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LED灯具蓝光危害评估方法
发布日期:2014/10/7
IEC 60598-1第8版首次以LED为关注焦点对标准进行修订,标准的修订以LED灯具的光学、电气和结构特点为考虑要素,补充了对LED灯具的蓝光危害的标记和结构要求,针对较多LED灯具中光源工作电压为特低电压的特点,规定了LED灯具的绝缘要求。同时由于光源不可替换、灯具电路中可能使用过电压保护装置的情况,对灯具的结构和电气强度试验的规定进行了修订。   目前IEC标准体系中涉及照明产品光生物危害的基础标准是IEC 62471系列标准,由于LED照明产品涉及LED芯片、LED封装、LED模组和LED灯具等产品链,如果在各个产品阶段都对LED照明产品进行视网膜蓝光危害评价将带来很多重复性的工作,就此,IEC/TC34出版了技术报告IEC/TR 62778,其目的是应用IEC 62471对LED光源和灯具的蓝光危害进行评价。正在制定过程中的LED光源类产品和LED灯具产品安全的IEC标准中,都引用了IEC 62778的评价方法,对LED产品的标记、结构提出安全要求。   本文以修订中的IEC 60598-1第8版CDV文件考虑的灯具蓝光危害的标记和结构要求为切入点,介绍了IEC 61471和IEC/TR 62778标准的相关要求,以及灯具产品进行蓝光危害的一般方法。   一、IEC 60598-1第8版CDV文件相关要求介绍   在IEC 60598-1第8版中规定对灯具产品的视网膜蓝光危害的限制,通过规定灯具产品的标记和结构要求,使灯具产生的蓝光危害不会达到危害安全的程度。   (一)标记(3.2.23)   在标准的第3章标记中的规定包括:   1.对可移式和手提LED灯具   根据IEC/TR62778 分类为具有RG1/RG2(Ethr)极限条件的可移式和手提式灯具,要有建议“不要朝光源盯着看”的符号(见图1)。这个标记应标在灯具上,而且在灯具安装完成后能看得见,标记的高度应不低于5mm。   2. 维护期间能直接看见光源的灯具   灯具含有根据IEC/TR 62778具有RG1/2(Ethr)极限条件LED光源,而且在灯具维护期间可以直接看到的,应标记“不要朝光源盯着看”的符号(见图1)。这个标记应标在灯具维护时可以看得见的灯具外表面、或更换光源时移动的罩子的反面位置上,标记的高度不低于5mm。   3.对固定式灯具   根据IEC/TR 62778分类为具有RG1/RG2(Ethr)极限条件的固定式灯具,当Xm是出现RG1/RG2(Ethr)极限条件的距离,随灯具一起提供的制造商的说明书应提供“应将灯具放在预期不会在近于Xm的距离持续朝灯具盯着看的位置。”文字。这个要求只适用于当达到Ethr时离灯具的距离比200mm远的情况。   根据IEC TR62778的6.1,Xm是光源与观察者眼睛之间的距离,它来自于灯具照明分布测量的计算。   (二)结构(4.24.2)   针对IEC62471给出的蓝光危害组别,在IEC 60598-1第4章中规定了各种类别光源在灯具中使用规定。   1.不使用超过RG2的LED光源   带有整体式LED或LED模块的灯具应根据IEC/TR 62778“应用IEC 62471评估光源和灯具的蓝光危害”进行评估。   希望不使用蓝光危害的大于RG2的LED光源。对这种类型光源的要使用更多繁重管理要求。   同时标准提示,因为这种产品在市场还没有使用RG3的LED光源的灯具,所以还没有对此提出,如有需要将来会开发。   2.对分类为RG0或RG1的情况   使用按IEC/TR 62778具有RG0或RG1(基于200mm,0.011弧度测量)光源的灯具,或在相同条件下按使用完整装配被评估为RG0或RG1的灯具,没有附加的要求。   3.具有RG1/RG2(Ethr)边界条件的情况   对按照IEC/TR 62778具有RG1/RG2(Ethr)边界条件的灯具,应满足下述要求:   a)对固定式灯具,要按IEC/TR 62778进行附加的评估,目的是找到灯具与RG2和RG1边界的距离Xm,并应按本标准要求进行标记。   