Фотобиологическая опасность светодиодов

Приборы с применением светодиодов должны отвечать нормативам фотобиологической безопасности.
Переоценка места светодиодов в правилах безопасности имела значительное влияние на процесс внедрения на рынок не только приборов с использованием светодиодов, но также любых приборов, содержащих не-лазерные источники излучения.
В прошлом вопрос потенциальной опасности оптического излучения для человеческого организма относился только к лазерам и источникам ультрафиолетового излучения, к светодиодам же подходили минималистски. Такое отношение может и было допустимым в прошлом, когда мощность светодиодов была далека от современных уровней. Однако, взглянув на многие из современных светодиодов, легко убедиться в увеличении их оптической мощности. В результате сложившейся ситуации сейчас существует настоятельная необходимость разработки соответствующих норм фотобиологической безопасности светодиодов.
Эта статья является первой в серии из трех статей, в которых делается попытка широкомасштабного рассмотрения места светодиодов в нормах фотобиологической безопасности, от основополагающих вопросов фотобиологии до внедрения современных правил безопасности приборов.[szapisi]
Фотобиология в общих чертах
Фотобиология изучает взаимодействие оптического излучения с живыми организмами. Оптическим излучением называют электромагнитное излучение с диапазонами длин волн между 100 нм в области глубокого ультрафиолета (УФ) до 1 мм в области дальнего инфракрасного диапазона (ИК). Однако в практических целях этот диапазон часто ограничен величинами 200-3000 нм. Это ограничение обусловлено атмосферным поглощением длин волн короче 200 нм и незначительным влиянием низкоэнергетических фотонов в дальней ИК области.
Так как ткань имеет сильный коэффициент поглощения оптического излучения, а глубина поглощения простирается от нескольких микрон для УФ до нескольких миллиметров для ИК, то очевидно, что глаза и кожа человеческого организма подвержены наибольшей опасности облучения. Биологическим откликом на такое облучение являются процессы преобразования энергии, относящиеся к двум широким категориям фотохимических или тепловых взаимодействий. Фотохимические взаимодействия преобладают в коротковолновом диапазоне, где фотоны обладают наибольшей энергией, в то время как тепловые взаимодействия доминируют на длинноволновом конце спектра.
При фотохимическом взаимодействии свет определенной длины волны (и, следовательно, энергии) возбуждает электроны молекул клеток, что приводит к распаду или перестройке химических связей внутри них. Это может непосредственно влиять на ДНК, привязывая основные пары друг к другу и создавая разрыв в цепи ДНК. В качестве побочного явления при этом могут создаваться высокоактивные свободные радикалы. Они могут взаимодействовать с ДНК и вызывать перестройку ее структуры, а в других клетках, таких как фоторецепторы клетчатки, они могут вызвать нарушение молекулярной функции и гибель клетки. Известно, что повреждение ДНК, вовремя не устраненное, может потенциально привести к возникновению рака.

Опасность светодиодов
Опасность светодиодов

 Рис.1  Различные спектральные области оптически-лучевого спектра, вместе с характеристикой, показывая спектр пропускания человеческого глаза

Механизмы, лежащие в основе тепловых взаимодействий, связаны с поглощением света и соответствующим повышением температуры незащищенного участка, что в свою очередь приводит к денатурации протеина и температурному разрушению клеток.
В то время как тепловые взаимодействия представляют одинаковую степень опасности на всех длинах волн, сильная зависимость фотохимических взаимодействий от длины волны характеризуется функциями определения опасности (Рис.2).

Опасность светодиодов
Опасность светодиодов

Рис.2 Интенсивность отказов, нагружающая функции, демонстрирующие сильную спектральную зависимость фотохимических взаимодействий. ( Под интенсивностью отказов следует понимать опасность )

Такие функции являются обратными функциями дозы (или энергии), которая требуется, чтобы вызвать определенный уровень нормализованной реакции, в зависимости от длины волны: низкий уровень требует большей дозы и наоборот.
Более того, в то время как влияние теплового излучения низкой интенсивности может быть ослаблено отводом тепла от облученного участка, то фотохимические взаимодействия обычно подчиняются закону Бунзена-Роско о взаимозаместимости. Он гласит, что фотохимические процессы зависят от дозы, означая, что длительное воздействие излучения низкой интенсивности приводит к такому же повреждению, что и кратковременное облучение излучением высокой интенсивности.

