خلاصه مقاله: در این مقاله با مفهوم نور ایمن آشنا خواهید شد. در تامین روشنایی و طراحی نورپردازی، باید مطمئن شوید که چراغ‌ها و منابع نوری انتخاب شده با استانداردهای ایمنی فوتوبیولوژیکی مطابقت دارند. در گذشته، خطرات ناشی از قرار گرفتن در معرض تشعشعات نوری برای بدن انسان ها، به لیزرها و منابع UV محدود شده بود و رویکردی ساده گرایانه برای LED ها اتخاذ شده بود، با توجه به گسترش کاربرد منابع نوری LED استانداردهای جدیدی در این حوزه بوجود آمده است.سرفصل های زیر مبانی اولیه ایمنی فوتوبیولوژیکی نور هستند:
ایمنی فتوبیولوژیکی در محصولات LED مروری بر فوتوبیولوژی خطرات فوتوبیولوژیکی برای پوست و چشم
تکامل استانداردهای ایمنی برای LEDها معرفی استاندارد IEC62471-2006
پیشگفتار
با توجه به تولید بالای محصولات روشنایی به ویژه محصولات بر پایه ی LED ها، بر آن شدیم تا مجموعه ی کاملی از ایمنی فوتوبیولوژیکی در این محصولات را با استناد به منابع معتبر نور و روشنایی بررسی کنیم. در راستای نیل به این هدف، مجموعه ی زیر از منابع مختلف را گرد آوردیم. در مجموعه ی پنج بخشی زیر ما به بررسی کلی ایمنی های لازم برای منابع نوری بالاخص منابع نور LED پرداخته ایم.
در بخش اول تا سوم، به بررسی ایمنی فوتوبیولوژیکی ناشی از منابع روشنایی LED خواهیم پرداخت. ابتدا تعاریف کلی را ارائه خواهیم کرد و سپس روند تکاملی استانداردهای روشنایی را توضیح خواهیم داد و مختصری به بررسی نحوه ی برچسب گذاری در محصولات اشاره خواهیم کرد. در بخش چهار با بررسی مثال هایی روند عملی این مبحث را بیشتر توضیح خواهیم داد. و نهایتا در بخش پنج با استناد به اپلیکیشن نوت شرکت اسرام، بر تطابق استاندارد محصولات سایان الکتریک با استانداردهای جهانی صحه خواهیم گذاشت.
در طی این مسیر و جهت درک بهتر مفاهیم، نیاز به آشنایی با تعدادی از مباحث اختصاصی نور هستیم که بنابر نیاز در هر بخش به صورت جداگانه و از منابع معتبر توضیح داده خواهند شد.
امید است با این کار، قدمی هر چند کوچک در راستای ارتقای معلومات نوری و رعایت بهداشت نوری در جامعه برداریم.
این مقاله اولین مقاله از یک سری سه قسمتی است که دیدگاه گسترده ای از جایگاه LED ها در استانداردهای ایمنی فوتوبیولوژیکی، از نگرانی های فوتوبیولوژیکی زیربنایی گرفته تا اجرای استانداردهای فعلی ایمنی محصول را ارائه می دهد.
LED ایمنی فتوبیولوژیکی در محصولات
محصولات مبتنی بر LED باید استانداردهای ایمنی فوتوبیولوژیکی را رعایت کنند
در گذشته، خطرات ناشی از قرار گرفتن در معرض تشعشعات نوری برای بدن انسان ها به لیزرها و منابع UV محدود شده بود و رویکردی ساده گرایانه برای LED ها اتخاذ شده بود. این رویکرد در گذشته قابل قبول بود چرا که عملکرد LED ها به سطوح فعلی نرسیده بود. با این حال، نگاهی اجمالی به بسیاری از LED های امروزی نشان‌دهنده بهبود قابل‌توجه عملکرد نوری است بنابراین توجه به ایمنی فوتوبیولوژیکی LEDها در یک چارچوب مناسب اکنون بسیار مورد نیاز است.
