Sicherheit

Grundlagen

Infrarotstrahlung (IR) wird in Eye-Tracking-Systemen häufig eingesetzt, um das Auge zu beleuchten, ohne für das menschliche Auge sichtbar zu sein. IR-Strahlung ist zwar ein natürlicher Bestandteil unserer Umgebung (ca. 50 % der Sonnenstrahlung ist infrarot), längere oder übermäßige Exposition kann jedoch schädlich sein, insbesondere für empfindliche Bereiche wie die Augen.

Um eine sichere Nutzung zu gewährleisten, wurden Richtlinien mit Expositionsgrenzwerten festgelegt, die unter anderem den betroffenen Körperbereich (z. B. Auge, Haut), die Wellenlänge der Strahlung und die Expositionsdauer berücksichtigen. Meine Sicherheitsbewertung stützt sich hauptsächlich auf zwei maßgebliche Quellen:

Die ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) ist eine unabhängige Organisation, die wissenschaftlich fundierte Richtlinien zu den gesundheitlichen Auswirkungen nichtionisierender Strahlung, einschließlich Infrarot, bereitstellt. Ihre Expositionsgrenzwerte sind international anerkannt und weit verbreitet.

EN 62471 ist eine europäische Norm, die detaillierte Kriterien zur Bewertung der photobiologischen Sicherheit optischer Strahlungsquellen festlegt. Sie definiert Expositionsschwellenwerte zur Vermeidung thermischer und photochemischer Schäden an Augen und Haut.

Diese Quellen bilden die Grundlage meiner Berechnungen, Designentscheidungen und Sicherheitsvorkehrungen, die darauf ausgelegt sind, die IR-Exposition des Systems deutlich unter den geltenden Expositionsgrenzwerten zu halten. Da Inhalt und Grenzwerte beider Referenzen im Wesentlichen identisch sind, wird im Folgenden nur die Norm EN 62471 im Detail erläutert. Die ICNIRP-Quellen werden ohne weitere Ausführung zitiert.

EN 62471

EN 62471 bewertet photobiologische Gefährdungen durch optische Strahlung im Bereich von 200-3000 nm. Im Kontext dieses Projekts ist die kontinuierliche Infrarotexposition bei etwa 860 nm über mehr als 10 Sekunden relevant, insbesondere hinsichtlich thermischer Gefährdung der Netzhaut, thermischer Effekte auf die Linse und thermischer Schädigung der Haut.

Grenzwerte für die Infrarotstrahlungsexposition des Auges

IR-Strahlung kann von den äußeren und inneren Strukturen des Auges absorbiert werden, einschließlich Hornhaut und Linse, was zu lokaler Erwärmung führt. Da IR-Strahlung unsichtbar ist und keine natürlichen Schutzreflexe auslöst, ist das Auge besonders anfällig für unbeabsichtigte Überexposition. Für Expositionsdauern über 1000 Sekunden legt EN 62471 strenge Bestrahlungsstärkegrenzwerte fest, um akute thermische Schäden und langfristige degenerative Effekte wie Kataraktogenese zu verhindern:

To avoid thermal injury of the cornea and possible delayed effects upon the lens of the eye (cataractogenesis), ocular exposure to infrared radiation, \(E_{IR}\), over the wavelength range 780 nm to 3000 nm, for times greater than 1000 s, shall not exceed [EN 62471 4.3.7]:

$$E_{IR} = \sum_{780}^{3000} E_{\lambda} \times \Delta \lambda \leq 100 \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2}\right] \quad \text{for } (t > 1000 \text{ s})$$$$E_{IR} \leq 100 \frac{\text{W}}{\text{m}^2} = 10 \frac{\text{mW}}{\text{cm}^2} \quad \text{for } (t > 1000 \text{ s})$$

Where:

• \(E_{\lambda}\) is the spectral irradiance,
• \(\Delta \lambda\) is the bandwidth,
• \(t\) is the exposure duration,
• \(E_{IR}\) is the infrared irradiance (total IR radiation power per unit area over the wavelength range 780-3000 nm).