Фотобиологические опасности для кожи и глаз
Обсуждая опасности для кожи и глаз, следует рассмотреть три сценария: облучение кожи, облучение внешней поверхности глаза (роговицы, слизистой оболочки и хрусталика) и облучение сетчатки.
При облучении кожи часть падающего света отражается, а оставшаяся часть проникает через эпидермис и дерму. Главную опасность для кожи представляет УФ излучение, которое может привести к прямому повреждению ДНК вследствие фотохимического взаимодействия, и тем самым вызвать известную воспалительную реакцию в виде эритемы (солнечный ожог). Другая опасность заключается в образовании активных свободных радикалов, которые могут атаковать ДНК и другие клетки кожи, такие как коллаген. Этот структурный протеин обеспечивает эластичность кожи, поэтому повреждения коллагена приводят к дегенеративному изменению эластической ткани, и в результате - к образованию морщин и старению кожи. Опасность теплового ожога тоже присутствует, однако она не так актуальна, так как степень облучения обычно ограничена сопровождающейся болью. Кожа может выработать защитный механизм в результате повторного облучения УФ: утолщение наружных слоев кожи помогает уменьшить проникновение УФ, также производится поглощающий УФ меланин, который дает эффект загорелой кожи.
Облучение поверхностных покровов глаза производит эффект, аналогичный реакции кожи. Доминирующая опасность лежит в УФ диапазоне, излучение которого может вызвать фотокератит (ослепление сваркой/снежная болезнь), это воспалительная фотохимическая реакция, сродни солнечному ожогу кожи, которая возникает в роговице и слизистой оболочке. Еще возможно развитие УФ катаракты (помутнения) хрусталика. В ИК диапазоне реакцией на длительное интенсивное облучение может быть инфракрасная катаракта.
Согласно спектральной характеристике прозрачности хрусталика, рассматривать облучение сетчатки следует только в диапазоне 300-1400 нм. Исключением является особый случай афакического глаза, когда хрусталик либо еще не образовался или был удален в ходе операции. Механизмом преобладающего повреждения при времени облучения, превышающем 10 с, является фотохимическая реакция на голубой цвет (фоторетинит), в результате которой создаются свободные радикалы, которые разрушают как фоторецепторы, так и пигментный эпителий сетчатки (ПЭС – слой клеток на внешней поверхности сетчатки, в котором функционируют фотрецепторы ). При более коротких временах облучения преобладает опасность теплового взаимодействия, которое вызывает денатурацию протеина и ключевых биологических компонентов сетчатки.
Глаз обладает рядом защитных механизмов, которые реагируют только на видимые раздражители (380-780 нм). Сюда входят реакции аверсии (моргание, движение головы, а также сужение зрачка, чтобы ограничить количество света, достигающее сетчатки) и постоянные движения глаза (саккады), которые помогают избегать длительного облучения одной и той же области сетчатки.
Постепенное развитие нормативов безопасности для светодиодов

Проанализировав эти фотобиологические проблемы, Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (МКЗНИР) опубликовала значения величин предельного воздействия для каждой из рассмотренных опасностей. Эти значения были основаны на порогах разрушений, вызванных воздействием оптического излучения в экспериментах над тканью животного происхождения. Хотя таким образом и определился показатель защиты, в расчет не были приняты аномальная светочувствительность или присутствие фотосенситайзеров в теле или в коже (включая определенные фармацевтические препараты, косметику и растения).
В 1993 году, когда компанией Nichia были созданы рентабельные GaN светодиоды, в первый раз были рассмотрены проблемы фотобиологической безопасности светодиодов, так как Международная электротехническая комиссия (МЭК) приняла решение включить светодиоды в рамки существующих стандартов для лазеров, IEC60825. У такого решения была двойная мотивация. Во-первых, при таком решении светодиоды могли бы считаться технологическими посредниками между лазерами и обычными лампами благодаря их узкому спектральному диапазону, небольшому размеру и потенциально узконаправленному пространственному распределению излучения. Вторая причина заключалась в использовании ИК-светодиодов в волоконно-оптических системах связи, в которых применялись также и лазерные диоды.
В 1996 и 2001 годах предпринимались попытки по лучшему позиционированию светодиодов в рамках лазерных стандартов, главным образом за счет пересмотра принципов безопасности, что имело последствия для всех типов лазеров. Однако при этом возникли проблемы, связанные с тем, что уровни опасности были завышены, в основном из-за того, что не был принят во внимание факт расходимости светодиодного излучения.
Параллельно с разработкой IEC60825, Светотехническое инженерное общество Северной Америки (IESNA) опубликовало в 1996 году документ ANSI/IESNA RP27.1 «Рекомендуемые нормативы фотобиологической безопасности для ламп и ламповых систем: общие требования». Этот документ возглавил целый ряд нормативов, относящихся к не-лазерным источникам излучения. В 2002 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) взяла за основу ANSI/IESNA RP27.1, чтобы опубликовать свой стандарт S009/E-2002 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем», тем самым распространив эти нормы по всему миру.

Принимая во внимание, что применение лазерных нормативов к светодиодам рассматривалось специалистами как ультраконсервативное, а также учитывая прогресс в области производительности светодиодов и сопутствующее ему расширение областей практического их применения, МЭК приняла решение убрать светодиоды из лазерных стандартов, изменив в 2007 годуIEC 60825. Исключением явились применения светодиодов в волоконной оптике и связи на открытом пространстве. Это изменение потребовало создания альтернативных правил для светодиодов.
ПринятиеIEC62471-2006
В 2006 году МЭК приняла на вооружение существующие нормативы Международной комиссии по освещению (МКО) CIE S009/E-2002, чтобы издать документ «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем», имеющий двойной логотип, в сотрудничестве с МКО. Задачей данного документа было обеспечение нормативов оценки фотобиологической безопасности ламп и ламповых систем, исключая лазеры, излучающих свет в диапазоне 200-3000 нм.

Система оценки опасностей состоит из сложной серии измерений излучения в диапазоне 200-3000 нм в случае опасностей для кожи и передней поверхности глаз, и в диапазоне 300-1400 нм в случае опасностей для сетчатки. Измерения проводятся в специальных геометрических условиях, которые воспроизводят биофизические явления, такие как влияние движения глаз на облучение сетчатки, а также на расстоянии, зависящем от применяемого источника, например инкандесцентной лампы или другого типа источника.
В следующей части этой статьи мы используем более практический подход и рассмотрим детали измерения источников и внедрение стандартов в Европе и в других частях света.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