Determinare il Gruppo di Rischio fotobiologico dei LED

Procedure di misura e di calcolo per la determinazione della classe di rischio fotobiologico di apparecchi luminosi a LED secondo la Norma IEC 62471. La norma si applica a tutti i tipi di sorgenti luminose sia per illuminazione che per altro uso con emissione tra i 200 nm ed i 3000 nm. Nel caso di LED con emissione nel visibile la radiazione da misurare va dai 400 nm ai 780 nm circa, come si vede in Figura 1, per i LED IR si arriva a 1050 nm. Lo strumento di misura consigliato dalla norma citata è il monocromatore.

1           VALUTAZIONE DEI POSSIBILI RISCHI

Figura 1. Spettro di alcuni LED. L'emissione va dai 380 nm ai 780 nm.

Figura 1. Spettro di alcuni LED. L’emissione va dai 380 nm ai 780 nm.

I possibili rischi e relativi danni sono discussi in questo articolo: “Sono pericolosi i LED?” e sono quelli descritti nella tabella 5.4 della norma CEI EN 62471. I fattori di rischio da verificare per i LED sono quelli alla retina dell’occhio per la “luce blu” (così definito perché le lunghezze d’onda nella regione attorno al blu sono le più pericolose ma questa categoria comprende il range dai 300 nm ai 700 nm) e quello termico dovuto l’aumento della temperatura dovuta all’irradiazione di cute e occhio.

Tabella 1: Fattori di Rischio.

# Fattori di Rischio
Risultato Gruppo di Rischio
Commenti
1 UV Attinico, cute e cornea

ES (200-400 nm)

Esente* Nessuna emissione LED in questa banda*
2 UV-A, cornea

EUVA (315-400 nm)

Esente* Nessuna emissione LED in questa banda*
3 Luce Blu, retina
LB (300-700 nm)
da verificare sorgente estesa se

a > 11 mrad

4 Luce Blu Sorgente Piccola, cornea

EB (300-700 nm)

da verificare sorgente piccola se

a < 11 mrad

5 Termico Retinico, retina

LR (380-1400 nm)

da verificare
6 Termico cutaneo, cute

EH (380-3000 nm)

da verificare
7 Retinico Termico Stimolo Debole, retina

LIR (780-1400 nm)

Esente Nessuna emissione LED in questa banda
8 Infrarosso, cornea

EIR (780-3000 nm)

Esente Nessuna emissione LED in questa banda

*Esistono in commercio LED UV con emissione tra i 265 nm ed i 400 nm. Tratterò questi LED per applicazioni particolari quali la polimerizzazione dei materiali, il trattamento dell’acqua, crescita delle piante, ecc., in un prossimo articolo.

Di seguito viene descritto il metodo di misura e di calcolo del gruppo di rischio in base ai Fattori di Rischio calcolati, per le sorgenti LED con emissione nel visibile e IR. In generale i Fattori di rischio da verificare dipendono dalla banda di emissione della sorgente luminosa.

2         METODO DI MISURA

Per definire la classe di rischio si esegue una misura della quantità di radiazione (nello specifico si misurano la radianza e l’irradianza) emessa alle varie lunghezze d’onda. Per alcuni Fattori di Rischio si moltiplica la curva di valori ottenuta per una funzione di ponderazione specifica del rischio da calcolare e si sommano tutti i valori . Alla fine avremo un numero per ogni Fattore di Rischio analizzato, insieme determinano la Classe di Rischio dell’apparecchio.

Le curve di ponderazione si trovano nell’appendice della norma EN 62471 e la classificazione in base ai valori trovati è descritta al paragrafo 6 della stessa norma. Vediamo nelo specifico i vari passaggi.

2.1. Definire la distanza di misura.

La misura va effettuata ad una distanza, d, che dipende dal tipo di sorgente luminosa:

  • per le lampade di illuminazione generale (GLS) ad una distanza alla quale si hanno 500 lux, comunque a non meno di 200 mm (vedi Figura 2).
  • per tutte le altre sorgenti luminose a 200 mm.

2.2. Classificare la sorgente in base alle dimensioni.

I limiti di emissione per Luce Blu variano se la sorgente è “piccola” (Tabella 6.1 CEI EN 62471), bisogna quindi stabilire se si rientra in questo caso.

