LED汽車前照燈光輻射安全研究

1 引言

輻射危害已被世界衛(wèi)生組織(WHO)明確為與“水、空氣、噪聲”并列的人類所面臨的四大環(huán)境安全問題之一。光學輻射是輻射的重要組成部分，也是與人類接觸最密切的輻射波段。光源和照明領域研究的光輻射安全問題主要是光學輻射對人體的傷害問題。

光輻射危害包括了紫外光、可見光和紅外光輻射對人體組織的損傷，一般研究對象主要是人眼和皮膚。眼睛是人最重要的感覺器官之一，它的構(gòu)造十分復雜，且自身修復能力較弱，最易受到光學輻射傷害，如過強的藍光容易引起視網(wǎng)膜上的感光細胞的光化學損傷、過強的熱輻射會引起視網(wǎng)膜的熱損傷等。光輻射波段與眼睛作用區(qū)域?qū)P系見圖1。

圖1 光輻射波段與眼睛作用區(qū)域

近年來，國際上光生物學研究快速發(fā)展，尤其2002 年后通過對人類第三種非視覺細胞的研究，光輻射對生理節(jié)律及內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響等基礎研究，人們對光源的使用和潛在的問題更加重視。目前已知的主要的幾種光輻射危害引起的病癥有：光致角膜炎和光致結(jié)膜炎、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜灼傷、視網(wǎng)膜藍光危害、皮膚曬黑、紫外紅斑、皮膚老化、皮膚癌等。

2LED汽車前照燈光輻射安全標準化現(xiàn)狀

2.1 LED光輻射安全國際研究機構(gòu)

(1)國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)

ICNIRP根據(jù)對生物物理數(shù)據(jù)的評估提供推薦曝光限值， 并且出版非相干光源和激光束的光輻射安全方面的指導方針。對于 LED，ICNIRP 建議遵循非相干光源的指導方針。

(2)國際照明委員會(CIE)

CIE 第六分部成立了相應的技術委員會，研究LED光輻射對人眼睛傷害的評價。2002 年發(fā)布了針對 LED 等非相干光源的光生物安全標準 CIE S009， 并將該標準推薦給 IEC 作為工業(yè)標準。

(3)國際電工委員會(IEC)

1993 年起，LED產(chǎn)品的光輻射安全要求被納入IEC 60825《激光產(chǎn)品的安全》中，并按激光產(chǎn)品的要求進行規(guī)范。但LED與激光不同，因此在2007年發(fā)布的IEC 60825-1《激光產(chǎn)品的安全第1部分設備分類和要求》第二版中，LED產(chǎn)品不再按照激光產(chǎn)品來考慮。2008年10月召開的IEC/TC76 會議上，正式?jīng)Q定將所有LED產(chǎn)品的光輻射安全全部納入非激光類產(chǎn)品標準 IEC 62471《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》范圍內(nèi)。

近年來， IEC/TC76加快了光生物安全的標準化工作，LED的光生物安全性的研究及標準化工作已成為CIE和IEC的熱點議題，相關的光生物安全標準也陸續(xù)頒布。

2012年6月，IEC發(fā)布了IEC/TR 62778《IEC 62471中關于藍光對光源和燈具的危害評估的應用》，作為對光源和燈具藍光危害的評價指南，對于光源和燈具的藍光評價具有重要的指導意義。

2.2 國內(nèi)標準化現(xiàn)狀

我國于2006年發(fā)布實施了GB/T 20145-2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》，作為對于所有燈和照明設備通用的安全性標準。

目前，LED汽車前照燈直接相關的標準是2011年發(fā)布的GB 25991-2010 《汽車用LED前照燈》，該標準對汽車用LED前照燈及LED模塊和電子光源控制器的一般要求進行了規(guī)定、對汽車用LED前照燈的配光性能、光色、光源、顯色性、配光性能穩(wěn)定性、照度和色度溫度穩(wěn)定性、塑料配光鏡和塑料光學組件、耐溫度循環(huán)、極性反接和過電壓等提出了技術要求并規(guī)定了相應的測試方法，但該標準未涉及LED汽車前照燈的光輻射安全要求及測量方法。

3 LED汽車前照燈光輻射安全研究

3.1 LED汽車前照燈光輻射危害主要來源

在IEC 62471-2006中，提出的主要光輻射危害：

皮膚和眼睛的光化學危害(200~400 nm);

眼睛近紫外危害(315~400 nm);視網(wǎng)膜藍光光化學危害(300~700 nm) ;

網(wǎng)膜藍光光化學危害含小光源 (300~700 nm) ;

視網(wǎng)膜熱危害(380~1 400 nm) ;

視網(wǎng)膜熱危害微弱視覺刺激(780 ~1 400 nm);

眼睛的紅外輻射危害(780~3 000 nm) ;

皮膚熱危害(380~3 000 nm)。

目前照明用主流白光LED技術為藍色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉形成白光，采用這種技術的白光LED當其色溫較高時在短波藍光波段有一個較強的峰值，如圖2所示的色溫為5 186 K的高色溫LED光源，峰值波長在440 nm左右，視網(wǎng)膜藍光光化學危害(簡稱藍光危害)是最主要考慮的危害類型。

圖2 色溫為5186K的LED光源的相對光譜能量分布圖

另外的白光LED技術(如紫外LED激發(fā)紅綠藍熒光粉的技術)除需要考慮藍光危害外還需要考慮紫外危害，但目前該技術尚未完全成熟，本文暫不展開討論。

因此，對于汽車用LED前照燈光輻射安全的研究主要是針對其藍光危害的研究。

3.2 LED汽車前照燈藍光危害

3.2.1 LED汽車前照燈藍光危害分級方法和使用限制

根據(jù)IEC 62471中提出的光輻射安全危害分級方法，可將LED汽車前照燈藍光危害分為四個組別：豁免、低危險、中等危險、高危險，針對藍光危害而言，在相應的評價位置上危險組別與對人眼造成藍光危害所需最大曝幅時間的關系如表1所示。

