激光产品人眼安全白皮书

I N C O O P E R A T I O N W I T H 版权声明 本报告版权为德国莱茵TÜV与禾赛科技共同所有，由德国莱茵TÜV及禾赛科技负责发送和提供相关咨询服务。 德国莱茵TÜV与禾赛科技对白皮书拥有唯一著作权。报告有偿提供给限定客户，应限于客户内部使用，仅供客户在分析研究过程中参考。如客户引用报告内容进行对外使用，所产生的误解和诉讼由客户自行负责，本单位不承担责任。如将来用作商业或其他用途，未经本公司同意，不得以任何异于本报告原样之装订或包装形式将本报告出借、转售、出租、或在网上发布。凡使用本报告者均受本条款及本报告一切有关版权之条款约束。 如未获得德国莱茵TÜV与禾赛科技书面允许，不得用任何方式抄袭或翻印本报告任何部分之文字及图片，在任何媒体上（包括互联网）公开引用本报告的数据和观点，否则引起的一切法律后果由该使用者自行承担，同时其行为亦涉嫌侵犯了德国莱茵TÜV与禾赛科技的著作权，德国莱茵TÜV或禾赛科技均有权依法追究其法律责任。 报告的所有图片、表格及文字内容的版权归德国莱茵TÜV及禾赛科技共同所有。其中，部分图表在标注有数据来源的情况下，版权归属原数据所有公司。 凡有侵权行为的个人、法人或其它组织，必须立即停止侵权并对其因侵权造成的一切后果承担全部责任和相应赔偿。否则我们将依据中华人民共和国《著作权法》等相关法律、法规追究其经济和法律责任。 德国莱茵TÜV大中华区禾赛科技 激光产品人眼安全白皮书 第 一 章激 光 为 何 会 影 响 我 们 的 眼 睛 健 康 ？03 031.1了解我们的眼睛041.2人眼可见的光谱041.4激光及激光的特性051.5激光技术的普及和应用 第 二 章激 光 的 安 全 与 防 护06 072.1激光的危害082.2激光的安全等级分类102.3现行全球激光安全标准 第 三 章激 光 制 造 业 人 眼 安 全 解 决 方 案— — 激 光 雷 达 助 力 无 人 驾 驶12 133.1车载激光雷达的发展背景143.2车载激光雷达的优势153.3车载激光雷达的工作原理153.4车载激光雷达的激光安全163.5车载激光雷达未来以及激光安全的相关问题 第 四 章激 光 产 品 人 眼 安 全 标 准 发 展 进 程17 184.1消费者对激光产品的认知和评价194.2为激光制造业构建安全健康的环境194.3德国莱茵TÜV人眼安全认证 前言 激光技术的快速发展和普及给我们的工作和生活带来了很大便利，人脸识别、无人驾驶、激光投影等技术也越来越多地让我们的眼睛暴露在各种激光辐射中。 这些应用的激光安全如果得不到严格控制，会给用户以及带来很严重的安全隐患；与此同时，人脸识别等高频率、低功率、长时间的激光辐射累积所带来的潜在危害还没有得到深入的研究。特别是对于快速增长的近红外激光器的应用，由于发射的激光对人眼不可见，用户对于激光辐射的位置、强度、以及风险并不知情。 该白皮书将会主要以激光雷达为例，系统讲述不可见近红外激光器如何做到人眼安全。 当前的汽车行业正在面临着巨大的历史变革，人工智能、新材料等技术的创新不断推动着汽车行业向电动化、网联化、智能化和共享化的方向发展。汽车自动驾驶技术的实现在减少交通事故、缓解交通拥堵、提高道路及车辆利用率等方面具有巨大的潜能，环境感知系统是自动驾驶技术中基础且至关重要的一环，是安全性和智能性的关键保障。激光雷达使用激光作为测量媒介，在精确高效重建三维环境方面具有无可取代的优势，是自动驾驶环境感知系统的关键部件，被形象地称为自动驾驶车辆的“眼睛”。 德国莱茵TÜV与禾赛科技致力于激光产品安全性及可靠性的研究，从产品设计、失效分析、测试认证以及质量管控等环节出发，满足一系列的标准及法规。我们希望通过《激光产品人眼安全白皮书》能够让激光产品的安全性问题得到更广泛的了解和更多的重视。我们将持续关注国际上激光安全标准的研究进展，在确保产品安全性的前提下，为用户提供性能更强、可靠性更优的创新型产品。 孙恺禾赛科技董事长兼首席科学家 激光产品人眼安全现状调研 激光的应用在过去几年经历了非常快速的发展，从高端的工业加工制造领域，走向了老百姓日常生活的方方面面，将会极大地方便我们的生活，提升我们的生活质量。快速增长的人脸识别，激光雷达等新兴激光应用将使人眼直接接触不可见激光的辐射。 