过 峰，乔 波，赵介军

(1. 无锡出入境检验检疫局，江苏 无锡 214101；2.杭州浙大三色仪器有限公司，浙江 杭州 310030)

引言

光生物辐射安全是人类健康所面临的一项新的课题，由于光学辐射对人皮肤和眼睛的损伤是一复杂的光生物和光化学作用过程，目前主要考虑在八小时内的正常辐照下造成的光化学作用和热辐射作用。国际上非常关注各种产品的光辐射对人可能造成的潜在危险，欧盟已纳入CE认证；全球电工产品符合性认证委会IECEE也已成立了光生物安全工作组，开展统一的认证。但是，光生物辐射安全的测量和评估涉及复杂的测试、分析技术，很多国家都投入了较大的精力进行此项技术的研究，我国在测试技术方面走在国际的前列，提出了视网膜辐射测量技术等新方法，并牵头国际标准IEC 62471-4 的制订。

1 光谱辐射测量

用于光辐射安全测量评价的光谱辐射计光谱响应范围应覆盖光生物危害的作用光谱范围。对于某一种光生物安全的评价，要求所对应测量的宽带探测器，其光谱响应函数应该与光生物作用光谱函数一致，也就是要求采用对应波长范围敏感的光电探测器或热释电探测器，加上光谱修正用滤光片和带外截止滤光片组成，构成与图1所示的作用函数一致的有效光生物效应探测系统。

图1 光生物安全作用光谱加权函数Fig.1 Spectral weighting function for photobiological

但是，由于光谱响应涉及个数量级的精确匹配以外的截止响应，目前尚无一款这种有效光生物效应探测器可以真正用于光生物辐射安全测量评价；此外，光生物安全评价涉及的200nm～3000nm宽波段多数的测量，所以目前国际上可行的方法是采用光谱辐测量技术。通常采用多光栅分光和多种探测器的组合测量方式，选择与扫描波段对应的光电探测器检测从单色仪出射的单色光。但是多探测器存在与单色仪输出光谱匹配、耦合、同步等问题。例如光生物辐射典型的作用函数，如紫外危害作用光谱加权函数SUV(λ)在不同波长有四个数量级的差别，蓝光危害作用光谱加权函数B(λ)有三个数量的差别，探测器的光谱响应很难匹配到所要求的光生物作用光谱函数。此外，探测器的带外截止性能也是非常重要的，即探测器对于非该光生物作用效应所产生响应的抑制能力。特别是对于红外波段光生物安全测量时，利用红外辐射探测器成为了一种红外辐射测量的简单实现途径。但是由于红外探测器在整个红外光谱区域很难做到平坦的光谱响应，并且在3000nm以上时辐射无法截止(如图2所示)，这会对红外辐射的测量带来很大的影响。

图2 红外辐射探测器带外截止能力Fig.2 Band rejection of infrared radiation detector

表1列出了不同色温光源在光生物安全涉及的波长范围200nm～3000nm内，与波长范围3000nm～5000nm内的发射值。从表中可以看出，不同色温的光源，在不同的波长范围内的发射值有着明显的差异。对于色温低于1118K的光源，200nm～3000nm波长范围内的发射值低于3000nm～5000nm的发射值。随着色温的升高，200nm～3000nm的发射值逐渐增大，3000nm～5000nm的发射值逐渐降低，且发射值的比值存在显著的变化。这说明，在进行低色温光源的测量时，由于3000nm以上波长的发射能量显著高于200nm～3000nm内的发射值，对于带外信号截止能力较差的红外辐射探测器来说，会导致较大的测量误差，从而影响被测光源光生物危害等级的评价。

表1 不同色温光源在不同波长范围下的发射值对比Table 1 Contrast values of different color temperature light source emitting at different wavelength ranges

基于上述原因，传统的基于探测器技术进行光生物安全的测量，已不能满足测量精度的要求，需要利用光谱辐射分析仪进行200nm～3000nm整个波长范围内的波长扫描。并且由于不同危害种类，其发射限值可能相差4～5个数量级。因此，光谱辐射分析仪应具有足够宽的动态响应范围。由单色仪和探测器组成的光谱辐射分析仪，其光谱响应函数(狭缝函数)应符合等腰三角形函数。对于逐步测量的方式，采样波长间隔应与光谱辐射计的光谱响应带宽相同，或是它的1/N(N为整数)。光谱响应的带宽要求如表2所示。