表1 對人眼造成藍光危害所需最大曝幅時間與危險組別的關系

從表1可知，對于RG3的高危險組別來說，0.25 s內(nèi)就能對人眼產(chǎn)生藍光危害，這在實際使用中是相當危險的，因此對于LED汽車前照燈來說，RG3高危險組別產(chǎn)品應被禁止使用以保護人員安全。

對于RG2的中等危險組別來說，一般人員在受到該組別藍光輻照時會進行回避，但由于中等危險組別產(chǎn)生藍光危害所需時間比較短、危險系數(shù)依然較高，在使用中應予以相應限制。

對于RG0和RG1組別來說，由于產(chǎn)生藍光危害所需時間較長，除需長時間注視等特殊情況外，一般不會造成藍光危害，因此無需限制使用。

3.2.2 LED汽車前照燈藍光危害快速評價方法

為方便對LED汽車前照燈的藍光危害進行測量和評價，需引入以下參數(shù)：[!--empirenews.page--]

(1)照度閾值(threshold illuminance，Ethr)

照度的閾值，不考慮光源的 LB值，照度低于這個閾值的光源，不會引起tmax<100 s。

(2)光輻射的藍光危害效能(blue light hazardefficacy of luminous radiation，KB，v)，光輻射的藍光危害效能用 W/lm表達，其值為藍光危害加權量與相應光度量的商，即

在上述兩個重要參數(shù)中，照度閾值Ethr用于對RG1/RG2邊界條件的判斷，由于RG0和RG1的光源和燈具的使用不受限制，為了方便對藍光危害進行快速評價，只需重點考慮如何判定被測物是在RG1或RG2即可;光輻射的藍光危害效能KB，V用于建立藍光危害加權量與光度參數(shù)的關系，簡化被測樣品光譜中藍光成分的加權值與總光譜分布的關系，計算出Ethr，用于后續(xù)評價。

LED汽車前照燈藍光危害的快速評價具體如下：

參考IEC/TR 62778《IEC 62471中關于藍光對光源和燈具的危害評估的應用》提出的亮度守恒定律，即如果初級光源的亮度(或輻亮度)已知，那么它對應的藍光危害值即為含有這些光源所有照明產(chǎn)品的上限值，因此初級光源的藍光危害數(shù)據(jù)可以在芯片、上限值，因此初級光源的藍光危害數(shù)據(jù)可以在芯片、藍光危害信息傳遞到下一水平產(chǎn)品，如果光源在燈具內(nèi)的工作條件與進行元件測量時的條件相似，不要求附加的測量。如果需要精確衡量燈具在使用了包括漫射透光罩等措施后減弱了的藍光危害，可以通過附加測量進行驗證，如果沒有進行測量，初始光源的初始藍光危害值即作為藍光危害的最差估計。

如果在初始光源的亮度測量得到的LB 值在RG0(0 W/(m2sr)到100 W/(m2sr))或RG1(100 W/(m2sr)到10 000 W/(m2sr))區(qū)域。它不可能到 RG2，無需考慮光度系統(tǒng)的類型和應用距離，該數(shù)據(jù)可以傳遞到基于該初始光源的所有產(chǎn)品。

如果在初始光源的亮度測量得到的LB值在RG2(10 000 W/(m2sr )到4 000 000 W/(m2sr))，根據(jù)應用的情況，其最終產(chǎn)品可能在RG2內(nèi)。這里就需要用到Ethr，只有當在觀察位置的照度高于閾值 Ethr，才可能出現(xiàn)RG2的情況。

綜上所述，對于LED汽車前照燈，可以通過測量前照燈中用到的LED器件或模塊，如果它們屬于RG0或者RG1，利用亮度守恒定律，那么整燈就無需再做測量，對于RG2的LED器件或模塊，只需要測量出應用該種LED器件或模塊對應的距離即可，只要使用距離大于閾值Ethr對應的距離就不會出現(xiàn)RG2的情況。

關于如何使用評價數(shù)據(jù)，在得到閾值Ethr對應的距離后，需要確認該距離在LED汽車前照燈實際使用中是否容易造成對相關人員的危害，同時綜合考慮配光性能、眩光等要求，采取適用于LED汽車前照燈的藍光危害控制措施。

3.2.3 LED汽車前照燈藍光危害測量方法

LED汽車前照燈的光束窄，發(fā)光角度小，及給光譜輻照度和輻亮度的測量帶來了新的挑戰(zhàn)。

測量應在藍光危害最大的方向進行，在不考慮光譜空間方向差異性的情況下，通常認為光強最大的方向為危害最大的方向。

對于輻亮度測量來說，由于發(fā)光面存在不均勻性，輻亮度最大值的測量應為真實輻亮度值，即測量時不能包括燈具表面陰影部分面積以免測量數(shù)據(jù)低于真實值。

對于輻照度測量來說，當近距離測量時應注意避免由于測量探頭受光面照度不均勻帶來的測量誤差。

4 結(jié)語

測量 LED器件或模塊的藍光危害，并將其應用到LED前照燈藍光危害的測量，這樣可大大降低LED前照燈的測量成本，并將其藍光危害降到最低，有利于促進LED前照燈的技術開發(fā)和產(chǎn)品推廣。