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LED汽车前照灯光辐射安全研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-01-06 来源:中国电子技术标准化研究院浏览次数:45

1 引言

辐射危害已被世界卫生组织(WHO)明确为与“水、空气、噪声”并列的人类所面临的四大环境安全问题之一。光学辐射是辐射的重要组成部分,也是与人类接触最密切的辐射波段。光源和照明领域研究的光辐射安全问题主要是光学辐射对人体的伤害问题。

光辐射危害包括了紫外光、可见光和红外光辐射对人体组织的损伤,一般研究对象主要是人眼和皮肤。眼睛是人最重要的感觉器官之一,它的构造十分复杂,且自身修复能力较弱,最易受到光学辐射伤害,如过强的蓝光容易引起视网膜上的感光细胞的光化学损伤、过强的热辐射会引起视网膜的热损伤等。光辐射波段与眼睛作用区域对应关系见图1。

LED汽车前照灯光辐射安全研究

图1 光辐射波段与眼睛作用区域

近年来,国际上光生物学研究快速发展,尤其2002 年后通过对人类第三种非视觉细胞的研究,光辐射对生理节律及内分泌系统的影响等基础研究,人们对光源的使用和潜在的问题更加重视。目前已知的主要的几种光辐射危害引起的病症有:光致角膜炎和光致结膜炎、白内障、视网膜灼伤、视网膜蓝光危害、皮肤晒黑、紫外红斑、皮肤老化、皮肤癌等。

2LED汽车前照灯光辐射安全标准化现状

2.1 LED光辐射安全国际研究机构

(1)国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)

ICNIRP根据对生物物理数据的评估提供推荐曝光限值, 并且出版非相干光源和激光束的光辐射安全方面的指导方针。对于 LED,ICNIRP 建议遵循非相干光源的指导方针。

(2)国际照明委员会(CIE)

CIE 第六分部成立了相应的技术委员会,研究LED光辐射对人眼睛伤害的评价。2002 年发布了针对 LED 等非相干光源的光生物安全标准 CIE S009, 并将该标准推荐给 IEC 作为工业标准。

(3)国际电工委员会(IEC)

1993 年起,LED产品的光辐射安全要求被纳入IEC 60825《激光产品的安全》中,并按激光产品的要求进行规范。但LED与激光不同,因此在2007年发布的IEC 60825-1《激光产品的安全第1部分设备分类和要求》第二版中,LED产品不再按照激光产品来考虑。2008年10月召开的IEC/TC76 会议上,正式决定将所有LED产品的光辐射安全全部纳入非激光类产品标准 IEC 62471《灯和灯系统的光生物安全性》范围内。

近年来, IEC/TC76加快了光生物安全的标准化工作,LED的光生物安全性的研究及标准化工作已成为CIE和IEC的热点议题,相关的光生物安全标准也陆续颁布。

2012年6月,IEC发布了IEC/TR 62778《IEC 62471中关于蓝光对光源和灯具的危害评估的应用》,作为对光源和灯具蓝光危害的评价指南,对于光源和灯具的蓝光评价具有重要的指导意义。

2.2 国内标准化现状

我国于2006年发布实施了GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》,作为对于所有灯和照明设备通用的安全性标准。

目前,LED汽车前照灯直接相关的标准是2011年发布的GB 25991-2010 《汽车用LED前照灯》,该标准对汽车用LED前照灯及LED模块和电子光源控制器的一般要求进行了规定、对汽车用LED前照灯的配光性能、光色、光源、显色性、配光性能稳定性、照度和色度温度稳定性、塑料配光镜和塑料光学组件、耐温度循环、极性反接和过电压等提出了技术要求并规定了相应的测试方法,但该标准未涉及LED汽车前照灯的光辐射安全要求及测量方法。

3 LED汽车前照灯光辐射安全研究

3.1 LED汽车前照灯光辐射危害主要来源

在IEC 62471-2006中,提出的主要光辐射危害:

皮肤和眼睛的光化学危害(200~400 nm);

眼睛近紫外危害(315~400 nm);视网膜蓝光光化学危害(300~700 nm) ;

网膜蓝光光化学危害含小光源 (300~700 nm) ;

视网膜热危害(380~1 400 nm) ;

视网膜热危害微弱视觉刺激(780 ~1 400 nm);

眼睛的红外辐射危害(780~3 000 nm) ;

皮肤热危害(380~3 000 nm)。

目前照明用主流白光LED技术为蓝色LED芯片激发黄色荧光粉形成白光,采用这种技术的白光LED当其色温较高时在短波蓝光波段有一个较强的峰值,如图2所示的色温为5 186 K的高色温LED光源,峰值波长在440 nm左右,视网膜蓝光光化学危害(简称蓝光危害)是最主要考虑的危害类型。

图2 色温为5186K的LED光源的相对光谱能量分布图

另外的白光LED技术(如紫外LED激发红绿蓝荧光粉的技术)除需要考虑蓝光危害外还需要考虑紫外危害,但目前该技术尚未完全成熟,本文暂不展开讨论。

因此,对于汽车用LED前照灯光辐射安全的研究主要是针对其蓝光危害的研究。

3.2 LED汽车前照灯蓝光危害

3.2.1 LED汽车前照灯蓝光危害分级方法和使用限制

根据IEC 62471中提出的光辐射安全危害分级方法,可将LED汽车前照灯蓝光危害分为四个组别:豁免、低危险、中等危险、高危险,针对蓝光危害而言,在相应的评价位置上危险组别与对人眼造成蓝光危害所需最大曝幅时间的关系如表1所示。

