Светодиодные устройства должны соответствовать стандартам фотобиологической безопасности

Светодиодные устройства должны соответствовать стандартам фотобиологической безопасности (часть1)

Май 6 • L[PRO]SPECTU, Новости, Особенное, Статьи • 1304 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (1 votes, average: 5,00 out of 5)
Загрузка...

Пересмотр места светодиодов в стандартах безопасности оказал существенное влияние на выход на рынок не только всех осветительных приборов со светодиодами, но и любой продукции, имеющей хотя бы какое-нибудь оптическое излучение, пишет Лесли Лайнс, специалист технической поддержки компании Bentham Instruments Ltd.

 

Лесли Лайнс (Leslie Lyons)
lyons@bentham.co.uk

Специалист технической поддержки компании Bentham Instruments Ltd с 2007 года. Член комиссии Британского института стандартов (BSI), и Международной электротехнической комиссии (IEC). В качестве эксперта участвовал в разработке стандарта TC 76 Безопасность оптического излучения и лазерного оборудования.

 

В прошлом, потенциальные угрозы человеческому организму, связанные с опасностью облучения, привели к ограничению использования лазеров и источников ультрафиолетового излучения. Светодиодов это практически не коснулось, поскольку в то время их мощность была незначительной. Однако сегодня, даже мимолетного взгляда на результаты исследований производительности современных светодиодов хватает, чтобы понять необходимость принятия соответствующих стандартов фотобиологической безопасности.

Первая из трех статей дает всесторонний взгляд на место светодиодов в системе стандартов фотобиологической безопасности, начиная всем, что касается фотобиологии и заканчивая реализацией современных стандартов безопасности производимой продукции.

Что такое фотобиология?

Фотобиология — это наука, изучающая воздействие оптического излучения на живые организмы. Оптическое излучение определяется как электромагнитное излучение с длинами волн от 100 нм в ультрафиолетовом и до 1 мм в инфракрасном диапазонах. Однако из-за поглощения атмосферой волн ниже 200 нм и ничтожной кинетической энергии электронов длинноволновой области инфракрасного излучения на практике эти пределы часто сужаются до 200–3000 нм. (cм. рис. 1).

 

Светодиодные устройства должны соответствовать стандартам фотобиологической безопасности

Различные спектральные области, включая оптическую, с указанием динамической кривой области световосприятия человеческого глаза.

 

Так как живые ткани хорошо поглощают оптическое излучение, с глубиной проникновения от нескольких микрон в ультрафиолетовом, до нескольких миллиметров в инфракрасном диапазонах, возникает реальный риск повреждения таких жизненно важных органов человека как глаза и кожа. Биологическая реакция, возникающая при воздействии на живую ткань разного рода излучений, включает в себя как фотохимическое, так и температурное взаимодействие. Первое происходит в коротковолновом диапазоне, где энергия фотонов достигает максимальной величины, температурные же эффекты возникают с другого конца спектра — области длинных волн.

При фотохимическом взаимодействии свет определенной волны (в том числе и его энергетическая составляющая) возбуждает электроны в молекулах клеток, нарушая внутреннюю структуру и разрушая их. Следствием этого могут быть как прямые, так и косвенные последствия — от образования свободных радикалов до разрушения структуры ДНК, в которой обе спиралевидные пары неразрывно связаны друг с другом. Свободные радикалы опасны тем, что вступив во взаимодействие с ДНК, способны нарушить ее структуру. А при взаимодействии с клетками ретинальных фоторецепторов разрушают молекулярную функцию и вызывают их гибель.

Разрушение структуры ДНК чревато возникновением раковых опухолей. Механизм температурного взаимодействия основывается на поглощении клетками организма излучаемого цвета и повышении температуры на участке поглощения, что ведет к денатурации белка и разрушению клеточной структуры. В то время как тепловое воздействие одинаково опасно во всем диапазоне инфракрасных волн, фотохимическое воздействие характеризуется различным воздействием на разных участках диапазона, характеризующееся весовыми функциями опасности (см. рис. 2). Эти функции обратно пропорциональны дозе (количеству излучения), требуемой для каждой длины волны.

