Biztonság

A biztonság számomra a legfontosabb szempont, de a biztonságos használatért végső soron a felhasználó felel. A FaceFocusVR nem vállal felelősséget a hardver használatából vagy helytelen használatából eredő károkért.

Egyetlen rendszer sem 100%-osan biztonságos. Bár az infravörös sugárzás természetes része környezetünknek (a napfény mintegy 50%-a infravörös), a túlzott expozíció káros lehet.

Soha ne kísérelj meg biztonsággal kapcsolatos alkatrészeket kicserélni, kikapcsolni vagy módosítani.
Figyeld, hogyan érzi magát a szemed használat közben.

Ha szokatlan melegséget vagy kellemetlenséget érzel a szemedben, hagyd abba a használatot. A kamerák jelenléte miatt enyhe melegérzet előfordulhat, de ha a hűtőventilátor megfelelően működik, a szem normálisnak kell hogy érezze magát. Hagyd abba a használatot, ha tapasztalod az alábbiakat:

A szemkövetö kamera képe túlexponáltnak vagy kimosottnak tűnik.
Sötét foltok a látóterében vagy szokatlan vizuális zavarok.
Száraz vagy fáradt szem a VR-használatnál elvárhatónál nagyobb mértékben.

Bizonytalan vagy valami biztonsággal kapcsolatban? Keress meg

Alapvetések és tudományos háttér

Alapok

Az infravörös (IR) sugárzást a szemkövetö rendszerekben általánosan alkalmazzák a szem megvilágítására anélkül, hogy az emberi szem számára látható lenne. Bár az IR sugárzás természetes része környezetünknek (a napsugárzás mintegy 50%-a infravörös), a hosszan tartó vagy túlzott expozíció káros lehet, különösen az olyan érzékeny területeken, mint a szem.

A biztonságos használat érdekében irányelvek lettek kidolgozva, amelyek meghatározzák az expozíciós határértékeket olyan tényezők alapján, mint az érintett testrész (pl. szem, bőr), a sugárzás hullámhossza és az expozíció időtartama. A biztonsági értékelésem elsősorban két mérvadó forrásra épül:

Az ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) egy független szervezet, amely tudományosan megalapozott irányelveket nyújt a nem-ionizáló sugárzás egészségügyi hatásairól, beleértve az infravöröst. Expozíciós határértékeiket nemzetközileg elismerik és alkalmazzák.

Az EN 62471 egy európai szabvány, amely részletes kritériumokat nyújt a lámpák és lámparendszerek fotobiológiai biztonságának értékeléséhez, lefedve az ultraibolya (UV), a látható és az infravörös (IR) sugárzást. Meghatározza az expozíciós küszöbértékeket a szem és a bőr termikus és fotokémiai károsodásának megelőzésére.

Ezek a források képezik számításaim, tervezési döntéseim és biztonsági óvintézkedéseim alapját, biztosítva, hogy a rendszer IR expozíciója jóval a káros szintek alatt maradjon. Mivel mindkét hivatkozás tartalma és határértékei lényegében azonosak, az alábbiakban csak az EN 62471 szabvány kerül részletes ismertetésre. Az ICNIRP források további kifejtés nélkül kerülnek hivatkozásra.

EN 62471

Az EN 62471 a 200-3000 nm tartományban az optikai sugárzás fotobiológiai veszélyeit értékeli. E projekt kontextusában a 860 nm hullámhosszú, 10 másodpercnél hosszabb, folyamatos infravörös expozíció releváns, konkrétan a retina termikus veszélye, a lencse termikus hatásai és a bőr termikus károsodása.

Szem infravörös sugárzási veszély expozíciós határértékek

Az IR sugárzást a szem külső és belső struktúrái elnyelhetik, beleértve a szaruhártyát és a lencsét, ami lokális felmelegedéshez vezet. Mivel az IR sugárzás láthatatlan, és nem vált ki természetes védelmi reflexeket, a szem különösen veszélyeztetett az akaratlan túlexponálásra. Az 1000 másodpercet meghaladó expozíciós időtartamokra az EN 62471 szigorú irradiancia-határértékeket ír elő az akut termikus sérülés megelőzésére és a hosszú távú degeneratív hatások, például a kataraktogenezis minimalizálására:

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).

