玩具LED光輻射測(cè)試中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

梁澄波 周海波 王剛 謝晉雄 張棟

（深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東深圳 518045）

玩具LED光輻射測(cè)試中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

梁澄波 周海波 王剛 謝晉雄 張棟

（深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東深圳 518045）

玩具LED光輻射測(cè)試復(fù)雜性高，各檢測(cè)機(jī)構(gòu)間的測(cè)試方法存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)相差很大。本文在理論分析和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)光輻射測(cè)量結(jié)果的影響，并提出了測(cè)試方案。

玩具；LED；激光；發(fā)光二極管；光輻射

1 前言

發(fā)光二極管（LED）具有體積小、壽命長(zhǎng)、亮度高、熱量低等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)被大量應(yīng)用在玩具產(chǎn)品中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，市場(chǎng)上90%的光電玩具使用了LED。但是，LED光輻射對(duì)人眼的傷害不容小覷，它甚至可能對(duì)人眼造成永久性損害，尤其是兒童好奇心強(qiáng)，認(rèn)知能力不足，更易受到光輻射的傷害，因此，國(guó)外將激光輻射測(cè)試作為監(jiān)視玩具質(zhì)量的主要項(xiàng)目之一。我國(guó)出口玩具制品因LED光輻射或激光器輻射超標(biāo)，被國(guó)外頻繁召回，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近3年間，我國(guó)遭國(guó)外通報(bào)或召回的問(wèn)題激光玩具已達(dá)百余批，且該數(shù)據(jù)呈連年上升態(tài)勢(shì)。因此有必要認(rèn)真研究LED玩具光輻射的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法，幫助我國(guó)玩具產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)擺脫困境，同時(shí)有助于我國(guó)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在這一檢測(cè)領(lǐng)域獲得話語(yǔ)權(quán)。

激光產(chǎn)品的測(cè)試比較復(fù)雜，如波長(zhǎng)測(cè)量、光源能量分布、尺寸測(cè)量和空間距離等的測(cè)量方法不同，都會(huì)使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同一產(chǎn)品在不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的報(bào)告中，光輻射能量測(cè)量值平均相差達(dá)到30%以上。筆者曾組織十家國(guó)內(nèi)外知名檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行IEC 60825-1和GB 7247.1（《激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類(lèi)、要求》，以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)）的光輻射能量比對(duì)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一款玩具產(chǎn)品，數(shù)據(jù)差異很大，其中波長(zhǎng)測(cè)量值最大相差4%，光輻射能量測(cè)量值最大相差170%，而且還有兩家檢測(cè)機(jī)構(gòu)將樣品判為“不合格”。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步調(diào)研，了解到由于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)并沒(méi)有明確統(tǒng)一的規(guī)定，各檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)設(shè)備或裝置以及檢測(cè)方法存在很大差異，因此導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果相差很大。由此推想，我國(guó)出口LED玩具召回事件頻發(fā)，在很大程度上與此有關(guān)。

本項(xiàng)目通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，深入研究了影響檢測(cè)結(jié)果的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)及目前存在的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案，旨在完善玩具LED光輻射能量的測(cè)試方法，推動(dòng)玩具LED光輻射測(cè)試方法和系統(tǒng)的統(tǒng)一，以突破國(guó)外技術(shù)封鎖，扭轉(zhuǎn)我國(guó)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在玩具光輻射召回問(wèn)題上的被動(dòng)地位。

2 LED光輻射測(cè)試原理

2.1LED光輻射測(cè)試方法

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)光二極管光輻射測(cè)試的主要步驟為：①用成像裝置測(cè)量發(fā)光二極管表觀光源尺寸；②計(jì)算表觀光源的對(duì)向角α；③根據(jù)對(duì)向角調(diào)節(jié)表觀光源和7 mm孔徑光闌之間的距離r；④用光功率計(jì)測(cè)量通過(guò)7 mm孔徑光闌的輻射［1］。測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　LED光輻射測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2LED光輻射測(cè)試主要參數(shù)

（1）表觀光源尺寸

當(dāng)光源發(fā)射平行光束時(shí)，直接測(cè)量光束照射在探測(cè)器上的光斑尺寸，即得到表觀光源尺寸；當(dāng)光源發(fā)射高度發(fā)散光束時(shí)，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像測(cè)量表觀光源在探測(cè)器上的光斑尺寸，再根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率，計(jì)算得出表觀光源尺寸。

（2）表觀光源對(duì)向角α

α是一個(gè)計(jì)算值，大小由表觀光源的大小決定。α的大小在整個(gè)測(cè)試的環(huán)節(jié)中，僅充當(dāng)過(guò)渡值。

（3）測(cè)量距離r

在測(cè)試方法中，r也是一個(gè)計(jì)算值，但不同于α，它在計(jì)算得出后，需要測(cè)試人員準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