b)对于在200mm(0.011弧度测量)超过RG1可移式和手提灯具,要求按照IEC60598-1的规定进行标记。   标准同时提示:   -通常风险组别的分类应可以从LED光源制造商处得到;   -对于一些设计成使用整体式LED光源的灯具,需要对灯具整体进行试验;   -在建筑物中经过周到考虑的延展的LED阵列,或使用更多的光学器件不会增加基本LED光源的危险组类别;   -制造商声称的灯具光度数据可以用于”a”项所要求的评估。   4. 对儿童用可移式灯具和电源插座安装的夜灯   对IEC60598-2-10覆盖的儿童用可移式灯具,以及IEC60598-2-12覆盖的电源插座安装的夜灯,在200mm(0.011弧度测量)不应超过RG1。   二、IEC/TR 62778的内容概要   在IEC 60598-1第8版CDV文件中标记和结构要求中增加的蓝光危害的相关要求中,在引出一些新的概念,如蓝光危害、危险组别(RG),Ethr等的同时,也规定了灯具蓝光危害的评价要按照IEC TR 62778的规定。   (一)定义   1.蓝光危害blue light hazard,BLH   由波长主要介于400nm和500nm的辐射照射后引起的光化学作用,导致视网膜损伤的潜能。此伤害机理主要是超过10s的热损伤生理反应。   2.风险组别risk group,RG   按照IEC 62471的定义, 当产品在相关评价位置产生上升到表1的某一tmax值时的危险分类。   3. 照度阈threshold illuminance,   照度值的阈,不考虑光源的值,低于这个阈的光源,不会引起。   注1:可以通过tmax=100s时EB值进行计算,其中EB=1W/m2,并将其除以光源光谱相应的KB,v值。   注2:照度阈用lm/m2 = lx表达。   4. 蓝光加权辐照度blue light weighted irradiance,用IEC 62471定义的蓝光光谱加权函数进行光谱加权的辐照度。   5. 光辐射的蓝光危害效能blue light hazard efficacy of luminous radiation,光危害量与相应光度量的商。   其中:= 683 lm/W。   注1:光辐射的蓝光危害效能用W/lm表达。   6. 蓝光加权亮度blue light weighted radiance,LB   以IEC 62471规定的蓝光光谱函数加权的亮度。   7.集光率etendue   在一个光学系统中收集光束的几何特性,其构成包括这些光线所经过平面的所有位置和它们传导的所有方向。   8. 整体式部件integral component   构成灯具的一个不可替换部分的元件,它不能与灯具分开进行试验。   (二)从IEC 62471到IEC/TR 62778   IEC 62471是一个综合性的平行标准,描述了所有潜在的健康危害,从光谱的紫外、可见光和红外波段。IEC/TR 62778是一个仅针对IEC 62471:2006标准的第4.3.3条和第4.3.4条所描述的视网膜蓝光危害的技术报告。   1. IEC 62471规定使用的评价参数   -辐亮度   视网膜蓝光危害主要由可见光中的蓝光波段引起的,对视网膜有潜在的危害作用。它在视网膜上的作用不仅在于到达眼睛的光的数量,而且关乎发光光源的尺寸。相同数量的光,大的光源在视网膜上的成像区域较大,所以在视网膜上产生的辐亮度低于小光源。IEC 62471:2006第4.3.3条将此描述为光源辐亮度的最大允许曝光时间tmax。   辐亮度L(单位: W/(m2.sr) )是一个描述辐射强度的量,是射入某方向的辐射功率除以从相同方向看到的光源的表面积。在成像系统里,例如眼睛,成像平面(对眼睛来说是视网膜)上的局部照度与光源的亮度成比例。   -辐照度   当光源太小以至于不会强烈成像,或者它是如此的小以至于它远不能在视网膜上的相同区域固定而产生危害,那辐亮度不是一个适当的值。在这种情况下,要应用IEC 62471:2006第4.3.4 条,这时在瞳孔上的辐照度作为一个与在视网膜上的辐亮度成比例的值。   “大”光源使用4.3.3,或“小”光源的使用4.3.4,取决于光源的尺寸以及观察距离。光源的包络角是一个识别量。