Retinális termikus veszély expozíciós határérték (gyenge vizuális inger)

Ellentétben az általános sugárzási határértékekkel, amelyek elsősorban a szem elülső részein fellépő termikus hatásokat kezelik, a retinális termikus veszély expozíciós határérték az infravörös sugárzás által a retinán okozott károsodás kockázatára fókuszál. Még ha a vizuális inger gyenge vagy alig észlelhető is, a sugárzás a retinára koncentrálódhat, helyi felmelegedést és potenciális sérülést okozva. Mivel a retina különösen érzékeny a hőmérséklet-emelkedésre, az EN 62471 szigorú expozíciós határértékeket állapít meg rövid időtartamokra a retinasejtek visszafordíthatatlan termikus károsodásának megelőzésére.

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.

Bőr termikus veszély expozíciós határérték

A szem biztonságán túl az EN 62471 a hosszan tartó infravörös sugárzás bőrre gyakorolt termikus sérülési kockázatát is tárgyalja. Mivel a bőr nagy területen nyeli el az IR sugárzást, a túlzott expozíció felszíni felmelegedéshez, égéshez vagy hosszú távú szövetkárosodáshoz vezethet. Azonban a 10 másodpercet meghaladó, nagyobb területre kiterjedő expozíciók esetén a szabvány megjegyzi, hogy a fájdalom jellemzően a tényleges szövetkárosodás előtt jelentkezik. Ennek következtében az egyén természetes, kellemtelenség okozta elkerülő válasza általában jóval a sérülés lehetősége előtt korlátozza az expozíciót. Emiatt a bőr termikus veszély expozíciós határértékei a továbbiakban nem kerülnek tárgyalásra.

[...] 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

Az ICNIRP, a Nemzetközi Nem-Ionizáló Sugárzásvédelmi Bizottság, egy független szervezet, amely tudományos útmutatást nyújt a nem-ionizáló sugárzás egészségügyi hatásairól, beleértve az infravöröst. 2006-os és 2013-as publikációiban az ICNIRP az expozíciós határértékekkel és a lehetséges egészségügyi hatásokkal foglalkozik. A 2006-os tanulmány, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (2006), tartalmazza a releváns bőr expozíciós határértéket a 4b képletben a 639. oldalon (vagy a dokumentum 11. oldalán). A 2013-as tanulmány, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Incoherent Visible and Infrared Radiation (2013), frissített határértéket mutat be a 21. képletben a 88. oldalon (vagy a dokumentum 18. oldalán).

EN 62471 megfelelőségi értékelés

Adatlapon szereplő paraméterek

A következő számításokban használt kulcsparaméterek a LED hivatalos adatlapjáról származnak: CSL1501RW1

Sugárzási intenzitás: Maximum 3,4 $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$ 30 mA-nál
Vízszintes sugárzási szög: 140 fok
Függőleges sugárzási szög: 160 fok

A LED 3,4 milliwatt optikai teljesítményt bocsát ki szteradiánonként 30 mA előfeszítési áramnál. Mivel a LED az alaplap kialakítása miatt 2,4 mA-ra van korlátozva, és az adatlap szerint a sugárzási intenzitás lineárisan csökken, a korrigált sugárzási intenzitás a következőképpen számítható:

$$I_{\text{op}} = \frac{3.4 \frac{\text{mW}}{\text{sr}} \times 2.4 \text{ mA}}{30 \text{ mA}} = 0.273 \frac{\text{mW}}{\text{sr}}$$

A szteradián a háromdimenziós térben a térszög mérésére használt egység, hasonlóan ahhoz, ahogy a radián a körben lévő szögeket méri.

Térszög

A fényforrások, például LED-ek kontextusában a térszög a tér azon részét írja le, amelybe a fény kibocsátásra kerül. Nagyobb térszög azt jelenti, hogy a fény szélesebb területre oszlik el, míg a kisebb térszög koncentráltabb sugarat jelez. Referenciaként: egy pont körüli teljes térszög minden irányban (teljes gömb) $4\pi$ sr, ami megközelítőleg 12,57 sr.

Mivel a LED-ek nem tökéletes kúpban, egy irányba bocsátják ki a fényt, hanem inkább elliptikus mintázatban, a térszög szokásos kúp alapú kiszámítása nem teljesen pontos. Ehelyett jobb eltérő vízszintes és függőleges nyílásszögeket figyelembe vevő elliptikus modellel közelíteni a sugárzást. Ez a következő képlettel tehető meg:

$$\Omega = 4 \arcsin \left( \sin \left( \frac{\theta_x}{2} \right) \cdot \sin \left( \frac{\theta_y}{2} \right) \right)$$

ahol $\theta_x$ és $\theta_y$ a vízszintes és függőleges nyílásszög, radiánban megadva.

