玩具LED光辐射测试中关键参数对检测结果的影响

梁澄波 周海波 王刚 谢晋雄 张栋

（深圳出入境检验检疫局 广东深圳 518045）

玩具LED光辐射测试中关键参数对检测结果的影响

梁澄波 周海波 王刚 谢晋雄 张栋

（深圳出入境检验检疫局 广东深圳 518045）

玩具LED光辐射测试复杂性高，各检测机构间的测试方法存在差异，导致产品测试结果数据相差很大。本文在理论分析和大量实验数据的基础上，研究了试验过程中关键参数对光辐射测量结果的影响，并提出了测试方案。

玩具；LED；激光；发光二极管；光辐射

1 前言

发光二极管（LED）具有体积小、寿命长、亮度高、热量低等优点，因而近年来被大量应用在玩具产品中，据统计，市场上90%的光电玩具使用了LED。但是，LED光辐射对人眼的伤害不容小觑，它甚至可能对人眼造成永久性损害，尤其是儿童好奇心强，认知能力不足，更易受到光辐射的伤害，因此，国外将激光辐射测试作为监视玩具质量的主要项目之一。我国出口玩具制品因LED光辐射或激光器辐射超标，被国外频繁召回，据不完全统计，近3年间，我国遭国外通报或召回的问题激光玩具已达百余批，且该数据呈连年上升态势。因此有必要认真研究LED玩具光辐射的测试标准及测试方法，帮助我国玩具产品生产企业摆脱困境，同时有助于我国检测机构在这一检测领域获得话语权。

激光产品的测试比较复杂，如波长测量、光源能量分布、尺寸测量和空间距离等的测量方法不同，都会使测试结果产生差异。据统计，同一产品在不同检测机构出具的报告中，光辐射能量测量值平均相差达到30%以上。笔者曾组织十家国内外知名检测机构进行IEC 60825-1和GB 7247.1（《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》，以下简称标准）的光辐射能量比对试验，发现对于同一款玩具产品，数据差异很大，其中波长测量值最大相差4%，光辐射能量测量值最大相差170%，而且还有两家检测机构将样品判为“不合格”。经过进一步调研，了解到由于标准对检测的几个关键环节并没有明确统一的规定，各检测机构的检测设备或装置以及检测方法存在很大差异，因此导致检测结果相差很大。由此推想，我国出口LED玩具召回事件频发，在很大程度上与此有关。

本项目通过理论分析和实验数据验证，深入研究了影响检测结果的几个关键参数及目前存在的问题，并提出了相应的解决方案，旨在完善玩具LED光辐射能量的测试方法，推动玩具LED光辐射测试方法和系统的统一，以突破国外技术封锁，扭转我国检测机构在玩具光辐射召回问题上的被动地位。

2 LED光辐射测试原理

2.1LED光辐射测试方法

标准规定，发光二极管光辐射测试的主要步骤为：①用成像装置测量发光二极管表观光源尺寸；②计算表观光源的对向角α；③根据对向角调节表观光源和7 mm孔径光阑之间的距离r；④用光功率计测量通过7 mm孔径光阑的辐射［1］。测试系统示意图见图1。

图1　LED光辐射测试系统示意图

2.2LED光辐射测试主要参数

（1）表观光源尺寸

当光源发射平行光束时，直接测量光束照射在探测器上的光斑尺寸，即得到表观光源尺寸；当光源发射高度发散光束时，通过光学系统成像测量表观光源在探测器上的光斑尺寸，再根据光学系统的放大倍率，计算得出表观光源尺寸。

（2）表观光源对向角α

α是一个计算值，大小由表观光源的大小决定。α的大小在整个测试的环节中，仅充当过渡值。

（3）测量距离r

在测试方法中，r也是一个计算值，但不同于α，它在计算得出后，需要测试人员准确调节。

（4）波长λ

在测试过程中，λ也是一个测量值。在标准中要求玩具中使用的LED为I类，因此在判定所使用的LED是否适合时，必须把LED的光辐射能量与I类激光的可达发射极限（AEL）作对比。在标准中，AEL的大小与光的λ大小有关；同时光功率计对λ敏感。

（5）光功率大小

整个测试过程测试的最后需求值是光功率，直接使用光功率计测量。

从上述测试方法可以看出，发光二极管表观光源尺寸、λ和光功率对检测结果至关重要。

3 测试中的关键参数对测试结果的影响

3.1表观光源尺寸

表观光源尺寸决定了α和r的大小，在测试中是至关重要的参数之一，主要是通过测量成像后的光斑尺寸得到。目前比较常见的测量方法有以下三种：

（1）对于能量是高斯分布的光斑，测试时，测试光斑能量的63%处作为光斑的直径，测试光源大小；

（2）光斑呈现清晰管芯形状，以光斑中的管芯尺寸作为光斑直径；

（3）光斑呈现清晰管芯形状，以光斑外径作为光斑直径。

3.1.1光斑能量高斯分布

能量按高斯分布的光斑如图2所示，其光斑直径是按测量光斑能量的63%处确定。表1是一组白光LED玩具光斑大小的测试数据。

图2　能量为高斯分布的光斑

表1　白光LED的光斑测试数据

光斑直径X的算术平均值为：

实验标准偏差为：

由式（1）看出，这种方法的测试数据的一致性和重现性较好。

3.1.2光斑呈现清晰管芯形状

光斑呈现清晰管芯形状，如图3所示。图中，圆形光斑中间的正方形为该LED的管芯。不同检测机构在测试时，有的选择测量该正方形管芯的边长，而有的则选择光斑外径作为表观光源尺寸。