ارزیابی مجدد جایگاه LED ها در استانداردهای ایمنی تأثیر قابل توجهی بر روند عرضه به بازار در محصولات مبتنی بر LED، و همچنین هر محصولی که حاوی منابع غیر لیزری تابش نوری باشد، داشته باشد.
شکل 1: طیف تابش نوری همراه با منحنی طیف انتقال چشم انسان
مروری بر فوتوبیولوژی
فوتوبیولوژی، مطالعه برهمکنش های تابش نوری با موجودات زنده است. تابش نوری به عنوان تابش الکترومغناطیسی با طول موج بین 100 نانومتر در فرابنفش (UV) تا 1 میلی متر در مادون قرمز (IR) تعریف می شود. با این حال، این محدوده اغلب برای اهداف عملی به دلیل جذب اتمسفرکه برای طول موج های زیر 200 نانومتر رخ می دهد و تأثیر ناچیز فوتون‌های کم انرژی در IR far به 3000-200 نانومتر محدود می‌شود. از آنجایی که تابش نوری به شدت در بافت جذب می شود و عمق نفوذ برای اشعه UV در حد چند میکرون و برای IR چند میلی متر است، در نتیجه این پوست و چشم های بدن هستند که بیشتر در معرض خطر قرار می گیرند. پاسخ بیولوژیکی، قرار گرفتن در معرض ناشی از انواع فرآیندهای تبدیل انرژی است که به طور گسترده به عنوان برهمکنش های فتوشیمیایی یا حرارتی طبقه بندی می شوند. فعل و انفعالات فتوشیمیایی در محدوده طول موج کوتاه یعنی جایی که انرژی فوتون ها بیشترین مقدار است، غالب است، در حالیکه اثرات حرارتی تمایل دارند در انتهای طول موج های بلند طیف غالب شوند.
در یک برهمکنش فتوشیمیایی، نور با طول موج خاص (و در نتیجه انرژی)، الکترون‌های موجود در مولکول‌های سلولی را تحریک می‌کند و در نتیجه منجر به شکسته شدن یا سازماندهی مجدد پیوندهای شیمیایی می‌شود.
این امر می تواند پیامدهای مستقیمی برای DNA داشته باشد و به موجب آن جفت‌های پایه به هم متصل شده و باعث ایجاد اختلال در DNA شوند. به طور غیرمستقیم نیز، ممکن است رادیکال‌های آزاد تولید شوند. این رادیکال ها بسیار واکنش پذیر بوده و می توانند با DNA برهمکنش کنند و با سلول های دیگر مانند گیرنده های نور در شبکیه وارد ساختار جدید شده و باعث بدتر شدن عملکرد سلولی و در نتیجه مرگ سلولی شوند.
مکانیسم برهمکنش‌های حرارتی مربوط به جذب نور است که منجر به افزایش دما در زمان قرار گرفتن در معرض نور می‌شود که باعث دناتوره شدن پروتئین و در نتیجه آسیب سلولی ناشی از حرارت می‌شود.
اگر پروتئین‌های یک سلول زنده دناتوره شوند، این امر منجر به اختلال در فعالیت سلولی و احتمالاً مرگ سلولی می‌شود. دناتوره شدن پروتئین نیز پیامد مرگ سلولی است. پروتئین های دناتوره شده می توانند طیف وسیعی از ویژگی ها را از خود نشان دهند، از تغییر ساختاری و از دست دادن حلالیت تا تجمع به دلیل قرار گرفتن در معرض گروه های آبگریز. پروتئین های دناتوره ساختار سه بعدی خود را از دست می دهند و بنابراین نمی توانند عمل کنند. دناتوره شدن در بسیاری از پروتئین ها برگشت ناپذیر است.
شکل 2: توابع وزنی خطر که وابستگی طیفی قوی برهمکنش های فتوشیمیایی را نشان می دهد.
