引言

在绿色新光源时代, LED照明产品已经广泛应用于人们的日常生活, 人们在享受其省电、长寿等优点的同时, 也开始关注其在光生物安全方面的问题, 担心其存在光生物危害, 会损伤人类的皮肤、视网膜、眼角膜^[1], 特别是担心其对视网膜的蓝光危害。不少国内外的权威机构、组织和专家也对LED的蓝光危害进行了测试和评估^[2], 但是在LED照明产品的光生物安全测试中, 由于LED照明产品本身光学、电气和结构特性的特殊性以及测试方法和仪器性能的差别等因素, 所以往往难以得到比较一致、准确的结果。随着LED新技术的不断应用, LED产品得到越来越广泛的应用, 市场需求不断扩大, 同时也对LED产品的品质及其评价标准提出了更高的要求^[3]。因此, 如何正确地测量光生物安全中的技术参数, 进行不确定度评定, 以确保数据的有效性、科学性、公正性和可靠性, 显得尤为重要。

1 视网膜蓝光危害

光生物危害类型繁多, 光生物安全测量是皮肤和眼睛的光化学紫外危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光危害(小光源视网膜蓝光危害)、视网膜热危害、对微弱视觉刺激的视网膜热危害、眼睛的红外辐射、皮肤热危害等光辐射测量的集合^[4]。选取标准中的具有代表性的视网膜蓝光危害有效辐射亮度L_B这一参数, 依据GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》标准^[5], 进行测试和不确定度评定。

蓝光危害是指人眼受波长λ为400~500 nm的蓝光辐射照射后引起的光化学作用, 会导致视网膜损伤。LED灯发出的不同波长的光谱辐亮度与蓝光危害加权函数相乘, 并对波长积分, 可得到蓝光加权辐亮度。为防止长期受到蓝光辐射而产生的视网膜光化学损伤, 蓝光加权辐射亮度L_B应满足如下条件^[5]:

(1)

(2)

式中:L_λ(λ, t)为光谱辐亮度, 单位是W·m^-2·sr^-1·nm^-1; B(λ)为蓝光危害加权函数; Δλ为波长带宽, 单位是nm; t为辐射持续时间, 单位是s。

LED灯的视网膜蓝光危害有效辐射亮度L_B可以通过光生物安全测量系统直接测量得到, 光生物安全测量系统主要由标准光源、光谱辐射计、供电系统、电测量系统等组成。

2 蓝光辐射测量 2.1 实验装置

光辐射安全测试系统如图 1所示, 被测样品灯放置于样品架上点亮, 光通过光阑去除杂散光后, 被集光系统接收, 经过光纤传输到光谱仪中进行检测, 最后计算机对结果进行记录分析。

以一标称功率36 W、色温7 000 K的LED天花灯为例进行测试, 采用220 V交流电压进行供电。样品照片如图 2所示。

2.2 实验步骤

实验步骤分为辐照度测试、辐亮度测试、辐亮度分析和结果导出四个部分。

为保证测量仪器的精度, 在实验之前要先用标准氘灯、光强标准灯(标准照度端)对照度探头进行定标校准。定标后, 安装样品灯进行测试。首先调整样品和探测器之间的距离和位置, 使灯的发光面正对探测器, 在产生500 lx照度的距离下进行测试。同时, 为防止杂散光的干扰, 在离测试探头20 cm处放置光阑。计算机运行SPR-3000E软件进行辐照度测量, 保存辐照度数据和测量距离数据。

运行ProLMD软件, 安装光强标准灯(标准亮度端), 使白色亮度口朝向视网膜亮度计镜头, 调节镜头的对焦, 使成像清晰, 进行标定校准。完成后, 安装样品灯, 样品与镜头切面之间的距离仍为照度测试中的测量距离, 测量亮度分布, 并进行辐亮度评价。再将所得到的灰度图进行转化以显示表观光源区域, 在保证包括所有显示的表观光源区域下, 尽可能小地选取光源发光区域, 保存所截取的图像, 进行光源分析, 获取表光光源的对弦角。运行SPR-3000L软件进行辐亮度测量, 保存测量结果。