Fontos megjegyezni, hogy ez a képlet továbbra is közelítés. A valóságban a LED-ek fényeloszlása nem tökéletesen téglalap alakú, mint ahogy a képlet sugallhatná, hanem inkább elliptikus vagy simább formájú. A képlet szándékosan egyszerűsíti a geometriát a könnyebb kiszámíthatóság érdekében, de kellően pontos becslést ad a térszögre.

Az adatlapból származó sugárzási szögek behelyettesítésével a számítás megközelítőleg 4,73 szteradián térszöget ad:

$$\Omega = 4 \arcsin \left( \sin \left( \frac{140° \cdot \pi}{360} \right) \cdot \sin \left( \frac{160° \cdot \pi}{360} \right) \right) = 4.73 \text{ sr}$$

Megvilágított terület

Az egyes LED-ek által megvilágított terület kiszámításához az Oosterom-Strackee képlet használható megfelelő átalakítás után. Ezt a képletet már alkalmaztuk a vízszintes és függőleges sugárzási szögekkel kombinálva a LED által lefedett térszög (szteradián) becslésére.

A képlet átrendezésével azonban kiszámítható a fénykúp vetített területe adott távolságnál is. Konkrétan lehetővé teszi a megvilágított folt méretének becslését, amelyet a LED sugár vízszintes és függőleges kiterjedése alkot.

$$\text{Szélesség} = 2 \cdot h \cdot \tan\left(\frac{\theta_x}{2}\right) \quad ; \quad \text{Magasság} = 2 \cdot h \cdot \tan\left(\frac{\theta_y}{2}\right)$$$$A = \text{Szélesség} \cdot \text{Magasság} = 4 \cdot h^2 \cdot \tan\left(\frac{\theta_x}{2}\right) \cdot \tan\left(\frac{\theta_y}{2}\right)$$

ahol $\theta_x$ és $\theta_y$ a vízszintes és függőleges sugárzási szög, radiánban megadva, és $h$ a LED és a megvilágított felület közötti távolság.

Az adatlapból származó sugárzási szögeket és 1 cm távolságot használva a képletben, a kiszámított megvilágított terület megközelítőleg 62,33 cm².

$$A = 4 \cdot (1\text{ cm})^2 \cdot \tan\left(\frac{140° \cdot \pi}{360}\right) \cdot \tan\left(\frac{160° \cdot \pi}{360}\right) = 62.33 \text{ cm}^2$$

Teljes teljesítmény

Mivel az adatlap csak a LED intenzitását adja meg $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$-ben, azaz az egységnyi térszögre eső kibocsátott teljesítményt, és nem a teljes kibocsátott teljesítményt, a LED tényleges kibocsátott teljesítményét a LED teljes térszögével való szorzással kell kiszámítani. Ez adja meg a teljes kibocsátott teljesítményt milliwattban a LED teljes sugárzási szögére, ami szükséges az irradiancia kiszámításához a következő lépésben.

$$P = I_{\text{op}} \times \Omega = 0.273\text{ mW/sr} \times 4.73\text{ sr} = 1.29\text{ mW}$$

Irradiancia

Az irradiancia egy felületre egységnyi területre jutó sugárzási teljesítmény mértéke. Azt számszerűsíti, mennyi energia éri az adott területet. Egyszerűbben fogalmazva megmutatja, milyen "intenzív" a fény egy felületen. Kiszámításához a felületre jutó teljes sugárzási teljesítményt elosztjuk a felület területével.

A korábban kiszámított értékeket felhasználva, 7 LED irradianciája 1 cm távolságban a következőképpen fejezhető ki:

$$E = \frac{7 \times P}{A} = \frac{7 \times 1.29\text{ mW}}{62.33\text{ cm}^2} = 0.14\text{ mW/cm}^2 = 1.4\text{ W/m}^2$$

Radiancia

A korábban kiszámított értékek az irradianciára fókuszáltak, amely a LED kibocsátott teljesítményét a megvilágított felülethez viszonyítja adott távolságnál. Bár az irradiancia fontos a felületre jutó teljes fényintenzitás értékelésénél, az EN 62471 szabvány, különösen a gyenge vizuális inger melletti retinális termikus veszély expozíciós határértéke kapcsán, megköveteli a radiancia figyelembevételét is.

