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LED光辐射安全与标准化

 

 一、引言

LED技术地不断进步，使得出现在市场上的大功率LED产品日益增多，LED市场正在以令人吃惊的步调向前发展。LED的长寿命、小体积和高亮度等特性使其倍受设备制造商和用户的欢迎。如今，LED已经渗透到了大量的应用场合，并继续保持着飞速发展的势头。例如高亮度的LED已经广泛应用于：手机彩屏和背光源、液晶屏背光源、汽车尾灯和车厢内部用灯、交通红绿灯、标志牌、电子显示设备、便携式手电筒和玩具等方面。
                 
                                       图1 LED市场预测

      同时，通过不间断的研究，制造商在过去几年中已经使得LED的发光度得到大大提高而其单位成本却不断降低，因此LED越来越呈现出作为未来主要的人造光源的潜力，有可能会代替几乎所有现今存在的其它人造光源。

      但是，在LED的功效不断增大，亮度不断提高的同时，过去的LED出射光不会对人体造成危害的时代也一去不复返了。人们不得不开始关注LED产品在使用过程中的光辐射安全性问题，而解决这个问题的最有效方法就是标准化。科学适用的标准可以使不合格LED产品无处遁形，同时也能为人们安全使用LED产品提供指导，还可对整个LED产业起到极大的促进作用。

 

二、LED的光辐射危害

      和其它光源一样，LED的光辐射理论上也能对人体造成危害。伤害主要发生在人的眼睛和皮肤，如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等，而两者之中更容易受到伤害的是眼睛。此外，LED也能引起眩光危害。眩光就是在视野中由于亮度的分布或范围不适宜，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以至引起不舒适和降低物体可见度的视觉条件，眩光是评价照明质量的最重要因素之一。

      但是LED与高强度，高方向性的激光光束不同，在现今的实际应用场合中能够对人眼产生直接危害的LED光源几乎没有（尽管很多标准已经对LED的安全性要求做了规定），所以我们要关心的主要是一些光亮度能够导致人眼眩惑的LED光源。我们称这种危害为眩惑危害，具体是指耀眼的光亮使得人眼花缭乱或产生不利的视觉残留现象的危害，这是我们用于定义介于眩光危害和直接光化学危害的中间阶段而引入的新概念。曾经在夜间行驶的司机可能已经注意到LED的交通红绿灯的亮度看上去很不舒服，而且已经有报告指出一些LED手电筒也能够导致讨厌的眩惑和视觉残留。
          
                              图2 高亮度白光LED交通灯和手电筒

      可是不幸的是，由于LED产业的飞速发展，LED应用场合的不断增加，明确LED的安全性问题并不是一件容易的事。至今没有起草过专门的LED安全性方面的指导性文件。而且在LED到底应该被归类到激光器类还是非相干光源类这一问题上也存在争议。此外，对于如何测试LED的输出光的问题也存在不同的观点。那么处理LED的光安全问题的相关标准发展到何种程度了呢？

 

三、LED的光安全标准

     1、标准化相关组织

      目前，与LED的安全性方面的相关标准的制定密切相关的组织主要有：

      1）国际防非电离辐射委员会(ICNIRP)：

      ICNIRP根据对生物物理数据的评估提供推荐曝光限值，并且出版了非相干光源和激光束的光安全方面的指导方针。对于目前所关心的LED各个方面的问题，ICNIRP声明建议对于LED的安全评估和对应测试应该遵循非相干光源的指导方针。尽管该声明并不具有法律效应，但是它为开始建立专门的科学适用的LED光安全性问题方面的标准提供了一个很好的起点。

      2）国际照明委员会（CIE）

      由于LED已经在许多特定场合被广泛应用，而且不断朝着普通照明领域扩展，CIE在最新版的CIE S 009/E:2002标准中对LED的安全性做出了规定。对LED造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等危害的曝辐限值做出了规定，这些曝光限值是根据ICNIRP的相应指导方针得到的。同时这个标准还提供了参考测试条件，并为评估和控制来自非相干的宽波段光源的光辐射所产生的光生物危害提供了一个安全等级分类依据。相应的国家标准也已于２００４年由国家电光源检测中心和浙江大学三色仪器有限公司负责起草完成。

      3）国际电工委员会（IEC）

      IEC提供制造业标准，包括专门处理激光产品安全性的IEC 60825系列标准。IEC 60825的第一部分包括制造业的必备条件的要求，而这个已经作为EN 60825-1被欧洲采用。IEC 60825 从1993年的版本开始将LED产品考虑进来。

      但是根据LED的一般应用场合，可知用于评估激光束的测试条件并不适合于LED的评估。过去曾经尝试通过修改测试步骤来解决这一问题，但是不幸的是，国际标准和欧洲标准，以及一些国家标准中对此所作出的修改并不一致。如今，测试方法已经较符合实际需要，但是关于更完善的改进意见的讨论仍在继续进行中。

      2、现行的LED光安全标准

      1）来源

      前文已经提及，至今没有起草过专门针对LED的有关光安全性方面的标准，所以现阶段对LED光安全性问题的处理主要参考其它适用的权威的国际标准，主要有CIE S 009/E:2002和IEC 60825-1，而对于这两个标准也没有涉及的问题，各个地区各个国家会参考各自的适用标准。