图3　管芯清晰可见的光斑

选取一带红色LED的玩具飞机样品，使用上述两种测试方法测试其表观光源尺寸，进而测量其光辐射功率，得出一组管芯边长和光斑外径的测试数据，见表2。

表2　红色LED光斑尺寸及光辐射功率测试数据

管芯边长和光斑外径的算术平均值分别如下：

实验标准偏差分别为：

从式（2）及式（3）看出，当LED光源的光斑为明显管芯状时，不同测试方法得到的光斑尺寸相差很大；而式（4）及式（5）表明，即使是相同的测试方法，同一组数据间的测量值偏差也比较大。

进而对比管芯边长和光斑外径测试的功率进行分析，可以看出管芯边长测试对应的功率远远大于光斑外径测试对应的功率，相差达4倍之多：由数据得出管芯边长测试方法测出的光源大小平均值为1.18 mm，对应的功率平均为223.44 μw；外径测试方法测出的光源大小平均值为3.10mm，对应的平均功率仅为57.56 μw。可见，LED光源尺寸测试方法不同，以光斑中的管芯边长和光斑外径作为光源大小，两者得出的数据相差很大。

根据标准中对“最不利情况”的规定，结合LED玩具的实际使用情况和它可能产生的危害，笔者认为对于光斑呈现清晰管芯形状的LED，应选取光斑中的管芯尺寸作为光斑直径来确定表观光源尺寸；而对于能量呈高斯分布的光斑，则不存在测试方法方面的歧义。

3.2测试距离r

为了确定r对LED光辐射功率测试结果的影响，本文选取了分别带有蓝色、红色、绿色和白色LED的4组样品进行试验。测试中，用稳压电源对玩具LED进行最大工作电压的持续稳定供电，r按一定的步长逐渐减少，记录读取的光功率数据。结果见表3。

表3　不同测试距离下光辐射功率测试数据

表3显示，随着r逐渐减小，LED光辐射功率呈现上升趋势，r对激光产品测试结果数据影响也较大。所以在激光产品测试中，只有准确确定r才能得到相对真实的测量结果。

在前文曾介绍，r是根据表观光源尺寸推算出来的，由此更进一步看出，光源尺寸测试方法不同，对LED激光辐射能量大小结果的影响很大。所以在做LED相关测试时，必须选用统一的测试方法才能保证检测数据的一致性和重现性。

3.3样品的供电电源电压

众所周知，依靠电池供电的玩具产品，其工作电压会随着电池的使用而出现下降。为了表明工作电压对不同LED的波长和光辐射能量的影响，特进行如下试验：选取分别带有绿色、红色和蓝色LED的3个玩具作为样品，使用直流稳压电源对玩具进行供电，调整供电电压，记录LED工作电压、LED波长以及光辐射能量功率的变化。

按照玩具说明书，装入3节LR6新电池，让玩具正常运行，测得玩具电源两端工作电压在4.75V左右。测试中，用稳压电源对玩具进行供电，从4.8V开始，步长为0.2V，逐渐减少电源输入电压，直至减少到3V，记录测试数据。结果见表4。

表4　不同电源输入电压对LED工作电压、波长和光辐射功率的影响

表4显示，随着LED两端输入电压的逐渐增加，LED光辐射波长的测量值也发生了变化，不同颜色LED的变化程度不尽相同，偏离工作电压范围较小时波长变化趋于稳定态，所以不同的LED电压输入可能会对激光产品测试结果数据产生一定影响；就LED光辐射功率而言，随着LED输入电压的逐渐降低，LED光辐射功率也呈现下降趋势。可见LED输入电压不同，同一款激光产品测试结果数据也会差别较大。从理论分析来看，根据公式E=hv= hc/λ（E为能量，h为普朗克常数，c为光速，λ为波长），激光能量与波长成反比。上述几组试验数据与这一公式基本吻合。

由此可见，激光玩具的供电电压对其光辐射能量的测试数据有着至关重要的影响。要想实现测试数据的良好重现性，必须对检测中激光玩具的工作电压进行明确规定，以保证各检测机构之间测试方法的一致性。

标准规定样品应在“可达发射水平达到最大的情况下和过程中”进行试验。根据这一测试宗旨，本文认为，在测试中不应直接使用电池作为激光玩具的供电电源，而是应按玩具实际应用情况，通过性能良好的全新电池确定LED的供电电压，再用稳压电源为玩具供电进行激光能量的测试，以保证在整个测试过程中，激光的辐射能量保持在最大发射水平。

4 结论

本项目通过大量实验数据表明，玩具LED光辐射测量中，表观光源尺寸和LED供电电压对测试数据的影响至关重要。而由于标准中对测试方法的规定并不明确，如光斑尺寸如何确定、LED供电电压如何选择等，造成各检测机构在执行标准的过程中，存在差异，不但影响的检测结果的准确性，也为LED玩具的生产企业带来了困扰和损失。在仔细研读标准的基础上，本项目提出了应从“可达发射水平达到最大”的角度出发，在确定和选择测量参数时，尽可能考虑最不利情况，即在计算表观光源尺寸时，以光斑中管芯尺寸作为计算依据；在确定LED供电电压时，以其最大工作电压作为其持续供电，直至整个检测过程结束。

［1］GB 7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类、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

国家质检总局科技计划项目（2012IK129，2014IK203）

2014-12-25