A radiancia a forrás egységnyi vetített kibocsátó területére és egységnyi térszögre jutó sugárzási teljesítményt írja le. Ez kulcsfontosságú paraméter a retinális veszélyek értékelésénél, mert nemcsak azt ragadja meg, mennyi teljesítmény kerül kibocsátásra, hanem azt is, mennyire koncentrált a fény bizonyos irányokban. Az irradianciával ellentétben, amely a fogadó felülettől függ, a radiancia a forrás sugárzási jellemzőinek belső tulajdonsága, és jobban tükrözi a fókuszált vagy irányított fény okozta retinális termikus károsodás kockázatát.

A radiancia a formális definíció felhasználásával számítható:

$$L = \frac{d^2\Phi}{\cos(\beta) \cdot dA \cdot d\Omega} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right]$$

Ez a képlet azt írja le, mennyi sugárzási teljesítmény $d^2\Phi$ kerül kibocsátásra a forrás $dA$ vetített területeleméről egy adott $d\Omega$ térszögbe, ahol $\beta$ a felületi normális és a kibocsátási irány közötti szög. Fontos, hogy az $dA$ terület a forrás kibocsátó felületére vonatkozik (nem a megvilágított célpontra), a koszinusz tag $\cos(\beta)$ pedig a felület vetítését veszi figyelembe a kibocsátási irányban.

A számítás egyszerűsítéséhez $\beta = 0°$-ot feltételezünk, ami azt jelenti, hogy a megfigyelési irány merőleges a kibocsátó felületre. Ez a legrosszabb forgatókönyvet jelenti, mivel a radiancia maximális, amikor a nézési szög közvetlenül egybeesik a felületi normálissal, ami $\cos(\beta) = 1$-et eredményez:

$$L = \frac{d^2 \Phi}{dA_{\text{led}} \cdot d\Omega} = \frac{P}{A_{\text{led}} \cdot \Omega} = \frac{1.29\text{ mW}}{0.5\text{ mm}^2 \cdot 4.73\text{ sr}} \approx 545 \frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$$

EN 62471 által meghatározott radiancia-határérték

Az EN 62471 által meghatározott radiancia-határérték nem fix érték; ehelyett a fényforrás radiánban mért szögtartományától függ. A szögtartomány azt írja le, milyen nagynak látszik a fényforrás a megfigyelő számára, vagyis a forrás által a szemnél bezárt szöget.

Az EN 62471 által a 10 másodpercnél hosszabb expozíciókra engedélyezett határérték kiszámításához egyszerűen oszd el a 6000-et a szögtartománnyal $a$ (radiánban):

$$L_{\text{limit}} = \frac{6000}{a} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right]$$

A szögtartomány $a$ kiszámításához ismerni kell a fényforrás fizikai méretét és a megfigyelő szemétől mért távolságát. A radiánban mért szögtartomány a forrás által bezárt szögként van definiálva, a forrás karakterisztikus mérete $d$ (pl. átmérő vagy oldalhossz) és a megfigyelési távolság $r$ alapján. Az itt használt 0402-es LED-eknél, ahol $d = 1\text{ mm}$ és $r = 1\text{ cm}$, a szögtartomány:

$$a = \frac{d}{r} = \frac{1\text{ mm}}{10\text{ mm}} = 0.1\text{ rad}$$

Ez a 10 másodpercnél hosszabb expozíciós időtartamokra a következő határértéket eredményezi:

$$L_{\text{limit}} = \frac{6000}{a} = \frac{6000}{0.1} = 60{,}000 \frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$$

Megfelelőségi ellenőrzés

A 7 LED-re 1 cm távolságban kiszámított irradiancia megközelítőleg 1,4 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$, ami mintegy 70-szer alacsonyabb, mint az EN 62471 100 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$ határértéke hosszan tartó expozícióra. A tényleges LED-ek mérései hasonlóan alacsony értékeket igazoltak.

A radiancia megközelítőleg 545 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$-nek adódott, ami nagyjából 110-szer alacsonyabb, mint az EN 62471 60 000 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$ határértéke az adott 0,1 rad szögtartomány mellett.

Összefoglalva, mind az irradiancia, mind a radiancia messze az EN 62471 biztonsági határértékek alatt van. Ezeket az eredményeket számítások, mérések és az érintett szakterületek professzoraival folytatott konzultációk egyaránt megerősítették.