Thermischer Netzhautgefährdungs-Expositionsgrenzwert (schwacher visueller Reiz)

Anders als die allgemeinen Strahlungsgrenzwerte, die sich hauptsächlich auf thermische Effekte an den vorderen Augenabschnitten beziehen, konzentriert sich der thermische Netzhautgefährdungs-Expositionsgrenzwert auf das Risiko einer Schädigung der Netzhaut durch Infrarotstrahlung. Auch wenn der visuelle Reiz schwach oder kaum wahrnehmbar ist, kann die Strahlung auf der Netzhaut gebündelt werden und dort lokale Erwärmung sowie potenzielle Verletzungen verursachen. Da die Netzhaut besonders empfindlich auf Temperaturerhöhungen reagiert, legt EN 62471 für kurze Expositionsdauern strenge Grenzwerte fest, um die Netzhautzellen vor irreversiblen thermischen Schäden zu schützen.

For an infrared heat lamp or any near-infrared source where a weak visual stimulus is inadequate to activate the aversion response; the near infrared (780 nm to 1400 nm) radiance, \(L_{IR}\), as viewed by the eye for exposure times greater than 10 s shall be limited to [EN 62471 4.3.6]:

$$L_{IR} = \sum_{780}^{1400} L_{\lambda} \times R(\lambda) \times \Delta \lambda \leq \frac{6000}{\alpha} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right] \quad \text{for } (t > 10 \text{ s})$$

Where:

• \(L\) is the spectral radiance,
• \(R(\lambda)\) is the burn hazard weighting function,
• \(\Delta \lambda\) is the bandwidth in nm,
• \(t\) is the exposure time in seconds,
• \(\alpha\) is the angular subtense in radians.

Thermischer Gefährdungs-Expositionsgrenzwert für die Haut

Neben der Augensicherheit befasst sich EN 62471 auch mit dem Risiko thermischer Hautschäden durch längere Infrarotexposition. Da die Haut IR-Strahlung großflächig absorbieren kann, kann übermäßige Exposition zu Oberflächenerwärmung, Verbrennungen oder langfristigen Gewebeschäden führen. Allerdings merkt die Norm an, dass bei Expositionsdauern über 10 Sekunden bei größeren Flächen der Schmerz typischerweise vor einer tatsächlichen Gewebeschädigung wahrgenommen wird. Daher begrenzt die natürliche Abwendungsreaktion des Betroffenen aufgrund des Unbehagens die Exposition in der Regel rechtzeitig, bevor eine Verletzung eintreten kann. Aus diesem Grund werden thermische Gefährdungs-Expositionsgrenzwerte für die Haut hier nicht weiter betrachtet.

[...] exposure limit is based on skin injury due to a rise in tissue temperature and applies only to small area irradiation. Exposure limits for periods greater than 10 s are not provided. Severe pain occurs below the skin temperature required for skin injury, and an individual's exposure normally will be limited for comfort. Large area irradiation and heat stress are not evaluated since this involves consideration of heat exchange between the individual and the environment, physical activity, and various other factors, which cannot be applied in a product safety standard, but must be evaluated by environmental heat-stress criteria. [EN 62471 4.3.8 (Note)]

ICNIRP

Die ICNIRP, International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ist eine unabhängige Organisation, die wissenschaftliche Leitlinien zu den gesundheitlichen Auswirkungen nichtionisierender Strahlung, einschließlich Infrarot, bereitstellt. In ihren Veröffentlichungen von 2006 und 2013 behandelt die ICNIRP Expositionsgrenzwerte und mögliche Gesundheitsauswirkungen. Das Dokument von 2006, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (2006), enthält den relevanten Haut-Expositionsgrenzwert in Formel 4b auf Seite 639 (bzw. Seite 11 des Dokuments). Das Dokument von 2013, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Incoherent Visible and Infrared Radiation (2013), enthält einen aktualisierten Grenzwert in Formel 21 auf Seite 88 (bzw. Seite 18 des Dokuments).