表2 光谱响应带宽Table 2 Spectral response bandwidth

若光谱辐射计的光谱响应函数偏离等腰三角形函数，则应采用更小的带宽和采样间隔。同时，由于不同危害类型的评价需要与对应的作用光谱加权函数进行加权积分，光谱辐射计的波长精度会明显影响加权的光生物辐射量。表3列出了用于光生物安全测量的光谱辐射分析仪的波长准确度。特别需要指出的是，由于在300nm～325nm波长范围内，作用光谱加权函数SUV(λ)急剧下降三个数量级，所以该范围的波长精度应不低于0.1nm。

表3 波长准确度Table 3 Wavelength accuracy

2 光辐射亮度计表观光源测量

对于人眼视网膜的潜在危害测量与评价，需要涉及到光辐射亮度和表观光源的测量。由于人眼是一个及其精密和复杂的光学系统，人眼观察物体的过程及物体在视网膜上的成像非常特殊。所以，进行光辐射亮度和表观光源的测量设备，需要能够模拟人眼光学系统，并符合人眼观察物体及成像的过程。

进行光辐射亮度的测量，通常利用点成像辐射亮度计和面成像辐射亮度计，结构图如图3所示。传统辐射亮度计典型的测量视场角通常为0.1°、1°和2°；镜头的入射孔径为30mm～50mm，并且在不同测试距离下的调焦过程中，镜头的入射孔径会发生变化；位于透镜之后的孔径光阑，使得亮度计的入瞳位于透镜与探测器之间，无法确定准确的测量距离。

图3 传统辐射亮度计结构Fig.3 Structure of traditional radiation luminance meter

在光生物安全测量与评价中，视网膜受辐照的面积是决定蓝光危害和视网膜热危害辐射值的重要因素。且人眼的生理结构决定了在不同持续观察时间下，可视点光源在视网膜上的视场角会发生变化。当观察时间小于等于0.25s时，可视点光源在视网膜上成像的图像尺寸为1.7mrad；观察时间为10s时，成像的图像尺寸为11mrad；观察时间大于10000s时，成像的图像尺寸为100mrad。表4所示为不同观察时间下，可视点光源在视网膜上的视场角。

表4 观察时间与对应的视场角Table 4 Observation time and corresponding FOV

所以，进行光生物安全相关的辐亮度测量时，测量系统需要能够根据不同辐照时间对应的测量视场角，进行不同危害等级辐射值的测量。同时，由于人眼的瞳孔直径为7mm，所以在标准中规定了采用最小直径为7mm，最大直径为50mm的接收孔径作为限制视场的入射光阑。基于此，采用传统的点成像辐射亮度计和面成像辐射亮度计进行光辐射亮度的测量方式，已经不适合光生物安全的测量与评价。

我国对人眼睛视网膜损伤在国际上进行了深层次的研究，研制了模拟人眼成像的专用成像亮度计[1]。见图4，专用亮度计利用CCD成像模拟人眼睛视网膜感光细胞，可以根据测量的辐亮度图像，按照IEC 62471标准要求实现100mrad、11mrad、1.7mrad不同视场角的测量要求，且完全可以通过软件实现。接收孔径限定为7mm，严格模拟人眼的瞳孔尺寸，防止采用25mm或50mm接收孔径测量空间辐射不均匀的被测产品时，对测量带来的误差。对不同距离目标测量和对焦过程中，测量视场角与入射孔径始终保持恒定，这也是专用成像亮度计光学机构最显著的特点。同时，将专用亮度计与光谱辐射度测量技术进行有机结合，形成了模拟人眼视网膜的光量辐射损伤亮度测量装置。该装置可同时进行成像和光谱测量，并由同视场的光谱辐射亮度校准成像亮度分布，解决了蓝光危害的光谱辐亮度加权积分的要求，实现高精度不同视场角的有效蓝光辐射危害以及视网膜热损伤的有效辐射亮度的测量。