德国莱茵TÜV一直致力于激光产品人眼安全问题的研究，以保障消费者的用眼安全为己任。为此我们做了如下调研，说明消费者对于激光安全的认知状况，作为我们进一步发展激光人眼安全的基础。 第一章激光为何会影响我们的眼睛健康？ 1.1了解我们的眼睛 在人的所有感知中，视觉系统是最主要的信息获取来源。视觉系统由眼睛，视神经以及大脑共同组成： 其中，眼睛是人类视觉系统的最主要组成部分，是自然界中已知的最复杂，最高效的光学器件。人眼类似于一个光学信息处理系统，但它不是一个普通的光学信息处理系统，还受到神经系统的调节。人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面是由角膜、晶状体、前房、后房、玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当于胶卷的用于检测光线的视网膜上。 1.2人眼可见的光谱 1.4激光及激光的特性 据科学研究表明，眼睛的性能与太阳的关系最为密切。事实上，人眼发展成这样一个复杂灵巧、维妙传神的光学系统，是人类在自然选择过程中，漫长进化的一个结果。我们的眼睛能够对于波长范围在380到780纳米之间的可见光波段做出响应，对于其他波长范围的光没有视觉感知，但是，这不代表其他波长的光对于我们的视觉健康没有影响。 激光是受激发射的光放大（英语：Light Amplification byStimulated Emission of Radiation）缩写就是“LASER”。受激发射概念是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1917年发表的论文《关于辐射的量子理论》中提出的；大约10年后，英国著名物理学家、剑桥大学教授保罗·狄拉克首次实验证明受激发射的存在。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。 激光的主要特性有： 高 能 量 由于激光具有高度汇聚的特性，激光具有非常高的能量密度。经过透镜聚焦之后，焦点附近能够形成数千度，甚至上万度的高温，这种特性使得它几乎能加工所有的材料。高度的能量集中是激光非常重要的特性，正是因为这方面的优势，使得其能够广泛应用在工业加工和医疗等领域。 图1.2光谱图 我们眼睛的不同部分会选择性的吸收或透过特定波长的光，同时，不同的光谱对眼睛各个部分的作用和影响也会不同。在我们考虑激光人眼安全的时候，激光的波长范围将会是主要的考虑因素。对于可见光范围内的激光，比如红激光和绿激光，我们的视觉系统能够产生强烈的自然生理响应，从而导致瞳孔缩小，闭合眼睑以及转头等方式快速躲避过强的激光辐射。但是对于不可见激光，如紫外线和近红外激光，由于我们无法产生亮度，色觉等感知，我们的身体无法做出任何响应，如果持续照射的激光强度过大，就会对我们的眼睛产生不可逆的损伤。正因为如此，我们需要特别规范不可见激光的使用以及关注对眼睛的影响。 方 向 性 普通光源发出的光是沿着各个方向进行传播的，发散角很大。相较而言，激光的发散角却很小，几乎是沿着平行方向发射的。激光器发射的光是一种偏振光，方向固定。激光的高方向性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度。 单 色 性 光的颜色是由光的波长决定的，而光都会有一定的波长范围。其波长范围越窄，表现出来的单色性就会越好。对于普通的光源，由于谱线宽度比较大，频率范围过宽，表现出来的颜色就会比较杂。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。 1.3了解我们的眼睛 相 干 性 虽然我们人眼能够适应的亮度范围很大，但是相比激光，我们的眼睛还是非常脆弱。由于眼球结构的特殊性，我们的晶状体能够像凸透镜一样对激光光束产生汇聚作用，因此极大地增大危害。 光波是由无数光量子所组成的，从激光器中发射出来的光量子由于共振原理，在波长、频率、偏振方向上都是一致的，这就使得其具有非常强的干涉力。我们一般也将激光称作相干光。正是因为与普通光源相比，激光的相干性要强得多。 