最后, 将得到的辐照度、辐亮度及其辐亮度分析得到的结果, 通过软件运算获得最终的视网膜蓝光危害有效辐射亮度L_B。

3 不确定度评定 3.1 测量不确定度的主要来源

本项检测的测量不确定度来源主要包括:

(1) 被测LED灯测量重复性造成的不确定度u_A;

(2) 标准光源定标不确定度造成的测量不确定度u_B1;

(3) 光谱辐射计不确定度造成的测量不确定度u_B2;

(4) 灯的供电电源电压造成的不确定度u_B3;

(5) 被测灯的安装位置造成的不确定度u_B4;

(6) 环境条件造成的不确定度u_B5。

3.2 视网膜蓝光危害值不确定度分量的计算 3.2.1 标准不确定度A类评定

视网膜蓝光危害实测值及计算见表 1。

设n为测量次数且n=10, 根据JJF 1059.1—2002《测量不确定度的评定和表示》标准, A类标准不确定度为^[6]

(3)

3.2.2 标准灯测量不确定度造成的不确定度u_B1

根据中国计量科学研究院校准证书, 以及所测样品的光谱曲线、视网膜蓝光危害的光谱加权函数重点区域的光谱范围, 可以得到标准灯的相对扩展不确定度U_rel1为5%, 包含因子k为2, 则

(4)

3.2.3 光谱辐射计测量不确定度u_B2

(1) 波长准确性

设备符合IEC/EN 62471要求, 波长准确性引起的测量不确定度分量u_rel1为3%, 灵敏系数C₁为1。

(2) 带宽

设备符合IEC/EN 62471要求, 带宽引出的测量不确定度分量u_rel2为2%, 灵敏系数C₂为1。

(3) 光谱响应

采用光谱法测量, 无光谱响应误差。

(4) 杂散光

设备符合IEC/EN 62471要求, 杂散光引起的测量不确定度分量u_rel3最大不超过1%, 灵敏系数C₃为1。

(5) 线性

设备非线性引起的测量不确定度分量u_rel4为0.3%, 灵敏系数C₄为1。

则合成不确定度

(5)

3.2.4 灯的供电电源电压造成的不确定度u_B3

对样品灯的供电电源采用变频稳压电源, 查询其校准证书可以得到, 相对扩展不确定度U_rel3为0.1%, k=2, 认为灵敏系数为1, 则

(6)

3.2.5 被测灯的安装位置误差造成的不确定度u_B4

按照GB/T 20145—2006标准要求, 该样品的安装位置在离探头产生500 lx照度的距离下进行测量, 灯的安装位置会造成误差。据经验可知, 误差r≤±1%, 认为误差服从均匀分布, 包含因子 , 则

(7)

3.2.6 环境条件造成的不确定度u_B5

实验过程中环境温度控制在(25±1) ℃, 温度准确度为±0.2 ℃, 灯具周围空气运动速度不超过0.2 m/s。根据检测数据统计, 在此环境条件下对实验结果造成的影响可以忽略不计。

3.3 视网膜蓝光危害值的标准不确定度

因灵敏系数为1, 且各变量间互不相关, 计算合成不确定度u_c如下:

(8)

3.4 扩展不确定度的评定

根据JJF 1059.1—2002《不确定度评定与表示》, 当置信概率为P=95%时, 包含因子k_p=2, 计算扩展不确定度U_p

(9)

4 结论

本次实验采用光生物安全测量系统对LED天花灯的视网膜蓝光危害进行测量和评定, 从评定结果可以看出, 标准灯的不确定度和光谱辐射计的不确定度对测量不确定度影响较大。因此在测量时应尽可能选择精度高的光谱辐射计, 标准灯应定期计量, 以确保标准灯的稳定度。对于其他引起不确定度的因素, 也应尽量降低, 比如灯的供电电源应通过高精度电参数仪进行监测, 并使用电参数仪校准证书上给出的校准修正值进行校准; 对于灯的安装位置, 应选择准确度等级高的照度探头进行定位, 并定期对探头进行校准; 对于暗室的温湿度和气流, 应严格按照标准上规定的参数进行控制, 目前实验室一般采用空调进行控制, 要特别注意减少空调产生的气流, 降低其对测量结果的影响。