当产生危险的时间大于10s时,IEC 62471规定光源大或小的包络角限值是0.011rad。当处于大或小的边缘时,可以用4.3.3或4.3.4二者选一的方法计算tmax,将得到5%以内的相同的结果。5%的偏离是由于辐射量转换到tmax的转换因数的取整。   2. IEC 62471规定的评价蓝光危害的标准条件   IEC 62471陈述了产品的危害类别。因为根据IEC 62471:2006第4.3条计算的tmax值由产品本身和其被观察的距离确定,不能将它们本身用于确定产品特有的危害类别,因此IEC 62471第6章陈述了确定危害类别的评价光生物安全的标准条件,即对于要用于普通照明(GLS)的灯,应在不小于200mm的产生500 lx照度的距离报告危害值。对其他光源,包括脉冲灯,应在200mm报告危害值。在评价距离上确定tmax,而且当其不到100s时,产品分类为危险组别2(RG2),并要求有警告标贴。   重要的是要仔细评定这两种不同评估条件可以提供的信息,它们与实际应用中的危害评价相关。虽然500 lx是照明应用中大量使用的一个典型照度值,但也不能否认存在一些应用,即在观察者位置的距离照度高于500 lx。那500 lx的危害等级告诉我们什么呢?另外,对用于人们不会处于工作光源近处的高功率光源,在200mm评价又将导致夸大的危害评估,例如道路照明和体育馆照明,而近距离测量这样的光源的又一个问题是对标准光度测量设备的损害。   3. IEC/TR 62778的考虑   虽然IEC 62471引导GLS情景下的500lx测量,而实际上照明水平通常会高于或低于500lx,500lx并不必然代表适宜的光辐射情景。因此IEC/TR 62778推荐在200mm、0.011rad测量来确定适宜的RG1/2的边界条件。   IEC/TR 62778将调查下述两个事项(a)基于光源元件将其转换成一个较高水准照明产品的光生物安全的信息;(b)推荐测量距离和危害组分类。经过光谱计算和光度考虑,这些推荐建立在分析与蓝光危害相关量的基础上。   三、IEC/TR 62778评价方法的基础   IEC/TR 62778给出了LED照明产品应用存在的几个水平,提出初级光源的危害分类可以传递到其之后水平产品。   (一)LED封装、LED模块、灯和灯具是LED照明产品的几个应用水平   在照明商业中,基于组合的水平存在产品层次。不同组合水平的产品由不同的制造商制造。为了尽可能避免每次在下个水平的重复评价,有必要将光生物安全的信息通过链往下传。由于每下个水平一般都伴随着产品变化的急剧增加,所以这非常需要。   在LED之前,所有照明技术存在两个水平:灯和灯具。灯是初级光源,利用开放的机械和电气接口的行业标准,灯置入灯具内。灯具设计时是考虑某一类型的灯泡,但由于灯具中的接口标准是开放的,最终用户具有用另一种类型的灯泡替代这个灯的可能性。   对LED技术,情况更多样化了。存在产品水平链,工业界对它们进行下述的编号:   水平0:LED芯片。   水平1:LED封装,允许焊接和清洁的室内环境以外的处理。对白光LED封装,内部含有将芯片的蓝色光转换成其他波长产生白光的荧光粉材料。   水平2:基本LED模块,包括在印刷线路板上的一个多个LED封装。   水平3:有扩展功能的LED模块,通常包括一个带有允许机械安装,电气连接或光度作用的附加特性的水平2的板。呈现的附加特性取决于产品类型,而且可能包括一些或全部LED模块工作所需的电子控制装置。   水平4:灯具,应用中使用的LED产品。   通常,水平4产品中的低水平LED模块和LED封装未设计成最终用户容易替换的。不同水平的接口很少以开放的工业标准为基础。   LED替换灯是一个特例。它们是公开销售的LED产品,为开放的之前存在的灯技术的标准接口设计。他们将作为灯具原设计的灯的替代,由最终使用者装入灯具。   (二)蓝光危害信息传递链   IEC TR62778提出,初级光源的蓝光危害信息可以往下传递,蓝光危害信息传递到下一水平产品的基础是:亮度守恒定律和IEC/TR 62778 第5章的说明。   1.亮度守恒定律介绍   如果初级光源的亮度(或辐亮度)已知,也就提供了含有这些光源所有照明产品的上限值。它包括光通量守恒和集光率守恒两个基础守恒定律。