1.5激光技术的普及和应用 军 事 领 域 伴随激光技术的日趋成熟，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，它在军事领域也得到了广泛应用，成为我国国防事业不可或缺的中坚力量。 由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了飞速发展，它使人们获得了空前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。目前激光几乎是无处不在，它已经被广泛应用于生活、生产的方方面面。 其 他 热 门 领 域 近年来，激光技术的应用飞速发展，并逐步从工业领域向民用领域进军。如正在走入家家户户的激光电视，扫地机器人，智能门锁；智能手机人脸识别功能；以及激光雷达，无人机等。如今激光已经随处可见，我们在享受激光技术带来的便利的同时，是否有关注过激光对人眼的安全呢？ 通 讯 领 域 ：光 纤 通 讯 半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中也得到广泛应用。21世纪，随着光纤通信的发展，半导体激光器光作为光纤通信系统中的光源，是整个系统的核心部分，前景广阔。 工 业 领 域 ：激 光 打 印 ， 焊 接 ， 切 割 从1960年第一台红宝石激光器问世以来，到激光技术不断发展的今天，随着激光器和激光应用技术逐步成熟，激光切割、激光打标等激光加工技术在工业领域中有着重要应用。 中国激光产品主要应用于工业加工，占据了40%以上的市场空间。 激光加工作为激光系统最常用的应用，主要技术包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。主要产品则包括各类激光打标机、焊接机、切割机、划片机、雕刻机、热处理机、三维成型机以及毛化机等。这类产品已经或正在进入各工业领域。 信 息 领 域 ：激 光 投 影 ， 灯 光 秀 1970年，世界上第一次舞台激光表演是在慕尼黑的歌剧节上，随后激光秀便成为一种独立的艺术形式，广泛应用于舞台，剧院或是地标性建筑。 近年来，激光投影机正在被各大厂商所重视并且逐步走入影院，办公室及家庭，成为新的关注焦点。 医 疗 半导体激光器体积小、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定等优点，特别适用于医疗设备，其临床应用几乎覆盖了所有其他类型的激光器的应用范围。如低功率810nm近红外半导体激光器，由于该波长的激光穿透能力强，屈光间质对它吸收最少，光斑直径可调范围大，是眼科中最常用的热源，可用于治疗青光眼、硅油注入术后难治性高眼压以及视网膜的光凝和固定等；810nm半导体激光起能够很好被毛囊内黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛的效果；大功率半导体激光器也广泛应用于肿瘤的激光切割、凝固手术。这些都为人类的健康进一步提供了保障。 第二章激光的安全与防护 2.1激光的危害 激 光 的 主 要 危 害 类 型： 当激光照射我们的眼睛时，为了看清楚眼前的人或物，眼睛会不断的调节聚焦焦距而导致更大的危害的可能：我们对看不见的光更不会有闭眼自我保护意识，波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质对其的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力强，强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过屈光介质，聚集于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚集在视网膜上，导致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。这种因为过热而引起的蛋白质凝固、变性是不可逆的损伤。 2.1激光的安全等级分类 为了让使用人员能够很简单的识别激光产品的危险等级，我们可以根据激光产品对人体组织的危害机理以及造成的伤害程度将激光产品进行分类。 激光产品的波长和功率决定了激光对人体不同组织的伤害。波长决定不同人体组织对激光的吸收特性以及危害的机理，功率和能量则会决定激