（4）波長(zhǎng)λ

在測(cè)試過(guò)程中，λ也是一個(gè)測(cè)量值。在標(biāo)準(zhǔn)中要求玩具中使用的LED為I類(lèi)，因此在判定所使用的LED是否適合時(shí)，必須把LED的光輻射能量與I類(lèi)激光的可達(dá)發(fā)射極限（AEL）作對(duì)比。在標(biāo)準(zhǔn)中，AEL的大小與光的λ大小有關(guān)；同時(shí)光功率計(jì)對(duì)λ敏感。

（5）光功率大小

整個(gè)測(cè)試過(guò)程測(cè)試的最后需求值是光功率，直接使用光功率計(jì)測(cè)量。

從上述測(cè)試方法可以看出，發(fā)光二極管表觀光源尺寸、λ和光功率對(duì)檢測(cè)結(jié)果至關(guān)重要。

3 測(cè)試中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

3.1表觀光源尺寸

表觀光源尺寸決定了α和r的大小，在測(cè)試中是至關(guān)重要的參數(shù)之一，主要是通過(guò)測(cè)量成像后的光斑尺寸得到。目前比較常見(jiàn)的測(cè)量方法有以下三種：

（1）對(duì)于能量是高斯分布的光斑，測(cè)試時(shí)，測(cè)試光斑能量的63%處作為光斑的直徑，測(cè)試光源大??；

（2）光斑呈現(xiàn)清晰管芯形狀，以光斑中的管芯尺寸作為光斑直徑；

（3）光斑呈現(xiàn)清晰管芯形狀，以光斑外徑作為光斑直徑。

3.1.1光斑能量高斯分布

能量按高斯分布的光斑如圖2所示，其光斑直徑是按測(cè)量光斑能量的63%處確定。表1是一組白光LED玩具光斑大小的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2　能量為高斯分布的光斑

表1　白光LED的光斑測(cè)試數(shù)據(jù)

光斑直徑X的算術(shù)平均值為：

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

由式（1）看出，這種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性和重現(xiàn)性較好。

3.1.2光斑呈現(xiàn)清晰管芯形狀

光斑呈現(xiàn)清晰管芯形狀，如圖3所示。圖中，圓形光斑中間的正方形為該LED的管芯。不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)在測(cè)試時(shí)，有的選擇測(cè)量該正方形管芯的邊長(zhǎng)，而有的則選擇光斑外徑作為表觀光源尺寸。

圖3　管芯清晰可見(jiàn)的光斑

選取一帶紅色LED的玩具飛機(jī)樣品，使用上述兩種測(cè)試方法測(cè)試其表觀光源尺寸，進(jìn)而測(cè)量其光輻射功率，得出一組管芯邊長(zhǎng)和光斑外徑的測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2　紅色LED光斑尺寸及光輻射功率測(cè)試數(shù)據(jù)

管芯邊長(zhǎng)和光斑外徑的算術(shù)平均值分別如下：

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為：

從式（2）及式（3）看出，當(dāng)LED光源的光斑為明顯管芯狀時(shí)，不同測(cè)試方法得到的光斑尺寸相差很大；而式（4）及式（5）表明，即使是相同的測(cè)試方法，同一組數(shù)據(jù)間的測(cè)量值偏差也比較大。

進(jìn)而對(duì)比管芯邊長(zhǎng)和光斑外徑測(cè)試的功率進(jìn)行分析，可以看出管芯邊長(zhǎng)測(cè)試對(duì)應(yīng)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光斑外徑測(cè)試對(duì)應(yīng)的功率，相差達(dá)4倍之多：由數(shù)據(jù)得出管芯邊長(zhǎng)測(cè)試方法測(cè)出的光源大小平均值為1.18 mm，對(duì)應(yīng)的功率平均為223.44 μw；外徑測(cè)試方法測(cè)出的光源大小平均值為3.10mm，對(duì)應(yīng)的平均功率僅為57.56 μw?？梢?jiàn)，LED光源尺寸測(cè)試方法不同，以光斑中的管芯邊長(zhǎng)和光斑外徑作為光源大小，兩者得出的數(shù)據(jù)相差很大。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)“最不利情況”的規(guī)定，結(jié)合LED玩具的實(shí)際使用情況和它可能產(chǎn)生的危害，筆者認(rèn)為對(duì)于光斑呈現(xiàn)清晰管芯形狀的LED，應(yīng)選取光斑中的管芯尺寸作為光斑直徑來(lái)確定表觀光源尺寸；而對(duì)于能量呈高斯分布的光斑，則不存在測(cè)試方法方面的歧義。

3.2測(cè)試距離r

為了確定r對(duì)LED光輻射功率測(cè)試結(jié)果的影響，本文選取了分別帶有藍(lán)色、紅色、綠色和白色LED的4組樣品進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試中，用穩(wěn)壓電源對(duì)玩具LED進(jìn)行最大工作電壓的持續(xù)穩(wěn)定供電，r按一定的步長(zhǎng)逐漸減少，記錄讀取的光功率數(shù)據(jù)。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同測(cè)試距離下光輻射功率測(cè)試數(shù)據(jù)

表3顯示，隨著r逐漸減小，LED光輻射功率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，r對(duì)激光產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)影響也較大。所以在激光產(chǎn)品測(cè)試中，只有準(zhǔn)確確定r才能得到相對(duì)真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。