در حالی که فعل و انفعالات حرارتی خطر یکسانی را در تمام طول موج ها ایجاد می کنند، وابستگی شدید بین طول موج و برهمکنش های فتوشیمیایی، با توابع وزنی خطر مشخص می شود (شکل 2). چنین توابعی عبارتند از دوز یا انرژی متقابل مورد نیاز در هر طول موج برای آشکار شدن سطح معینی از پاسخ و نرمالیزه و یکپارچه کردن آن: پاسخ کم نیاز به دوز بالایی دارد و بالعکس.
علاوه بر این، در حالی که اثرات حرارتی قرار گرفتن در معرض نور در سطوح پایین ممکن است بوسیله انتقال حرارتی کاهش یابد، فعل و انفعالات فتوشیمیایی معمولاً از قانون متقابل Bunson-Roscoe پیروی می کنند. این قانون بیان می‌کند که فرآیندهای فتوشیمیایی وابسته به دوز هستند، به این معنی که قرار گرفتن در معرض سطوح پایین نور و به صورت طولانی‌مدت همان آسیب‌هایی را ایجاد می‌کند که قرار گرفتن در معرض سطوح بالای نور و به صورت کوتاه‌مدت.
قانون بونسن-روسکو معتقد است که شدت نور ضرب در زمان قرار گرفتن در معرض نور برابر با یک ثابت است. بنابراین در یک فاصله زمانی تعداد کل کوانتوم های مورد نیاز برای تحریک بینایی، صرف نظر از نحوه ی تامین کوانتوم ها ثابت است.
خطرات فوتوبیولوژیکی برای پوست و چشم
با توجه به خطرات ایجاد شده برای پوست و چشم، سه نوع آسیب ناشی از قرار گرفتن در معرض نور در نظر گرفته می شود: پوست، سطوح جلویی چشم (قرنیه، ملتحمه و عدسی) و شبکیه.
با قرار گرفتن پوست در معرض نور، بخشی از نور تابیده شده منعکس می شود، مابقی نور از طریق اپیدرم و درم منتقل می شود. نگرانی اصلی برای پوست قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش است که یک خطر فتوشیمیایی را به دلیل آسیب مستقیم به DNA ایجاد می کند و باعث ایجاد التهاب اریتم (آفتاب سوختگی) می شود. خطر دیگر تولید رادیکال های آزاد است که ممکن است به DNA و سایر سلول های پوستی مانند کلاژن ها، حمله کند. این پروتئین ساختاری، به پوست خاصیت ارتجاعی می دهد. آسیب کلاژن باعث ایجاد الاستوز و در نتیجه چین و چروک و پیری پوست می شود. خطر سوختگی حرارتی نیز وجود دارد، اما با نگرانی کمتری همراه است زیرا به دلیل ایجاد درد، مدت زمان قرارگیری تحت آن محدود است. پوست ممکن است با قرار گرفتن مکرر در معرض اشعه ماوراء بنفش یک مکانیسم محافظتی ایجاد کند که منجر به ضخیم شدن لایه های بالایی پوست می شود و برای کاهش انتقال اشعه UV و تولید ملانین جذب کننده UV، رنگدانه های پوست برنزه می شوند.
جدول 1: شش خطر فوتوبیولوژیکی که برای پوست و چشم ایجاد می شود( استفاده از علامت + نشان دهنده ی استفاده از تابع وزنی خطر است).
لایه های سطحی چشم هنگام قرار گرفتن در معرض نور، پاسخی مشابه با پوست نشان می دهند. نگرانی غالب در ناحیه اشعه ماوراء بنفش است، چرا که ممکن است موجب ایجاد فوتوکراتیت (برق زدگی(Arc Eye)/ برف کوری(snow blindness)) شود که یک پاسخ فتوشیمیایی التهابی، شبیه آفتاب سوختگی است که در قرنیه و ملتحمه رخ می دهد. یکی دیگر از نتایج احتمالی آن، آب مروارید UV (کدر شدن عدسی) است. واکنش حرارتی به قرار گرفتن در معرض نور شدید، در ناحیه ی IR، آب مروارید مادون قرمز است.