增加辐亮度就意味着要提高光通量或降低集光率,而这都是基础守恒定律禁止的。对于一个被动的光度系统,光通量不增加是容易解释的,但不可能降低集光率就不那么容易理解了。但不管怎样,降低集光率是集光率守恒定律禁止的,如再进行深入调查,其根本原因类似于“热力学第二定律”。   注:热力学第二定律的定义是不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响;不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响;不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。   2.亮度守恒定律的应用   使用亮度守恒定律时,信息流的最佳始点是辐亮度测量。辐亮度值传递链从初级光源到灯具,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。   当要对灯具进行减少的辐亮度的光度测量(如一个漫反射罩和(或)在较低电流下工作)时,可以用附加的测量来验证减小的亮度值。如果没有进行该测量,初始亮度值保持了始终安全的最差估计。   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10000W/(m2sr))区域。它不可能到RG2,不考虑光度系统的类型(包括产生方向性光输出的光束修改光度系统)和应用时的观察距离,该信息可以传递到基于该初级光源的所有产品。   如果在初始光源的亮度测量得到的LB值在RG2(10000 W/(m2sr)到4000000 W/(m2sr)),根据应用的情况,其最终产品可能在RG2内。为了找出这种情况,要使用IEC/TR 62778的判定。在应用中,当在观察位置的照度高于由RG1上限值的EB和KB,v值计算的阈值Ethr,才可能出现RG2的情况。   3. 测量结果   初级光源辐亮度测量可能提供3个可能的结果:   a) RG0 无限制:在所有灯具中的所有距离,初级光源最高产生了RG0;   b) RG1 无限制:在所有灯具中的所有距离,初级光源最高产生了RG1;   c) RG2的Ethr:在某距离时初级光源产生了RG2,此处含有初级光源的灯具产生的照度高于Ethr;在某距离时初级光源产生了RG1,在此处含有初级光源的灯具产生的照度低于Ethr。   注:蓝光危害达到RG3是不太可能的,所以IEC/TR 62778不涉及这部分内容。   如果产生了第3种结果,危险组别取决于使用条件。在人很可能注视灯具的最小距离,照度是否高于或低于Ethr值。这个距离取决于灯具的光度并可能因此不来自于灯具的初级光源。如果来自灯具光学器件的光分布的峰值角度已知,大小和方向的值是可以计算的。对于很多光束造型光度系统,光分布是已知的,因为光分布是专业照明设计需要的。   为了找到灯具最大光强所在的方向,应用分布光度计测量。   其中:  I是评价位置所在方向的光强   d是光源到该位置的距离   α是光源的方向和评价Ethr所在平面法线的夹角(见图2)   图2 照度E、距离d和光强I的关系   四、IEC 62778规定的评价流程和测量方法   1. 辐亮度测量条件   在进行实际操作时,必须确定什么是初级光源的辐亮度标准测量条件。这些条件中应至少规定平均辐亮度的测量距离和视场。与IEC 62471给出的实际测量条件一致,200mm距离和0.011rad视角是一个好的开始点。如果视场孔未充满光源的发光面积,那这些条件给出了一个正确的辐亮度值。由于这个等于2.2mm直径,这是很多光源的情况。   要注意的是,只有当初级光源的试验条件等同于灯具的试验条件,结果才能转换。因为初级光源制造商一般不了解灯具的试验条件,至少应报告最差试验条件的结果(例如,对LED封装至少在最大额定电流),可能的附加报告,其他规定试验条件(例如,LED封装低于最大额定电流的规定电流水平)的结果。   当0.011rad视场孔在仅200mm距离溢出光源面积时,测量没有给出正确的亮度值。在这种情况下,有两个办法:   a) 可以减小测量视场孔,使之未充满光源。在这种条件下确定辐亮度值LB,这样就可确定光源的危害组别。   b) 完成辐照度测量。这可以给出数据计算Ethr。