大功率LED路灯的光生物安全测试与分析.doc

1 引言
     随着LED 技术的不断进步，LED 功效不断增大，亮度不断提高，过去LED 出射光不会对人体造成危害的时代已经一去不复返，欧洲、北美等发达国家和地区都开始密切关注LED 产品的光生物安全性问题，并着手制定了一系列标准。但是，目前国内对于LED 光生物安全测试技术的研究仍然非常薄弱，相关的测试系统与方法研究论文更是少之又少。
　　本文对一款目前LED 照明中被大量采用的大功率LED 路灯进行光生物安全性检测。首先对辐射照度、辐射亮度、表观光源作了测试，最后对检测结果的危害类型进行分析和归类。基于普通照明用LED 光源不会产生800nm 以上的红外部分光谱，本实验只针对200nm ～ 800nm 部分光谱范围进行测试。
　　该灯具基本参数如下: 电压220 V， 电流0. 3248 A，功率为65. 98 W， 功率因数为0. 9231，频率为50 Hz; 灯具光通量为5747. 3 lm，中心光强1727. 33 cd，最大光强2839. 16 cd， 最大光强角度c: 180. 0° γ: 59. 0°， 光效87. 11 lm /W， 相关色温4632 K，显色指数Ra = 69. 1，色品坐标x = 0. 3617y = 0. 3949 u = 0. 2062 v = 0. 3378。
　　2 辐照度测试
　　一般来说，LED 路灯的配光设计是根据道路照明需要设计的，所以路灯的中心轴位置获取的视场亮度值往往不是最大值，该样品的最大光强方向在:c: 180. 0° γ: 59. 0°。考虑到测试需要针对路灯的最大危害方向进行，因此在测量时需使用专用夹具，固定灯具的最大光强方向垂直于探测器端面方向。
　　本实验采用光谱辐射分析仪光谱测试范围为200nm ～ 930nm。在辐射照度测试之前，首先应对光谱分析仪作定标校正，实验装置如图1 所示。

　　由于测试光谱范围跨度较大，对光谱分析仪的定标校正须分波段采用两种不同的光强标准灯。其中，对200nm ～ 350nm 光谱定标采用300 mA 恒流供电的标准氘灯; 对350nm ～ 800nm 光谱信号定标，采用标准卤钨灯作为光强标准灯。
　　测试系统采用混光球开孔的方法作为探测器的输入口，小型混光球可以充分接收探测器前方的光度信号，由于在光生物安全系统测量中光度信号方向性较强，所以混光球在充分接收光度信号时也可以很好的对被测灯具的方向性做出很好的余弦修正。
　　另外，混光球的内部材料的随机反射会使入射光发生偏振现象，经过多次反射可以使以同样光谱特性的入射光充满辐射的入射口径，从而避免了不同角度入射光偏振特性的差异。
　　定标完成后，移去光强标准灯，安装上待测试的LED 路灯，对该样品的辐射照度进行测量。一般情况下，普通照明最大使用照度为500 lx，所以在评估普通照明用灯时采用该照度去测量。另外，对于光源危害值的计算是将光谱扫描后进行危害函数加权，蓝光的危害加权函数的变化量非常大，所以在本系统中设置测量波长间隔为1nm，以保证测试结果的准确性。
测量灯具最大光强角度( C: 180. 0° /G:59. 0°) 方向在混光球端面所产生的照度值。调节该灯具的距离，使端面产生500 lx 的照度，固定该距离进行光谱测试。需要特别注意的是人眼的生理避让距离为200mm，考虑到灯具使用中预期最差使用条件的原则，必须保证该测试距离大于200mm。
　　500 lx 照度下获取该灯具的相对光谱功率值，测得照度光谱分布图如图2:

　　通过软件采集数据，自动获得到灯具在各个波段的光谱辐照度测试结果：

3 辐射灯发射限
　　根据GB /T 20145—2006 《灯和灯系统的光生物安全》的要求，对于连续辐射灯在规定曝辐时间内的发射限值如表1 所示，对于无危险类的灯具不应该超过任何一项限值。

　　亮度测试采用型号为MPR-16 的成像亮度计，该亮度计具有连续调焦功能。在亮度测试之前，首先应对亮度计定标校正。亮度定标采用的是漫反射白板的方式，连接测试系统，如图3 所示。