با توجه به ویژگی های انتقال در لنزها، نوردهی به شبکیه فقط باید در محدوده طول موج 1400-300 نانومتر در نظر گرفته شود. در مورد آفاکیا (aphakic eye) که در آن عدسی هنوز رشد نکرده یا در حین جراحی برداشته می شود، استثنا وجود دارد.
آسیب غالب برای قرار گرفتن در معرض نور بیش از 10 ثانیه، خطر نور آبی فتوشیمیایی (فتورتینیت- photoretinitis) است که منجر به تولید رادیکال‌های آزاد می‌شود که هم به گیرنده‌های نوری و هم به اپیتلیوم رنگدانه‌دار شبکیه (RPE - لایه‌ای از سلول‌ها در سطح بیرونی شبکیه، که از عملکرد گیرنده های نور پشتیبانی می کند) آسیب می رساند. برای زمان های کوتاه تر، دناتوره شدن پروتئین ها و آسیب به اجزای کلیدی بیولوژیکی شبکیه، خطر حرارتی غالب است.
چشم فقط در پاسخ به محرک های بینایی در طول موج های 780 -380 نانومتر، دارای تعدادی مکانیسم حفاظتی است. این موارد شامل حرکات پاسخی چشم (پلک زدن، حرکت سر و منقبض کردن مردمک برای محدود کردن مقدار نوری است که به شبکیه می رسد) و حرکت مداوم چشم (ساکادها) است که تضمین می کند ناحیه شبکیه به صورت مداوم در معرض نور قرار نمی گیرد. در جدول 1 خلاصه ای از 6 مورد خطرات فوتوبیولوژیکی آمده است.
هاLED تکامل استانداردهای ایمنی برای
با در نظر گرفتن این مشکلات فوتوبیولوژیکی، کمیسیون بین‌المللی حفاظت از تشعشعات غیریونیزان (ICNIRP) ( Non-Ionising Radiation Protection) دامنه ی قرار گیری در معرض نور (EL)، ( exposure-limit) برای هر یک از خطرات در نظر گرفته را، منتشر می‌کند. این مقادیر بر اساس آستانه آسیب گزارش شده ناشی از اثرات تابش نور و آزمایش بر روی بافت حیوانی، به دست آمده است. در این فاکتور ایمنی ارائه شده، حساسیت غیر طبیعی به نور یا وجود مواد حساس به نور در بدن یا روی پوست (از جمله برخی ترکیبات دارویی، لوازم آرایشی و گیاهان) لحاظ نمی شود.
در سال 1993، زمانی که کمپانی ,Nichia LED های GaN آبی رنگ (viable blue GaN LEDs) را معرفی کرد، ایمنی فوتوبیولوژیکی LED ها برای اولین بار مورد توجه قرار گرفت، زیرا کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکال IEC(International Electrotechnical Commission) تصمیم گرفت LED ها را در محدوده استاندارد موجود برای لیزرها، یعنی استاندارد IEC60825 قرار دهد. دلیل این تصمیم دو چیز بود. اول اینکه LED ها به دلیل پهنای باند طیفی باریک(narrow spectral bandwidth)، سایز کوچک منابع و توزیع به شدت جهت دار (directional spatial distribution) نور ساطع شده می تواند به عنوان یک تکنولوژی واسط بین لیزرها و لامپ های معمولی در نظر گرفته شوند. دلیل دوم به دلیل استفاده از IR-LED در سیستم های ارتباطی فیبر نوری بود که در آنها از دیودهای لیزری استفاده می شد. در سال‌های 1996 و 2001، تلاش‌هایی برای تطبیق بهتر LED ها در استاندارد لیزر، انجام شد. با این حال، تخمین بیش از حد خطرات از جمله مشکلاتی بود که عمدتاً به دلیل در نظر نگرفتن ماهیت واگرایی انتشار LED ها، با آن مواجه شدند.