 

Светодиодные устройства должны соответствовать стандартам фотобиологической безопасности

Весовые функции опасности, демонстрирующие существенную спектральную зависимость фотохимических взаимодействий

 

Кроме того, если негативный эффект от незначительного термического воздействия можно нивелировать отводом избыточного тепла от пострадавшего участка, фотохимическое воздействие подчиняется закону взаимосовместимости Бунзена-Роско. Это значит, что долговременное, но слабое излучение наносит ущерб, эквивалентный крат­ковременному, но мощному световому воздействию.

Фотобиологическая опасность для глаз и кожи

Для понимания сути фотобиологической опасности необходимо рассмотреть три варианта воздействия: на кожу, фронтальную часть глаза (роговицу, слизистую оболочку и хрусталик) и сетчатку.

При воздействии на кожу, часть излучаемого света отражается, а оставшаяся передается через эпидермис и дерму. Принципиальную угрозу для кожи представляет ультрафиолетовый спектр излучения, способный нанести прямой вред ДНК, и вызвать воспалительную реакцию, хорошо известную в обиходе как солнечный ожог. Другая опасность таиться в так называемых свободных радикалах, образующихся в результате воздействия этого излучения, которые так же несут опасность для ДНК других клеток кожи, например коллагена. Этот белок отвечает за эластичность кожного покрова. Его разрушение приведет к дегенеративным изменениям в эластических волокнах соединительной ткани и кожи и конечном итоге — старению кожи и морщинам.
Также присутствует и небольшая возможность термического ожога, ограниченная чувствительностью к боли.

Кожа способна выработать защитный механизм к регулярно повторяющемуся УФ излучению небольшой интенсивности путем утолщения верхнего слоя эпидермиса и увеличения выработки гормона меланина, поглощающего излучение и особой пигментации, называемой загаром.
Воздействие на поверхностные слои глаза вызывает сходную с кожей реакцию. И основная угроза здесь также таится в УФ-диапазоне, приводящем к возникновению кератита (по другому эффекта ослепления). Это фотохимическая воспалительная реакция, похожая на солнечный ожог. В других случаях УФ-излучение может вызвать индуцированную катаракту хрусталика. А при мощном длительном тепловом воздействии появляется риск возникновения инфракрасной катаракты.
Из-за оптических особенностей хрусталика, воздействовать на сетчатку глаза могут только определенные волны, находящиеся вне диапазона 300–1400 нм. Исключение составляют случаи заболевания глаз, при котором хрусталик неразвит либо когда удален операционно. При длительном — свыше 10 с — воздействии на глаз источника синего цвета велика вероятность получения ретинального повреждения тканей. Свободные радикалы, возникающие в процессе излучения, нарушают как фоторецепторы, так и пигментный эпителий сетчатки (ПЭС — моно слой гексагональных клеток между фоторецепторными клетками сетчатки и сосудистой оболочкой глаза. Содержащийся в этом слое пигмент меланин поглощает часть попадающих в глаз лучей света). При кратковременном воздействии более вероятна опасность термического повреждения, поскольку оно способно вызвать разрушение белка и ключевых биологических компонентов сетчатки.
Для защиты от видимых раздражителей глаз снабжен рядом механизмов. Это и моргание, и сужение зрачка и мгновенные синхронные движения глазных яблок, позволяющие минимизировать время воздействия неблагоприятного излучения. В таблице 1 показаны все шесть фотобиологических рисков для глаз и кожи.

 

ОпасностьВолновой диапазон, нмОсновные биоэффекты
КожаГлаза
Фотохимическое облучение кожи и глаз200 – 400эритема (солнечный ожог)
эластозис (старение кожи, появление морщин)
фотокератит
Воздействие ультрафиолетового излучения на глаз.315 – 400 –катаракта
Воздействие голубого света на сетчатку глаза.300 – 700фоторетинит
Тепловое воздействие на сетчатку глаза380 – 1400ожог сетчатки глаза
Воздействие инфракрасного излучения 780 – 3000ожог роговицы, катаркта
Тепловое воздействие на кожу380 – 3000ожог кожи

таб. 1 |  Шесть фотобиологических угроз для кожи и глаз (плюс обозначение весовой функции опасности)

 

Эволюция стандартов безопасности для светодиодов

Принимая во внимание существующие фотобиологические проблемы, Международная Комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) опубликовала предельно допустимые нормативы для каждого вида опасности.