在前文曾介紹，r是根據(jù)表觀光源尺寸推算出來(lái)的，由此更進(jìn)一步看出，光源尺寸測(cè)試方法不同，對(duì)LED激光輻射能量大小結(jié)果的影響很大。所以在做LED相關(guān)測(cè)試時(shí)，必須選用統(tǒng)一的測(cè)試方法才能保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性和重現(xiàn)性。

3.3樣品的供電電源電壓

眾所周知，依靠電池供電的玩具產(chǎn)品，其工作電壓會(huì)隨著電池的使用而出現(xiàn)下降。為了表明工作電壓對(duì)不同LED的波長(zhǎng)和光輻射能量的影響，特進(jìn)行如下試驗(yàn)：選取分別帶有綠色、紅色和藍(lán)色LED的3個(gè)玩具作為樣品，使用直流穩(wěn)壓電源對(duì)玩具進(jìn)行供電，調(diào)整供電電壓，記錄LED工作電壓、LED波長(zhǎng)以及光輻射能量功率的變化。

按照玩具說(shuō)明書(shū)，裝入3節(jié)LR6新電池，讓玩具正常運(yùn)行，測(cè)得玩具電源兩端工作電壓在4.75V左右。測(cè)試中，用穩(wěn)壓電源對(duì)玩具進(jìn)行供電，從4.8V開(kāi)始，步長(zhǎng)為0.2V，逐漸減少電源輸入電壓，直至減少到3V，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同電源輸入電壓對(duì)LED工作電壓、波長(zhǎng)和光輻射功率的影響

表4顯示，隨著LED兩端輸入電壓的逐漸增加，LED光輻射波長(zhǎng)的測(cè)量值也發(fā)生了變化，不同顏色LED的變化程度不盡相同，偏離工作電壓范圍較小時(shí)波長(zhǎng)變化趨于穩(wěn)定態(tài)，所以不同的LED電壓輸入可能會(huì)對(duì)激光產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響；就LED光輻射功率而言，隨著LED輸入電壓的逐漸降低，LED光輻射功率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。可見(jiàn)LED輸入電壓不同，同一款激光產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)也會(huì)差別較大。從理論分析來(lái)看，根據(jù)公式E=hv= hc/λ（E為能量，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長(zhǎng)），激光能量與波長(zhǎng)成反比。上述幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與這一公式基本吻合。

由此可見(jiàn)，激光玩具的供電電壓對(duì)其光輻射能量的測(cè)試數(shù)據(jù)有著至關(guān)重要的影響。要想實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的良好重現(xiàn)性，必須對(duì)檢測(cè)中激光玩具的工作電壓進(jìn)行明確規(guī)定，以保證各檢測(cè)機(jī)構(gòu)之間測(cè)試方法的一致性。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定樣品應(yīng)在“可達(dá)發(fā)射水平達(dá)到最大的情況下和過(guò)程中”進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)這一測(cè)試宗旨，本文認(rèn)為，在測(cè)試中不應(yīng)直接使用電池作為激光玩具的供電電源，而是應(yīng)按玩具實(shí)際應(yīng)用情況，通過(guò)性能良好的全新電池確定LED的供電電壓，再用穩(wěn)壓電源為玩具供電進(jìn)行激光能量的測(cè)試，以保證在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，激光的輻射能量保持在最大發(fā)射水平。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，玩具LED光輻射測(cè)量中，表觀光源尺寸和LED供電電壓對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響至關(guān)重要。而由于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)試方法的規(guī)定并不明確，如光斑尺寸如何確定、LED供電電壓如何選擇等，造成各檢測(cè)機(jī)構(gòu)在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，存在差異，不但影響的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，也為L(zhǎng)ED玩具的生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了困擾和損失。在仔細(xì)研讀標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目提出了應(yīng)從“可達(dá)發(fā)射水平達(dá)到最大”的角度出發(fā)，在確定和選擇測(cè)量參數(shù)時(shí)，盡可能考慮最不利情況，即在計(jì)算表觀光源尺寸時(shí)，以光斑中管芯尺寸作為計(jì)算依據(jù)；在確定LED供電電壓時(shí)，以其最大工作電壓作為其持續(xù)供電，直至整個(gè)檢測(cè)過(guò)程結(jié)束。

［1］GB 7247.1激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類(lèi)、要求［S］.

Influence of Key Parameters on Testing Results of LED Radiation in Toys

Liang Chengbo，Zhou Haibo，Wang Gang，Xie Jinxiong，Zhang Dong
（Shenzhen Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shenzhen，Guangdong，518045）

Due to the complexity of testing for radiation test of LED in toys and the discrepancy in testing methods among different laboratories，the test results vary greatly.Based on theoretical analysis and a large number of experimental data，the influences of key parameters on testing results were studied and appropriate testing approach was proposed.

Toy；LED；Laser；Light Emitting Diode；Light Radiation

O432.1；TS958.2+8

E-mail：szliangbo@139.com

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012IK129，2014IK203）

2014-12-25