Hardver biztonsági szempontok

A megvalósítás két fő biztonsági szempontot vet fel.

Először is, a gazdaeszközt (jellemzően a Valve Indexet) meg kell védeni az áramköri lapból származó esetleges hibák ellen. Bár nagyon valószínű, hogy az Index rendelkezik belső védelmi mechanizmusokkal, az áramköri lapot átfogó biztosítékokkal terveztük meg, hogy semmilyen körülmények között ne zavarhasson meg és ne okozhasson kárt a gazdaeszközben.

Másodszor, az infravörös sugárzást minimálisra kell csökkenteni a szemsérülés kockázatának elkerülése érdekében. Ahogy a számítások bemutatják, a LED-ekhez vezetett áramot, és ezáltal azok kibocsátott sugárzását szorosan korlátozni kell, biztosítva, hogy az expozíció bőven a biztonságos határokon belül maradjon.

Gazdaeszköz biztonsági intézkedések

Az EU-ban történő hardverértékesítéshez a terméknek meg kell felelnie az ún. EMC teszteken. Egyszerűen fogalmazva, az EMC (elektromágneses kompatibilitás) az elfogadható határértékeket határozza meg arra vonatkozóan, hogy egy elektromos áramkör milyen mértékben zavarhat egy másikat; minél kisebb a zavarás, annál jobb. A megfelelőséget szabványos mérésekkel igazolják az EN 55022 AV/QP és egyéb kritériumok szerint. A mi hardverünk mindkét mérést kiváló eredménnyel teljesítette.

Az EMC teszteknek való megfelelés érdekében kétfokozatú EMC szűrőt építettünk be. Ez a szűrő hatékonyan csökkenti a nagyfrekvenciás zajt induktorok és kondenzátorok kombinációjával, amelyek blokkolják vagy csillapítják a nem kívánt jeleket, miközben átengedik a kívánt jeleket, optimális teljesítményt és kibocsátási szabványoknak való megfelelőséget biztosítva.

A második biztonsági mechanizmus egy polyfuse integrálása. Rövidzárlat esetén a hardverben, vagy ha az áramfelvétel bármilyen okból meghaladja a Valve Index USB-portjának 1 A-es korlátját, a polyfuse aktiválódik az eszköz védelmében, az áramot 1 A-re korlátozva. Miután a hibaállapot megszűnik és az áram visszatér a biztonságos szintre, a biztosíték automatikusan visszaáll.

Szem biztonsági intézkedések

A biztonságos működés és a túlzott infravörös sugárzás megelőzése érdekében a hardver három független biztonsági mechanizmust tartalmaz, amelyek korlátozzák az áramot és ezáltal a LED kimeneti teljesítményt:

Szoftveres áramkorlátozás
A LED áram szoftveren keresztül állítható, ami precíz fényerő-szabályozást tesz lehetővé. A firmware-ben maximális határ van érvényesítve, biztosítva, hogy a LED-ek normál körülmények között biztonságos működési tartományban maradjanak.

Hardveres korlátozás az AW9967DNR LED meghajtón keresztül
A LED meghajtó (AW9967DNR) beépített áramkorlátozóval rendelkezik, amely kimeneti csatornánként kemény felső határt állít be. Ez a hardveres biztosíték garantálja, hogy ha a szoftver meghibásodik vagy hibásan működik, az áram akkor sem haladhatja meg az előre meghatározott biztonságos értékeket.

Polyfuse védelem (10 mA IR gyűrűnként)
Minden IR LED gyűrűt saját polyfuse véd, amely kb. 10 mA-nál lép működésbe. Ha bármilyen okból a hardveres áramkorlátozás meghibásodna, a polyfuse ellenállását jelentősen megnövelve korlátozza az áramot. A normál feltételek visszaállítása után a biztosíték automatikusan visszaáll.

Ezek a rétegzett védelmi mechanizmusok úgy vannak kialakítva, hogy egymástól függetlenül működjenek, különös hangsúllyal annak biztosítására, hogy az áramkorlátozás ne kizárólag szoftverre hagyatkozzon. Ez kritikus a biztonság szempontjából, és az AW9967DNR hardveres korlátja garantálja.

Végül, a túlzott IR kimenet a gyakorlatban azonnal észlelhető lenne: a szemkövető alkalmazásban a túlexponálás kimosott vagy használhatatlan képet eredményezne, egyértelműen jelezve, hogy valami nincs rendben, és azonnali beavatkozást igényelve.