Эти нормативы основываются на данных, полученных в ходе экспериментов, определивших пороговые значения для каждого вида излучения. Различные отклонения фоточувствительности живых организмов, а также фотосенсибилизаторы, как естественные, так и искусственные во внимание не принимались.

Фотобиологическая безопасность светодиодов была впервые рассмотрена в 1993 г., когда компания Nichia представила коммерчески перспективный синий светодиод на основе GaN подложки. Тогда Международная электротехническая комиссия (IEC) приняла решение о включении светодиодов в рамки существующих стандартов лазерных технологий, IEC 60825. Смысл этого решения был двояким: во-первых, светодиоды, в связи с узкой спектральной полосой, малым размером источника и потенциально строго направленным пространственным распределением света, можно рассматривать как промежуточную технологию между лазерами и обычными лампами. Вторая причина заключалась в том, что ИК-светодиоды применялись в оптоволоконных системах связи, где уже использовались лазерные диоды.

В 1996 и 2001 гг. были предприняты попытки более полного учета светодиодов в рамках лазерного стандарта, в основном за счет пересмотра философии безопасности, которая определяет последствия для всех видов лазеров. Однако, главной трудностью остается переоценка опасности, во многом благодаря не принятию во внимание особой природы светодиодного излучения.
Параллельно с развитием IEC60825, в 1996 г. Светотехническое общество Северной Америки (IESNA) опубликовало ANSI/IESNA RP27.1, «Рекомендуемая практика фотобиологической безопасности для ламп и ламповых систем: Общие требования». Это решение ознаменовало серию стандартов для не лазерных источников. В 2002 г. Международная комиссия по освещению (МКО), принявшая основную часть.

ANSI/IESNA RP27.1 опубликовала Стандарт CIE S009/E-2002, «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем», тем самым распространив этот стандарт в мире.
Учитывая, что светодиодам стало тесно в рамках лазерных стандартов, а также достижения в области светодиодного производства и увеличения областей применения, в Международной электротехнической комиссии приняли решение убрать светодиоды из лазерных стандартов, обновив IEC 60825 в 2007 году. Исключением стали системы волоконной связи и пространственно свободные коммуникационные приложения. Эти изменения потребовали альтернативы, в котором светодиодные лампы получат более подробное рассмотрение.

Введение стандарта IEC 62471-2006

В 2006 г. IEC утверждены действующие CIE S009/E-2002 руководящие принципы, чтобы издать IEC62471: 2006 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем», как двойной стандарт с логотипом CIE. Областью применения настоящего стандарта является представление для оценки фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем, исключая лазеры, излучающие свет в спектральной области 200–3000 нм.

Методология измерения и предельно допустимой концентрации (на основании данных ICNIRP) приведена в рассмотрении шести традиционных опасностей для кожи и глаз, при экспозиции с продолжительностью до восьми часов, взятой на основе рабочего дня. Анализ последствий длительного воздействия излучения пока не проводился.

Четырехуровневая структура классификации, основанная на допустимом времени воздействия, прежде чем превысить EL каждой опасности, определяется, начиная со «Свободного» и заканчивая «Группой риска». В случае с опасностью для сетчатки, во внимание приняты отвращение и время реакции глаза. Следует отметить, что эта система классификации отличается от классовой системы, применимой для лазеров (см. табл. 2).

 

Стандарт IEC62471:2006 содержит четырехуровневую классификацию для ламп и систем освещения, излучающих в диапазоне 200–3000 нм, за исключением лазеров

Группы риска

Обоснование
ИсключенияФотобиологической опасности не представляет
I группаФотобиологической безопасности при допустимых нагрузках не представляет
2 группаНе представляют опасности по причине отрицательной реакции на яркий свет и тепловой дискомфорт
3 группаОпасны даже при мгновенном воздействии

 

Оценка состоит из комплекса серий измерений спектрального излучения (200–3000 нм) с учетом опасности для кожи и передней поверхности глаза, а также спектральной яркости (300–1400 нм) с учетом опасности для сетчатки. Измерения проводились в конкретных геометрических условиях, повторяющих биофизические явления, среди которых эффект движения глаз при условии облучения сетчатки, и в зависимости от измерения расстояния от заявленного источника рас­смотрения.

О реализации практических подходов к стандартизации в Европе и мире читайте в следующем номере.

По материалам журнала LEDs Magazine www.ledsmagazine.com

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »