光源安全：探索人眼安全标准

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作者 - 云中君

本期核心关键词 - 人眼安全

大家平均每天的手机使用时长有多久？是四个小时、六个小时还是更多？如果你是公司职员，是否需要天天待在电脑桌前？如果你是学生，是否需要利用手机或电脑上网课？那么，大家是否曾经考虑过，长时间地暴露在各种光源之下，会对我们的眼睛造成怎么样的伤害？

目前市面上的光源产品主要分为两种，一种是LED（发光二极管），具有体积小、寿命长、效率高等优点；另一种是LD（激光二极管，主要分为VCSEL和EEL），本篇主要介绍结构光和TOF的主流光源，即VCSEL，中文叫垂直腔面发射激光器，是一种半导体激光器，相较于LED，它的光束更为集中，效率更高。以手机为例，手机常以LED作为背光光源，以VCSEL作为面部识别光源。而说到面部识别，则不得不提到的就是Face ID。

Face ID是苹果公司在2017年引入的一项创新技术，用于解锁设备、进行身份验证以及安全支付。作为iPhone和iPad等设备的一部分，Face ID利用面部识别技术，对用户的面部特征进行扫描和分析，从而实现安全且便捷的身份验证。

Face ID技术中使用的红外光源对人眼的安全性一直是个备受关注的话题。红外光源是面部识别的关键组成部分，它发射红外光以扫描和识别面部特征，然后将其转换成数字信息用于解锁设备或进行身份验证。

作为发射光源的VCSEL在Face ID系统中用于发射940nm的红外光以扫描用户面部，创建一个三维面部模型，并以此进行识别和身份验证。

在使用VCSEL作为光源时，确保其安全性符合国际安全标准是至关重要的。国际电工委员会（IEC）发布的IEC 60825标准规定了VCSEL激光光源的安全标准，包括不同波长、不同辐射时间下对人眼角膜，视网膜以及皮肤的安全限值。

在详细说明安全标准之前，需要明确两个概念，即点光源与扩展光源。点光源是指光线从一个非常小的点或者极小的区域发出的光源。它发出的光线通常是集中于一个极小的区域，光线的方向性很强。扩展光源则通常具有更大的尺寸，发出的光线在多个方向上广泛分布或发散，光线不集中于一个小区域，而是覆盖更广泛的范围。扩展光源在日常生活中十分常见，比如房间里的灯，而相隔较远距离之后，可能会被判断为是点光源，即人与光源的距离可能影响对于光源的类型判断，且二者对于人眼的安全标准并不相同。

我们称从空间某点观察光源的张角为对向角，当对向角小于1.5mrad时，我们认为此光源是点光源，当对向角大于1.5mrad时，则认为此光源是扩展光源。举例来说，人们面前1米的位置有一个光源，如果这个光源直径或者斜边大于1.5mm，则认为它是扩展光源，如果小于1.5mm，则认为它是点光源。照射量为接收到的光功率与接受的面积之比，当照射量不超过其使用标准的最大照射量，即认为对人体是安全的。

VCSEL激光光源主要可能对人眼角膜以及皮肤产生危害。

当光源认为是点光源时，它对人眼角膜的安全标准如下：

可以看到，表中列出了从10^-13s一直到3×10⁴s，基本涵盖了人眼可能所被光线照射的时间。我们不难发现，照射时间越长，最大允许照射量越低，即安全标准越严格，且在超过一定时间之后，最大允许照射量不再变化。波长也会影响其安全标准，可以看到，不同的波长在相同的照射时间内的安全标准完全不同，所以在使用VCSEL激光光源时一定要严格遵守其标准，防止对人体造成损伤。

一般来说，扩展光源的安全标准为点光源的安全标准乘以一个修正因子，这个修正因子与对向角有关。当光源被认为是扩展光源时，它对人眼角膜的安全标准如下：（此表只适用于400nm至1400nm波长范围）

VCSEL激光光源对人体皮肤的安全标准如下：

从表中可以看出，安全标准与修正因子有关，是波长、照射时间与对向角的函数，下图为不同波长下的修正因子，在评估VCSEL激光光源的安全标准时，需严格按照表中所给的不同条件下的修正因子进行评估。

接下来讲一讲LED光源对人眼的安全标准。国际照明委员会（CIE）和国际电工委员会（IEC）发布了灯和灯系统的光生物安全标准IEC62471/CIES009:2006，该标准依据国际非电离辐射委员会的曝辐限值,主要针对照明产品的预期使用（如可达距离、辐照时间和观看方式等）对光辐射波长为200 nm~3000 nm灯和灯系统的光辐射安全等级进行分类。可穿戴光辐射设备与人体近距离甚至直接接触，光辐射的照射方式与照明产品的预期不一样，因此,对可穿戴设备的光辐射安全危险类别的分类和评估方法、防护措施等要求进行重新规定。LED光源的标准主要参考GB/T 41265-2022，对于眼戴设备与皮肤接触设备有不同的标准。下表为眼戴设备与皮肤接触设备的光线发射限值，α为对向角。

对于LED产品来说，只要其发射限值低于豁免类（RG0），则认为它对于人眼是安全的，眼戴设备的安全限值要低于皮肤接触类设备的限值，防止眼睛受到伤害。

那么怎么才能判断买到的产品的光源是否会对眼睛产生伤害呢？首先产品必须通过第三方技术服务机构检测，如TÜV莱茵认证等，以严格按照国际标准对产品进行分类，安全测试质量控制等。另外，用户在使用期间也需要注意保护自己的眼睛，遵循厂家提供的使用指南和注意事项，保持安全距离，避免长时间暴露于光源下，保持良好作息，佩戴防护眼镜，定期检查视力等等，以保护自身眼睛免受潜在的光线损害。对于大功率光源的产品，厂家一定要标明光源危险等标识，用户在使用时也应当佩戴相应的防护产品。

只有在严格遵守安全标准的前提下，不同光源才能在各种应用中发挥它真正的作用。