      2）指导思想

      现行LED光安全标准在处理LED光安全性问题时的指导思想是：模拟人在LED危害可能性最大的情况下使用LED的情节。因为只有在上述情况下LED是安全的，那么我们才能确定该LED是安全的。例如在IEC 60825-1中对于光散射输出的光源，标准通过评估该光束经透镜会聚之后的危害来确定LED类别。

      3）内容

      现行LED光安全标准一般主要包括四个方面内容：生产制造要求、曝辐限值、产品分类、测试方法。生产制造要求主要针对制造商，如产品标签、检验、使用指导、安全防护等方面要求。曝辐限值一般来源于国际防非电离辐射委员会(ICNIRP)提供的指导方针，这个随着人类对光生物机理的认识的深入会更加科学，更加精确。产品分类是指通过测试得到产品的光生物化学作用有效光输出，从而比较标准中规定的分类依据确定产品类别，为用户提供指导。最后，测试方法是指标准中提出的符合标准要求的测试方法。这四个方面既互相区别又互相联系，例如标准会规定制造商必须提供产品的类别，那么我们首先就要对产品进行测试，之后又要根据曝辐限值和分类依据明确该产品类别。

      4）启发

      现行LED光安全标准对我们有二点启发：一、学科交叉。没有光学和医学的综合考虑，就得不到科学适用的曝辐限值。因此要缩短我国与国际上在光安全性研究方面的差距，促进学科交叉是必由之路。二、没有永远的权威。纵观各个时期CIE和IEC出版的标准，没有不断的修改就没有如今最新的CIE和IEC的标准。因此，我们要发挥自己的优势，积极参与到国际标准化进程中。

四、难点问题

      由于实际的应用情节错综复杂，在处理LED光安全性问题中不可避免的存在几个棘手的问题，例如：

      1、极限异常情况的判定

      关于LED照射下引起眼睛危害的现实可能的最坏情节的分析可能会非常复杂，例如在某些情况下，最有害的观察点可能是在离开光源的某个距离处而不是最近处。例如红绿灯LED阵列。在极其靠近的距离观察，仅有一个LED的辐射光成像在人眼中，而在较远距离观察则是所有LED成像。另外一个复杂性来自于在制造商规定的极限条件之外使用LED。

      2、表观光源的确定

      现行标准在测试分析LED光安全性时一般都会涉及表观光源的概念。根据IEC 60825-1的定义，表观光源是指在视网膜上形成最小影像的实或虚发光体，如图3所示。但是实际情况中的很多光源并不如图3所示的这么简单，因此对这些复杂光源确定表观光源大小就变得十分棘手。
            
                                             图3 表观光源例

      解铃还须系铃人，要在未来的关于LED的光安全性问题的标准化过程中很好地解决这些难题的唯一途径就是对实际情况的深入理解。这既包括对人眼、皮肤组织结构的不断认识，同时也包括对光生物化学机理的深入认识和对实际应用场合的充分考虑。

 

五、LED光安全性标准化建议

      1、尽快建立科学适用的专门的LED光安全性标准

      现在对于LED光安全性方面问题的处理主要是参考IEC 60825标准，但是LED的宽光谱和扩散光束输出特性与激光存在显著的不同，这明显不能够完全满足LED产业的发展需求。另外，虽然CIE S 009/E:2002现在也对LED的光安全性问题做出了规定，但是LED的特性也不同于传统的灯具。因此，为了LED产业的健康快速发展，建立专门的针对LED的光安全性标准迫在眉睫。

      2、如何建立专门的LED光安全性标准

      过去在建立光安全性标准时，往往以被测光源作为中心，一切以被测光源的特性、需要为中心来考虑光安全性问题。例如，对于激光有IEC 60825，对于传统照明灯有CIE S 009。而LED是既不同于激光，又不同于传统照明灯的新兴光源，它具有完全新型的特性，所以理论上也应该以LED为中心重新考虑一份完全另类的标准。但是这一方面会花费大量的人力物；另一方面，由于LED毕竟是一种新兴光源，人类对它的认识还处于起步阶段，认识不充分；再一方面，由于LED发展得极其迅速，标准也很容易"过期"。

      我认为在LED光安全性标准的建立过程中应该改变思路，由实际的应用场合入手。例如照明场合就从实际照明需要入手，指示场合就考虑实际指示用途需求。这样做的好处是：可以充分利用现有资源。因为LED产业的发展很大程度上表现在代替激光产品和传统照明产品在各个领域的应用，而这些应用场合我们在过去已经有了较深入的理解，而且在处理这些问题时我们还能够参考IEC 60825和CIE S 009/E:2002，例如对于代替照明用途的情况我们可以参考CIE S 009/E:2002，对于代替激光的场合则可以参考IEC 60825。

 

六、结论

      LED光辐射安全性问题对我们国家既是一个机遇又是一个挑战。我国是一个发展中国家，历史原因使我们与西方发达国家在传统项目上存在极大差距，新世纪我们的主要任务就是要努力缩短这一差距，而LED产业的发展为我们提供了一个很好的契机。LED与其它传统光源不同，它是一种全新的光源，LED光辐射安全性问题也是一个新问题，西方发达国家和我们一样都处于一种探索前进的开始阶段，这从至今没有出现专门针对LED的光安全性标准可见一斑。如果我们能够在这一方面有所建树，有所突破，这对我国在未来国际LED产业占据一席之地具有深远意义。因此，现阶段我们必须加大LED技术的研究力度；加快推进学科交叉，加强互动交流，深入研究光生物动力学机理；积极参与CIE、IEC等国际组织的活动。