图4 模拟人眼视网膜的光辐射损伤亮度测量装置Fig.4 Measuring device of simulate human retinal damage

3 最大辐射量的测量

由于无法预知某个光源或照明产品的实际使用情况，例如角度、距离和辐射时间等。所以，光生物辐射安全的评价通常是在最严格的条件下进行的。但是对于经过二次光学设计后的某些照明产品，通常具有复杂的空间辐射分布，特别是对于LED扩展光源，最大辐射可能对应于不同的位置，而且也不一定是光源的中心位置。如图5所示，两款照明产品的空间辐射分布示例。所以在进行复杂空间辐射分布的照明产品光生物辐射测量时，需要确定表观光源上最大辐射的方向和区域，并在该最严苛条件下测量对应的辐照度或辐亮度。

图5 照明产品空间辐射分布示例Fig.5 Space radiation of a lighting products sample

将分布光度测量技术与光生物安全测量技术进行结合，通过测量被测照明产品的空间光束分布情况，得到其最大辐射量值所对应的角度与辐射方向，然后在该方向角度下进行辐照度和辐亮度测量的方法，很好的解决了对于具有复杂的空间辐射分布照明产品光生物辐射的测量与评价。

4 危害距离

IEC 62471[2]对于光生物辐射危害的评价规定了两种典型的测量距离。对于普通照明(GLS)用灯，危害值应在产生500lx照度的距离下给出，但这个距离不应小于200mm。对其余所有光源，包括脉冲灯，危害值是在200mm的距离下给出。但是无论500lx还是200mm，通常不能正确反映有意或无意的观察者，在一个合理的距离所受到的真正危害。如图6所示，对于一个特定的照明产品，用户的接触距离可能会有多种情况，所以在最严苛接触条件评价处的危害等级对用户并不具有指导意义。

图6 照明产品与人体接触距离Fig.6 Lighting products and accessible distance to the human

在用户的日常使用过程中，人们更加关心如何正确的使用照明产品，以有效的避免光生物辐射危害。这涉及到人体可接触的最小安全距离、允许的曝辐时间和观察情况(有意或无意观察)。其中，人体可接触的最小安全距离即危害距离，在照明产品的使用过程中最为关键。危害距离定义为测得的光源辐射值等于相应的曝辐限值的位置与光源之间的距离[3-4]。为了得到不同危害类型、不同危害等级对应的危害距离，在测量时，需要测量在何种距离条件下，被测光源的发射值达到了对应的曝辐限值，从而得到相应的危害距离。以便有针对性的采取防护措施，避免受到光生物辐射的危害[5-6]。

5 总结

我国在光生物辐射安全的测量和评估研究已经走在世界的前列，通过国际标准的制订，相关测量技术与系统已经在国际上发挥主导作用。同时，随着国际标准的同步采用，继欧盟和美国之后，为保障使用者的安全，我国对各类进入市场的照明产品，也将陆续把光生物辐射安全纳入强制性的安全要求之中。并通过光生物辐射测量技术的发展，为用户安全地使用照明产品和避免光生物辐射危害提供指导。

[1] Mou Tongsheng， Yu Jiangdong， Li Li. A Rentinal radiance meter[C]. Turin: CIE X033:2008 PROCEEDINGS of the CIE Expert Symposium on Advances in Photometry and Colorimetry, 2008.

[2] IEC 62471 Photobiological safety of lamps and lamp systems[S].

[3] IEC 62471-2 Photobiological safety of lamps and lamp systems-Part 2: Guidance on manufacturing requires relating to non-laser optical radiation safety[S].

[4] GB/T 30117.2灯和灯系统的光生物安全 第2部分：非激光光辐射安全相关制造要求指南[S].

[5] 乔波, 程丽玲. 光生物辐射危害解读[J]. 照明工程学报, 2013, 24(S1): 61-65.

[6] 乔波, 牟同升. LED产品的光辐射安全国际标准——制造商应该考虑的问题[C]. 武汉：第十三届全国LED产业发展与技术研讨会, 2012.