Ci si pone alla distanza d determinata al punto 1 (200 mm o alla distanza dove si hanno 500 lux) e si calcola il campo di vista, ovvero l’angolo a di Figura 1: Formula di aDove L è la dimensione lineare apparente, ovvero il diametro o la larghezza massima della zona dell’apparecchio da cui esce la radiazione luminosa.

Se a < 0.011 rad  (0.63°) allora si rientra nel caso di sorgente piccola. Alla distanza di 200 mm la sorgente è “piccola” se la dimensione lineare apparente ,L è inferiore a 2,2 mm.

Se la sorgente è piccola (a < 0.011 rad) va misurata l’irradianza spettrale, passate al punto 2.3.2, altrimenti va misurata la radianza spettrale, passate al punto 2.3.1.

Il caso di sorgente piccola avviene solitamente per lampade che hanno come sorgente un singolo LED di potenza.

Nel calcolo del rischio Termico retinico il campo di vista deve essere compreso tra 0,0017 rad e 0,1 rad, utilizzare un diaframma per rientrare in questo range.

Figura 2. Come determinare la distanza di misura ed il parametro a. La lampada (GLS) deve trovarsi ad una distanza d, non inferiore a 200 mm, tale che il rilevatore misura 500 lux. Se si tratta di oggetti non GLS allora la misura va fatta a 200 mm. Se l’angolo a è inferiore a 0,011 radianti (alla distanza di 200 mm corrisponde ad una dimensione lineare,L, di 2,2 mm) allora si ricade nel caso di sorgente piccola.

2.3. Effettuare la misura di irradianza o radianza.

Per il calcolo dei dati spettrali è consigliata la misura dello spettro con step di 5 nm per lunghezze d’onda (λ) superiori a 400 nm. Al di sotto è consigliato uno step di 1 nm (CEI EN 5.3.2)

Le misure di irradianza e di radianza vanno effettuate in corrispondenza del massimo di intensità del fascio luminoso ( CEI EN 5.2.1). Questo significa, per le lampade a fascio simmetrico con picco di intensità al centro, di posizionarsi in asse con la lampada.

2.3.1         Misura della Radianza, L (con metodo alternativo)

Misura della radianza

Figura 3. Apparato di misura per la radianza con metodo alternativo.

Per i Fattori di Rischio da Luce blu (sorgente estesa) e Termico retinico (Fattori di Rischio 3, 5 e 7 della Tabella 1) va misurata la radianza. Qui useremo il metodo alternativo descritto nella IEC 62471, par. 5.2.2.2.

1) Si applica un diaframma il più possibile vicino alla sorgente e si misura l’irradianza spettrale, E(λ), alla distanza, d, stabilita al punto 2.1. Per restare nel caso rischio da Luce blu con sorgente estesa il campo di vista imposto dal diaframma deve essere maggiore di 0,011 rad. Va misurato il valore di E(λ) ogni 5 nanometri per λ > 400 nm e ogni nanometro per λ < 400 nm.

2) La radianza spettrale L(λ) si ottiene poi dalla formula: radianza = irradianza misurata / angolo solido ovvero L(λ) = E(λ) / Ω.

Ω nello specifico è l’angolo solido sotteso dalla sorgente (diaframmata); alla distanza d ed è uguale a:  Ω = A / d2.

con A = l’area della sorgente [m2],

e d la distanza [m].

3) Si calcola la radianza spettrale ponderata moltiplicando i valori di radianza spettrale, L(λ), per i valori della curva di ponderazione (B(λ) nel caso di Luce Blu, R(λ) nel caso di Rischio Termico).

4) Si sommano i valori di radianza spettrale ponderata per ottenere la radianza ponderata, L. Vediamo come esempio la formula della radianza ponderata per il Fattore di Rischio da Luce Blu, LB:Formula 2

2.3.2        Misura della Irradianza, E

Le misure di irradianza sono descritte nella norma IEC 62471 par. 5.2.1.

1) Si effettua una misura dell’irradianza spettrale, E(λ), alla distanza, d, stabilita al punto 2.1, ogni 5 nanometri per λ > 400 nm e ogni nanometro per λ < 400 nm.