به موازات توسعه استاندارد IEC60825، در سال 1996 انجمن مهندسی روشنایی آمریکای شمالی (IESNA) ANSI/IESNA RP27.1 مقاله ای با عنوان «الزامات عمومی توصیه شده برای ایمنی فوتوبیولوژیکی برای لامپ‌ها و سیستم‌های لامپی»
(Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamps and Lamps Systems: General Requirements.) منتشر کرد. در این مقاله یک سری از استانداردهای مربوط به منابع غیر لیزری معرفی شدند. در سال 2002، کمیسیون بین المللی روشنایی (CIE) بدنه اصلی ANSI/IESNA RP27.1 را برای انتشار استاندارد CIE S009/E-2002، "ایمنی فوتوبیولوژیکی لامپ ها و سیستم های لامپی" به تصویب رساند و بدین ترتیب این استاندارد را در جهان منتشر کرد.
با توجه به اینکه استفاده از محدودیت های لیزر برای LED ها، توسط کارشناسان بیش از حد محافظه کارانه تلقی می شد و با توجه به پیشرفت هایی که در عملکرد LED و افزایش زمینه های کاربردی آنها در پی داشت، IEC تصمیم گرفت LED ها را از زمره ی استاندارد لیزر حذف کند و استاندارد IEC 60825 را در سال 2007 روز کرد.
IEC62471-2006 معرفی استاندارد
در سال 2006، IEC دستورالعمل‌های موجود CIE S009/E-2002 را برای انتشار استاندارد IEC62471:2006 با عنوان «ایمنی فوتوبیولوژیکی لامپ‌ها و سیستم‌های لامپی» (Photobiological Safety of Lamps and Lamp Systems) به‌عنوان یک استاندارد با لوگوی دوگانه با CIE تصویب کرد. دامنه این استاندارد ارائه راهنمایی برای ارزیابی ایمنی فوتوبیولوژیکی لامپ ها و سیستم های لامپی، به استثنای لیزرها و ساطع کننده نور در ناحیه طیفی 3000-200 نانومتر است.
یک روش اندازه‌گیری و تعیین مقادیر محدوده، (براساس داده‌های ICNIRP) در در نظر گرفتن شش خطر (جدول 1) برای پوست و چشم در مدت زمان قرار گرفتن در معرض نور به مدت حداکثر هشت ساعت، به عنوان یک روز کاری، ارائه شده است. در این استاندارد اثرات ناشی از قرارگیری طولانی مدت در معرض نور در نظر گرفته نمی شود.
جدول2: طبقه بندی چهارگانه برای لامپ ها و سیستم های لامپی 2
یک طبقه بندی چهارگانه، بر اساس مدت زمان مجاز قرار گرفتن در معرض نور، شامل گروه های "معاف" تا "گروه خطر3 (RG3) ، انجام شده است(جدول 2). در مورد خطرات شبکیه، زمان پاسخ منفی چشم در نظر گرفته می شود. لازم به ذکر است که این سیستم طبقه بندی با طبقه بندی که برای لیزرها استفاده می شود متفاوت است. این ارزیابی ها، شامل مجموعه ای پیچیده از اندازه گیری های spectral irradiance در محدوده ی (3000-200نانومتر) با در نظر گرفتن خطرات ناشی از تابش برای پوست و سطوح جلویی چشم و هم چنین اندازه گیری spectral radiance در محدوده ی (1400-300نانومتر) با در نظر گرفتن خطرات برای شبکیه است. اندازه‌گیری‌ها در شرایط هندسی خاصی، مانند تأثیر حرکات چشم بر irradiation شبکیه انجام می شوند و در فاصله اندازه‌گیری های مشخص وابسته به کاربرد منبع یعنی خدمات نور عمومی (GLS) یا خدماتی غیر از GLS در نظر گرفته می‌شوند ( general lighting service).
Radiance:
واحد radiance در SI وات بر متر مربع بر استرادیان [W/m2-sr] است. از آنجایی که بسیاری از منابع تشعشع مورد استفاده در آزمایشگاه ها دارای مساحت تابشی در محدوده میلی متر مربع هستند، واحد میلی وات بر میلی متر مربع بر استرادیان [mW/mm2-sr] اغلب برای Radiance استفاده می شود. همانطور که در شکل نشان داده شده است، radiance (R) ناحیه منبع ساطع کننده (A) برابر با توان تابشی (P) است که از سطح A ساطع می شود و در زاویه فضایی Ω منتشر می شود، تقسیم بر ناحیه A و زاویه فضایی.