Was „Exempt Group“ bedeutet

IEC 62471 (EN 62471) definiert vier photobiologische Risikogruppen, geordnet vom niedrigsten zum höchsten Risiko: Exempt (Freie Gruppe), Risikogruppe 1 (geringes Risiko), Risikogruppe 2 (mittleres Risiko) und Risikogruppe 3 (hohes Risiko). Eine nach IEC 62471 in die Exempt Group eingestufte Quelle liegt in der niedrigsten von der Norm definierten Risikokategorie. Diese Einstufung stellt keine Garantie für Sicherheit unter allen denkbaren realen Nutzungsbedingungen dar. Beachte daher immer die Sicherheitshinweise im Tab Überblick.

Der FFVR-INDEX-V2 wurde für jede bewertete Gefährdungskategorie in die Exempt Group eingestuft — für beide getesteten Module.

Was getestet wurde

• Gerät: Eye & Face Tracking Kit für die Valve Index, Modell FFVR-INDEX-V2
• Bewertete Komponenten: das Eye-Modul und das Face-Modul. Beide Eye-Module (links und rechts) sind baugleich und werden von derselben Schaltung angesteuert; der Bericht bewertet das Eye-Modul-Design.
• Emissionsmodus: kontinuierlich (nicht gepulst)

Wie getestet wurde

• Norm: EN 62471:2008, Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen
• Labor: Shenzhen Southern LCS Compliance Testing Co., Ltd.
• Testdatum: 16. April 2026 (Bericht ausgestellt am 17. April 2026)
• Betriebsbedingungen: DC-5-V-Versorgung, Umgebungstemperatur 25 ± 1 °C, stabil
• Messsystem: EVERFINE OST-300, Messsystem für optische Strahlungssicherheit
• Berichtsnummer: LCSB03236073S

Gemessene Emissionen vs. EN 62471 Expositionsgrenzwerte

Die folgenden Tabellen zeigen die im Prüfbericht dokumentierten Werte neben den jeweils geltenden Exempt-Group-Grenzwerten. Die gemessenen Werte liegen unter den im genannten Bericht beschriebenen Testbedingungen innerhalb der geltenden Grenzwerte. Dabei bezeichnet α den Seh-Raumwinkel der Quelle in Radiant, wie er in EN 62471 je Gefährdungskategorie definiert ist.

Eye-Modul

Face-Modul

Prüfbericht herunterladen (PDF, 18 Seiten) →

Zur Begrenzung der Infrarotemissionen wird der LED-Strom durch drei unabhängige Mechanismen in Hardware und Software begrenzt — so ausgelegt, dass die Strombegrenzung nicht allein von der Software abhängt.

Zusätzlich würde ein deutlicher Anstieg der IR-Leistung in der Praxis normalerweise sichtbar werden: Eine Überbelichtung in der Eye-Tracking-Anwendung führt zu einem ausgewaschenen oder unbrauchbaren Bild und zeigt damit an, dass etwas nicht stimmt.

Augensicherheitsmaßnahmen

Die Hardware verfügt über drei unabhängige Sicherheitsmechanismen, die den Strom und damit die LED-Ausgangsleistung begrenzen:

Softwarebasierte Strombegrenzung
Der LED-Strom ist per Software einstellbar und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Helligkeit. In der Firmware ist ein Maximalwert hinterlegt, der die LEDs unter normalen Bedingungen im vorgesehenen Betriebsbereich hält.

Hardwarebegrenzung über den AW9967DNR-LED-Treiber
Der LED-Treiber (AW9967DNR) besitzt einen integrierten Strombegrenzer, der pro Ausgangskanal ein festes Maximum setzt. Dieser Hardware-Schutzmechanismus ist darauf ausgelegt, den Strom auch bei Softwarefehlern oder Fehlfunktionen unterhalb vordefinierter Werte zu halten.

Polyfuse-Schutz (10 mA pro Eye-Modul)
Jedes Eye-Modul ist durch eine eigene Polyfuse geschützt, die bei etwa 10 mA auslöst. Falls die Hardware-Strombegrenzung aus irgendeinem Grund versagt, begrenzt die Polyfuse den Strom, indem sie ihren Widerstand deutlich erhöht. Sobald wieder normale Bedingungen herrschen, setzt sich die Sicherung automatisch zurück.