因为没有进行辐亮度测量,要假定最差的情况,而且只能产生一种结果:RG2的Ethr值。   有些光源可产生大量的光,从技术上说在200mm距离测量是不可能的,因为这会使测量设备过热或饱和。这种情况下,测量距离可以增加到可能测量的最小值。此外,还必须估计视场孔充满光源与否。如果视场孔未充满光源,测量产生的正确的辐亮度值。如果视场孔充满了光源,再次选择降低视场孔或进行辐亮度测量,并假设最差的情况:RG2的Ethr值。图3是概述所要求测量的流程图,信息需要下溯到初级光源,以对灯具应用进行正确的危害组别分类。   1) 从<10000 cd/m2条件得出的RG0结论仅对白光光源有效。   图3从初级光源(兰色)到使用该光源的灯具(琥珀色)的信息流流程描述图   五、按蓝光低危险发射限估计的不同色温光源RG1/RG2亮度或照度边界   1. KB,v与光谱的相关色温(CCT)有牢固关系   IEC TR62778报告了确定不同光源光谱的KB,v时的一个有趣的观察数据,见图4。对所有白光光源,不论它是白炽灯、高强度放电灯或LED技术, 在KB,v与光谱的相关色温(CCT)有牢固的关系。甚至在白天也有相同的趋势,虽然严格地说这不是只关注人工光源的IEC 62471的主题。   图4 一些不同技术光源和典型日光光谱的光辐射的蓝光危害效能KB,V   2. tmax值低于100s的亮度和照度   现在,利用KB,v量可以研究根据IEC 62471要求标记的可能发生tmax的亮度和照度值。关于蓝光危害,要求标记的阈值是100s。标记应规定警告不要盯着光源看。   下述情况下达到tmax=100s:   -对大光源,LB=10000W/(m2sr)(IEC 62471:2006第4.3.3条)   -对小光源,EB=1W/m2(IEC 62471:2006第4.3.4条)   对所有CCT,使用估计的KB,v可以生成图5和图6的曲线,用这两条曲线,可以根据光源的亮度和CCT以及观察者眼睛位置的局部照度,对tmax值高于或低于不到100s的情况(光源和观察距离的组合)进行估计。估计的准确度在±15%,要确定正确的KB,v,需要对光源光谱进行较详细的光谱测量。   图5 按LB=10000 W/(m2·sr)估计的亮度水平,   随CCT变化的大光源RG1(tmax>100s)和RG2 (tmax<100s)边界   注:IEC 62471:2006表5给出的蓝光低危险发射限为10000 W/(m2·sr)。   图6 按EB=1W/m2估计的照度水平,   随CCT变化的小光源RG1(tmax>100s)和RG2 (tmax<100s)边界   注:IEC 62471:2006表5给出的小光源蓝光低危险发射限为1W/m2。   首先要确定的是对观察者的眼睛位置光源是大或小。如果是大的,可以使用的是光源的亮度,应使用图5。如果是小,应评估观察者眼睛位置的照度,要使用图6。   要注意的是,根据亮度对小光源会呈现出“最差情况”。因为E=L Ω,与大光源相比,对于相同的照度值,小的立体角有较高的亮度值。   根据图6,观察者眼睛处的照度低于EB=1W/m2的时候,不考虑光源的亮度,不会引起tmax<100s。在普通照明的CCT范围,500lx的标记是低于红线的,也就是说,对于白光,500lx标准远不会产生RG2分类。   大光源在短距离上有效,亮度是一个与观察距离无关的光源特性。如果光源的LB<10 000W/(m2sr),即使在最短观察距离它也有tmax>100s。在较长的距离上,从大光源到小光源的规则它都将通过,tmax只会上升不会下降。因此,如果光源的LB值低于10 000W/(m2sr)(例如,其亮度低于图5的线),不管在什么距离评价,它都不会成为RG2。   图5和图6可以用来估计亮度和照度的限值。   对所有在380 nm~780 nm范围内发光的光源,可以从光谱测量计算KB,v,而亮度和照度限值可以依据KB,v值确定。 来源:国家灯具质量监督检验中心 全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会
 
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