　　由于反射板的反射率可以从中国计量科学研究院取得标准数据，由照度亮度的转换关系很容易获得标准白板上的亮度值L。根据亮度值L 即可完成对亮度计的定标校正。
　　完成定标后，移去光强标准灯与白板，安装待测LED 路灯，对该样品的辐射亮度进行测量。同样在产生500 lx 照度的距离下，以及最大光强角度位置C: 180. 0° /G: 59. 0°，调节亮度计的焦距，使该灯具的发光面完全清晰的位于亮度计成像面上，测量该灯具的辐亮度值，获得视场平均亮度值以及亮度光谱分布数据。
　　最后，在与亮度同样的测试条件下，测量该灯具的表观光源亮度分布，获得表观光源对弦角数值。
　　由于眼睛在生理上的局限，在静止眼睛的视网膜上图像的最小对边角为0. 0017 弧度。当观测时间大于0. 25 s 时，快速的眼睛运动就会使光源像模糊，覆盖视网膜上更大的区域，形成一个更大的对边角角度，通过CCD 成像测试可获取表光光源对边角以及光源亮度分布情况。测试特定曝辐时间下不同波段区域出射光的曝辐参数，结果如下:

　　随后，测量表观光源对弦角，结果为:
　　α = 0. 041rad
　　4 各类辐射危险类别作分析、判定。
　　4. 1 眼睛光化学紫外和近紫外危害分析
　　由于该灯的紫外辐射有效积分光谱照度Es、EUVA均为0，小于标准限值，所以无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: 为了防止长期受到蓝光辐射的视网膜产生视网膜光化学损伤，在灯具曝辐时间t 不超过10000 s 的情况下，蓝光加权辐亮度LB不应超过100W·m - 2·sr - 1。
　　根据眼睛运动和测量对边角的关系，实验测得曝辐时间t 为10000s 时，对应蓝光加权辐亮度LB为67. 2W·m - 2·sr - 1 ，小于标准限值，符合标准中无危险类灯在10000s 内不造成对视网膜蓝光危害的规定。
　　4. 3 视网膜热危害分析
　　标准规定: 防止视网膜热损伤，无危险类灯在曝辐时间t 不超过10 s 的情况下，光源热危害加权辐亮度不应超过限值:

　　将实验测得的对弦角α = 0. 041 rad，t = 10s 代入上面公式，可得到限值要求为: 28000 /α = 28000 /0. 041 = 682926W·m - 2·sr - 1。
　　而实验测量值为5. 91 × 103W·m - 2·sr - 1 ，小于标准限值，因此该灯具无视网膜热危害。
    4. 4 视网膜热危害曝辐限值-对微弱视觉刺激的危害分析
　　标准规定: 对于一个红外热光源或者是任何近红外的光源，当用眼睛观察且辐照时间大于10s 时，其近红外( 780nm ～ 1400nm) 辐亮度应被限制在:

　　将α = 0. 041rad 代入公式，可知近红外辐亮度限值为146341W ·m - 2·sr - 1。而实验测量值为0. 836W·m - 2·sr - 1 ，远远低于标准限值， 因此符合该项目对无危险类灯的要求。
　　4. 5 眼睛红外辐射危害分析
　　标准规定: 为了避免对眼角膜的热危害以及对晶状体的后遗症( 比如白内障) ， 对于在波长780nm ～ 3000nm 的红外辐射，当照射时间小于1000s 时，红外辐射的视觉曝辐限值为:

　　将t = 1000s 代入公式中，获得无危险类灯的限值为101W·m - 2。而测得的实验值为1. 40 × 10 - 3W·m - 2 ，远低于限值要求，因此该灯具无近红外视视网膜危害。
　　5、总结
　　根据上述实验结果分析， 对照标准GB /T20145—2006 《灯和灯系统的光生物安全》的要求，可以知道该灯具无眼睛光化学紫外和近紫外危害、无视网膜蓝光危害、无视网膜热危害、无微弱视觉刺激、无眼睛红外辐射危害，应将该灯具划分为无危险类灯具类别。本文较全面的测试了LED 路灯的辐射照度、辐射亮度、表观光源等光生物安全性项目，并对实验结果做了分析探讨，对LED 产品光生物安全性的测试系统及测试方法研究具有一定的参考价值。