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LED手电筒蓝光危害检测与分析

发布时间:2015-07-16  〖字号:
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Test and Analysis on the Blue Light Hazard of LED Flashlights
胡苏军   黄俊浩
(广州质量监督检测研究院     广州    511447)


摘要:LED手电筒出射光束亮度大、色温高,蓝光发光成分位于400nm~500nm波段,蓝光辐射危害比较严重。依据国家标准GB/T 20145-2006,在0.2m和1.0m距离下,LED手电筒蓝光危害达到中度危险等级,如无防护措施可能对人眼造成严重伤害。分析发现,LED手电筒蓝光危害与手电筒的聚光性能、出射光束的亮度和色温密切相关。
关键词:LED手电筒;蓝光危害;危险等级;辐亮度;色温
Abstract:The brightness and color temperature of LED flashlight beams are much higher, and the blue emission component located in the region of 400nm ~ 500nm, thus the blue light hazards of LED flashlights are more serious. According to the national standard, GB/T 20145-2006, the blue light hazards of LED flashlights can reach the moderate risk group under the distances of 0.2m and 1.0m; it may cause serious damage to human eyes without protective measures. Based on the analysis, we found out that the blue light hazard of LED flashlights is closely related to their light concentration properties, brightness and color temperature of beams.
Key words:LED flashlights; blue light hazard; risk group; radiance; color temperature


  近年来,随着发光二极管(LED)技术的发展,LED亮度与光效不断提高,LED对人眼可能造成的辐射危害已不容忽视,尤其是LED蓝光辐射对眼睛视网膜的损害[1-4]。LED手电筒采用大功率白光LED光源,通过反光杯或透镜会聚光束,具有亮度高、射程远、寿命长、外形美观等优点,深受广大消费者的喜爱,已逐渐取代了传统手电筒。LED手电筒属于高色温、高亮度照明产品,蓝光辐射危害比较严重。但是,目前暂无LED手电筒相关标准特殊要求,因此其蓝光危害尚未引起人们的重视。

  1 蓝光危害
  LED蓝光危害是指由波长主要介于400nm~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。蓝光危害程度取决于人眼在灯光下所累积接收的蓝光剂量,如果照射时间超过10s,这种损害机理起主要作用[5]。
  目前认为蓝光危害机理主要有两种[4],一种是高能量蓝光对色素起损害作用,导致视网膜黄斑部锥状细胞死亡,即产生黄斑区病变(AMD)。另一种是过量的高能蓝光进入人眼产生大量的自由基,过量的自由基会加速视网膜黄斑部和上皮细胞氧化,导致视觉细胞营养供应不良,最终导致视觉细胞死亡。由于儿童的视网膜黄斑对蓝光的吸收能力弱,透过的蓝光辐射量是成年人的两倍左右,所以蓝光辐射对儿童视网膜的危害更大。

  2 国内外标准
  为规范包括蓝光危害在内的光生物安全评估,2002年,国际照明学会(CIE)发布了CIE S 009 /E:2002 《灯和灯系统的光生物安全性》标准[5]。2006年,国际电工委员会(IEC)等同采用CIE S 009 /E:2002,出版了IEC 62471:2006光生物安全标准[6],并在2008年的IEC/TC 76会议上,将所有LED产品的光辐射安全纳入IEC 62471标准。在IEC 62471:2006的基础上,2008年欧盟出版了EN 62471:2008[7],相对于IEC 62471:2006,该标准的测试要求更高,限值更苛刻。2012年,针对IEC 62471:2006标准第4.3.3条和第4.3.4条所描述的视网膜蓝光危害,IEC又发布了IEC /TR 62778-2012技术报告[8]。
  2006年,中国等同采用CIE S 009 /E: 2002,发布了国家推荐性标准GB/T 20145-2006 《灯和灯系统的光生物安全性》[5]。该标准对除激光外的所有非相干宽带电光源(包括LED)在200nm ~ 3000nm波长范围内的曝辐射限值测量技术和分级进行了明确规定。其中,视网膜蓝光危害由光谱辐亮度加权蓝光危害函数B(λ)确定。对于对边角大于0.011弧度的光源,为了防止长期受到蓝光辐射的视网膜产生光化学损伤,蓝光加权辐亮度LB不应该超出公式(1)、(2)的限值:
  (J·m-2·sr-1)
  (t ≤104 s)                                                                   (1)
  (W·m-2·sr-1)
  (t >104 s)                                                                       (2)
  式中,Lλ (λ, t)为光谱辐亮度,B(λ)为蓝光危害加权函数,Δλ为波长带宽,t 为辐射持续时间。
  依据GB/T 20145-2006,蓝光危险等级可分为以下4类:
  1)无危险(RG0):灯对于本标准在极限条件下也不造成任何光生物危害;
  2)低危险(RG1):对曝光正常条件限定下,灯不会产生危害;
  3)中度危险(RG2):灯不产生对强光和温度的不适反应的危害;
  4)高度危险(RG3):灯在更短瞬间造成危害。
  不同蓝光危险等级对应的辐亮度限值、最大允许曝光时间tmax如表1所示。