R: radiance
P: radiation power
A: source emitting area → R = P / (A x Ω)
Ω: solid angle
استرادیان
استرادیان [sr] واحد SI برای اندازه گیری زوایای فضایی است که با (Ω) تعریف می شود و بر روی سطح کره ای با شعاع r که مساحت (A) دارد برابر است با r2 (Ω = A/r2 = r2/r2 = 1 [sr]) . .این واحد، محدوده های زاویه ای را در فضای سه بعدی توصیف می کند، مشابه روشی که رادیان [rad] زاویه ها را در یک صفحه دو بعدی توصیف می کند. مجموع زوایای فضایی برای یک نقطه در فضا π4 استرادیان است.
radiance یک منبع با افزایش توان ساطع شده از آن، با کوچکتر کردن ناحیه تابشی منبع یا با انتشار تشعشع در یک زاویه فضایی کوچکتر، افزایش می یابد.
به بیان دقیق، radiance در هر نقطه از سطح ساطع کننده، به عنوان تابعی از موقعیت، و به عنوان تابعی از زاویه مشاهده تعریف می شود. اغلب، مانند مثال بالا، ما از radiance یک منبع به معنای radiance متوسط بر روی یک دیافراگم با اندازه محدود و در برخی از زاویه های مورد نظر استفاده می کنیم. Radiance یک کمیت بایسته در یک سیستم نوری است.
Irradiance
عبارت رادیومتری برای توان تابیده شده بر یک سطح است. واحد SI برای Irradiance وات بر متر مربع [W/m2] یا یا میلی وات بر میلی‌متر مربع [mW/mm2] است. اگر یک منبع تابش نقطه‌ای، به طور یکنواخت در همه جهات تشعشع کند و هیچ جذبی نداشته باشد، irradiance به نسبت مجذور فاصله از منبع کاهش می‌یابد، زیرا توان کل ثابت است. Irradiance یک اندازه گیری مفید برای برنامه هایی است که در آن نیرو باید به مناطق بزرگ تحویل داده شود. به عنوان مثال، برای روشن کردن یک کلاس درس یا یک زمین فوتبال در درجه اول، مسئله ارائه مقدار مشخصی وات در هر متر مربع است که می توان با استفاده از یک منبع توان بالا به آن دست یافت. با این حال، از آنجایی که irradiance به زاویه فضایی سبستگی ندارد، می توان چندین منبع را ترکیب کرد و دیوارها یا میدان را از زوایای مختلف روشن کرد.
زاویه فضایی
در هندسه، زاویه فضایی، که معمولاً با {\displaystyle \Omega } Ω نشان داده می‌شود، زاویه‌ای در فضای سه‌بعدی است که یک جسم روی یک نقطه را می‌پوشاند. این زاویه نشان می‌دهد که آن جسم از دید بیننده‌ای که از آن نقطه به جسم می‌نگرد چه‌قدر بزرگ می‌آید. برای نمونه، جسم کوچکی در فاصله ی نزدیک می‌تواند همان زاویه ی فضایی‌ای را بپوشاند که جسم بزرگی در دوردست. اگر جسم را روی سطح کره ای به مرکز آن نقطه تصویر کنیم، زاویه ی فضایی جسم متناسب است با مساحت بخشی از کره که جسم پوشانده است، تقسیم بر شعاع کره به توان دو:
Ω = K.(S/r2)
که در این رابطه k ضریب تناسب است. یکای سنجش زاویه ی فضایی در سیستم بین المللی استانداردها، استرادیان است. در یکای استرادیان، ضریب تناسب k برابر با یک است. زاویه فضایی مستقل از r یا r` است.
در بخش بعدی، با در نظر گرفتن جزئیات دقیق اندازه گیری منبع و اجرای استاندارد در اروپا و سایر نقاط جهان، رویکرد عملی تری را اتخاذ خواهیم کرد.
