安全性及其标准问题 (二)［J］.光源与照明，2012，1:36－39.

［4］GB/T20145—2006，灯和灯系统的光生物安全性［S］.

［5］BS EN 62471:2008，Photobiological safety of lamps and lamp systems［S］.

［6］陈慧挺，蔡喆，吴晓晨，等.大功率LED路灯的光生物安全测试与分析［J］.照明工程学报，2011，22(6):191－196.