  3 蓝光危害检测结果与分析
  3.1 检测结果
  为检测LED手电筒蓝光危害情况,我们购置了14个不同厂家、不同型号的LED手电筒样品,样品覆盖神火、佳格、极量等知名品牌,具有一定的代表性。
  测试采用SMS-300光辐射安全测试系统,其中光谱辐射分析仪光谱测量范围为200nm ~ 1400nm,波长准确度±0.1nm,光谱测量误差不大于3%。由于光谱辐射分析仪测量范围跨度较大,测试前分别采用200nm ~ 400nm波长范围的标准氘灯和300nm ~ 1400nm波长范围的标准卤钨灯(光强标准灯)定标校准。为保证测试结果的准确性,光谱分析仪波长间隔设置为1nm。
  测试时,LED手电筒采用满电电池供电,选择最大功率输出模式,分别测量0.2m、1.0m、5.0m距离下的蓝光危害情况。其中测试距离为LED光源芯片与探测器/光阑接收表面之间的距离,不考虑由于反光杯的反射光束而引起的人眼视在光源位置与实际光源位置的偏差。
  LED手电筒蓝光危害检测结果如表2所示。
  3.2 结果分析
  从表2的检测结果可以看出,对于1~12号LED手电筒,样品采用18650电池,电池输出电流较大,出射光束亮度大,蓝光危害较高。在0.2m测试距离下,12个样品的蓝光辐亮度均大于1×104 W·m-2·sr-1限值,蓝光危害为中度危险等级。随着测试距离增加,蓝光辐亮度降低,蓝光危险等级也降低。在1.0m距离,仍有10个样品为中度危险等级,2个样品为低危险等级。当距离进一步增加至5.0m时,12个样品的蓝光辐亮度均小于1×104 W·m-2·sr-1,其中9个为低危险等级,3个为无危险等级。
  对于13号、14号LED手电筒,样品采用14500电池,电池输出电流相对较小,出射光束亮度较低,蓝光危害也降低。在0.2 m距离下,蓝光危害辐亮度均小于1×104 W·m-2·sr-1,蓝光危害为低危险等级。当距离增加至1.0 m时,蓝光危害辐亮度降至100 W·m-2·sr-1 以下,无蓝光辐射危险。
  同时我们对异常使用状态下(即拆下LED手电筒的灯头及反光杯等聚光部件,图1)的LED手电筒进行检测,发现异常状态下LED手电筒蓝光辐亮度比正常状态至少低一个数量级,蓝光危害等级降低。这表明LED手电筒的蓝光危害与其聚光性能有关,手电筒聚光性越好,单位面积内的光输出越高,辐射亮度越大,蓝光危害越严重。同时出射光束亮度越高,更容易导致蓝光溢出,对视网膜造成危害。  
  另外,对于所有的白光光源,不论它是白炽灯、高强度放电灯或LED灯,它们的蓝光危害效能KB,V与光谱的相关色温有密切关系[8]。一般来说,色温越高,蓝光危害效能越大,蓝光危害越严重。从表2可以看出,本次检测的14个LED手电筒样品中,11个样品的色温超过7000K,其中两个样品甚至超过10000K,这大大超出了照明产品可以使用的白光色温上限。从发光光谱(图2)可以直观的看出,LED手电筒出射光束的蓝光成分比例较高,“富蓝化”严重,并且蓝光发射正好位于400nm ~ 500nm波段,蓝光光谱与蓝光危害加权函数B(λ)基本重合,导致蓝光危害急剧上升。

  4 结语
  LED手电筒属于高色温、高亮度的照明产品,其蓝光危害应引起特别关注。依据现行国家标准GB/T 20145-2006,在不同测试距离下,我们对14个LED手电筒的蓝光危害进行了检测,发现LED手电筒的蓝光危害比较严重。在0.2m测试距离下,12个样品蓝光危害等级达到中度危险,最大蓝光辐亮度达8.7×104 W·m-2·sr-1,手电筒可划分为中度危险(RG2)类别。随着测试距离增加,蓝光辐射减少,危险等级降低。在1.0m距离下,仍有10个样品达到中度危险等级;当距离进一步增至5.0 m时,蓝光危害可降至低危险或无危险等级。
  通过分析发现,LED手电筒的蓝光危害与手电筒的聚光性能、出射光束亮度和色温密切相关。因此,为保障使用者的健康与安全,我们提出以下质量安全警示:
  1) LED手电筒制造商要重视产品质量安全,合理控制LED光源的色温以及出射光束亮度,必要时需采取适当的防护措施,如增加半透明扩散板等。
  2)LED手电筒产品表面要有警告说明,如“高亮度光源,严禁将手电筒光线直接照射眼睛”、“不要朝光源盯着看”等类似说明或警示符号。
  3)消费者要合理使用LED手电筒,不要近距离直接照射人眼。特别是10岁以下的儿童和60岁以上的老人,不要直视LED手电筒出光口。


参考文献
[1] 施晓红, 陈超中. LED灯具蓝光危害评估方法[J]. 中国照明电器, 2013, 3: 25-32.
[2] 张跃敏, 乔更新. LED照明中蓝光的光生物安全问题[J]. 中国照明电器, 2013, 6: 1-4.
[3] 俞安琪. 发光二极管照明产品蓝光危害的检测分析和富蓝化的分析及建议[J]. 光源与照明, 2014,1: 28-33.
[4] 申崇渝, 徐征, 赵谡玲,等. LED蓝光泄露安全性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2014,34(2): 316-321.
[5] GB/T 20145-2006/CIE S 009/E:2002, 灯和灯系统的光生物安全性 [S].
[6] IEC 62471:2006, Photobiological safety of lamps and lamp systems [S].
[7] EN 62471-2008, Photobiological safety of lamps and lamp systems [S].
[8] IEC/TR 62778-2012, Application of IEC 62471 for the assessment of blue light hazard to light sources and luminaires [S].

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