表1 对人眼造成蓝光危害所需最大曝幅时间与危险组别的关系

从表1可知,对于RG3的高危险组别来说,0.25 s内就能对人眼产生蓝光危害,这在实际使用中是相当危险的,因此对于LED汽车前照灯来说,RG3高危险组别产品应被禁止使用以保护人员安全。

对于RG2的中等危险组别来说,一般人员在受到该组别蓝光辐照时会进行回避,但由于中等危险组别产生蓝光危害所需时间比较短、危险系数依然较高,在使用中应予以相应限制。

对于RG0和RG1组别来说,由于产生蓝光危害所需时间较长,除需长时间注视等特殊情况外,一般不会造成蓝光危害,因此无需限制使用。

3.2.2 LED汽车前照灯蓝光危害快速评价方法

为方便对LED汽车前照灯的蓝光危害进行测量和评价,需引入以下参数:

(1)照度阈值(threshold illuminance,Ethr)

照度的阈值,不考虑光源的 LB值,照度低于这个阈值的光源,不会引起tmax<100 s。

(2)光辐射的蓝光危害效能(blue light hazardefficacy of luminous radiation,KB,v),光辐射的蓝光危害效能用 W/lm表达,其值为蓝光危害加权量与相应光度量的商,即

LED汽车前照灯光辐射安全研究

在上述两个重要参数中,照度阈值Ethr用于对RG1/RG2边界条件的判断,由于RG0和RG1的光源和灯具的使用不受限制,为了方便对蓝光危害进行快速评价,只需重点考虑如何判定被测物是在RG1或RG2即可;光辐射的蓝光危害效能KB,V用于建立蓝光危害加权量与光度参数的关系,简化被测样品光谱中蓝光成分的加权值与总光谱分布的关系,计算出Ethr,用于后续评价。

LED汽车前照灯蓝光危害的快速评价具体如下:

参考IEC/TR 62778《IEC 62471中关于蓝光对光源和灯具的危害评估的应用》提出的亮度守恒定律,即如果初级光源的亮度(或辐亮度)已知,那么它对应的蓝光危害值即为含有这些光源所有照明产品的上限值,因此初级光源的蓝光危害数据可以在芯片、上限值,因此初级光源的蓝光危害数据可以在芯片、蓝光危害信息传递到下一水平产品,如果光源在灯具内的工作条件与进行元件测量时的条件相似,不要求附加的测量。如果需要精确衡量灯具在使用了包括漫射透光罩等措施后减弱了的蓝光危害,可以通过附加测量进行验证,如果没有进行测量,初始光源的初始蓝光危害值即作为蓝光危害的最差估计。

如果在初始光源的亮度测量得到的LB 值在RG0(0 W/(m2sr)到100 W/(m2sr))或RG1(100 W/(m2sr)到10 000 W/(m2sr))区域。它不可能到 RG2,无需考虑光度系统的类型和应用距离,该数据可以传递到基于该初始光源的所有产品。

如果在初始光源的亮度测量得到的LB值在RG2(10 000 W/(m2sr )到4 000 000 W/(m2sr)),根据应用的情况,其最终产品可能在RG2内。这里就需要用到Ethr,只有当在观察位置的照度高于阈值 Ethr,才可能出现RG2的情况。

综上所述,对于LED汽车前照灯,可以通过测量前照灯中用到的LED器件或模块,如果它们属于RG0或者RG1,利用亮度守恒定律,那么整灯就无需再做测量,对于RG2的LED器件或模块,只需要测量出应用该种LED器件或模块对应的距离即可,只要使用距离大于阈值Ethr对应的距离就不会出现RG2的情况。

关于如何使用评价数据,在得到阈值Ethr对应的距离后,需要确认该距离在LED汽车前照灯实际使用中是否容易造成对相关人员的危害,同时综合考虑配光性能、眩光等要求,采取适用于LED汽车前照灯的蓝光危害控制措施。

3.2.3 LED汽车前照灯蓝光危害测量方法

LED汽车前照灯的光束窄,发光角度小,及给光谱辐照度和辐亮度的测量带来了新的挑战。

测量应在蓝光危害最大的方向进行,在不考虑光谱空间方向差异性的情况下,通常认为光强最大的方向为危害最大的方向。

对于辐亮度测量来说,由于发光面存在不均匀性,辐亮度最大值的测量应为真实辐亮度值,即测量时不能包括灯具表面阴影部分面积以免测量数据低于真实值。

对于辐照度测量来说,当近距离测量时应注意避免由于测量探头受光面照度不均匀带来的测量误差。

4 结语

测量 LED器件或模块的蓝光危害,并将其应用到LED前照灯蓝光危害的测量,这样可大大降低LED前照灯的测量成本,并将其蓝光危害降到最低,有利于促进LED前照灯的技术开发和产品推广。

 
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