2) Per il Fattore di Rischio da Luce Blu Sorgente Piccola si calcola l’irradianza spettrale ponderata moltiplicando i valori di irradianza E(λ) ottenuti al punto 1 per i valori della curva di ponderazione B(λ). Questo vale anche per il Fattore di Rischio UV Attinico per sorgenti che emettono sotto i 400 nm usando la funzione di ponderazione S(λ). Per i Fattore di Rischio Termico Cutaneo e IR Occhio (per le sorgenti che emettono oltre i 780 nm) non c’è funzione di ponderazione e si passa direttamente al punto 3.

3) Si esegue la somma di tutti i valori, e si ottiene il valore di irradianza, E. Si chiamerà irradianza ponderata, EB, nel caso di Luce Blu Sorgente Piccola, irradianza, EH, nel caso di Termico Cutaneo. Vediamo come esempio la formula della irradianza ponderata per il Fattore di Rischio da Luce Blu Piccola, EBFormula irradianza

La funzione di ponderazione spettrale B(λ)è la stessa del caso di sorgente estesa.

4           CALCOLO DEL TEMPO DI ESPOSIZIONE

Una volta calcolati i valori di radianza, L e irradianza, E, dei vari Fattori di Rischio, si determina il tempo di esposizione della sorgente luminosa entro il quale non vi è alcun rischio per la salute umana. In base a questo tempo di esposizione verrà stabilito il Gruppo di Rischio. Ovviamente maggiore è il tempo di esposizione sicuro e inferiore è il Gruppo di Rischio. Le formule per il calcolo del tempo di esposizione sono quelle in tabella 2. Si avrà un tempo di esposizione ,t, per ogni fattore di rischio calcolato.

Tabella 2: Tempi di esposizione

# Tipo di Rischio
Tempo di Esposizione [s]
3 Luce Blu, LB t = 106 / LB
4 Luce Blu Sorgente Piccola, EB
t = 100 / EB
5 Termico Retinico, LR t = (50000/a*LR)4
6 Termico cutaneo, EH t = (20000/EH)4/3

Il valore a della formula per il Termico retinico è il campo di vista del punto 2.2.

5           IDENTIFICAZIONE DEL GRUPPO DI RISCHIO (GR)

Una volta ottenuto il valore del tempo di esposizione, t, si può identificare il gruppo di rischio secondo la  tabella3.

La definizione dei gruppi di rischio in base al danno che può arrecare è la seguente:
GR 0: Non provoca nessuno dei rischi considerati nella norma.
GR 1:Non provoca rischi dovuti a normali limitazioni di funzionamento sull’esposizione.
GR 2: Non provoca rischio in seguito ad una reazione istintiva di protezione in seguito alla visione di un fascio luminoso molto intenso o ad una sensazione di disagio termico.
GR 3: La lampada può costituire un rischio anche per un’esposizione momentanea non voluta.

Tabella 3: Gruppi di rischio.

Rischio Rischio esente – GR 0 Rischio basso – GR 1 Rischio medio – GR 2 Rischio elevato – GR 3
Luce blu t > 10.000 s 100 s < t < 10.000 s 0,25 s < t < 100  t < 0,25 s
Luce blu sorgente piccola t > 100 s t > 100 s 0,25 s < t < 100 t < 0,25 s
Termico retinico  t > 10 s t > 10 s 10 < t < 0,25 s t < 0,25 s

Per il rischio Termico cutaneo, dovuto ad un incremento della temperatura del tessuto irradiato, viene dato il solo limite temporale di 10 secondi e si applica solo se le aree colpite sono circoscritte. Per zone estese entrano in gioco scambi termici tra individuo e ambiente e andrebbero presi inconsiderazione

Per rientrare in un gruppo di rischio devono essere rispettati i tempi di tutti i fattori di rischio calcolati, altrimenti si passa al gruppo superiore.Vediamo alcuni esempi.

Esempio 1, sorgente LED piccola.

Luce blu sorgente piccola, t = 240 s (GR 0).

Termico retinico, t = 24 s (GR 0).

GR 0.

Esempio 2, sorgente LED estesa.

Luce blu, t = 240 s (GR 1).

Termico retinico, t = 24 s (GR 0).

GR 1.

Esempio 3, sorgente LED estesa.

Luce blu, t = 20 s (GR2) .

Termico retinico, t = 24 s (GR 0).

GR 2.

Esempio 2, sorgente LED estesa.

Luce blu, t = 0,2 s (GR3) .

Termico retinico, t = 24 s (GR 0).

GR 3.