Veiligheid

Veiligheid heeft voor mij de hoogste prioriteit, maar uiteindelijk ligt de verantwoordelijkheid voor veilig gebruik bij de gebruiker. FaceFocusVR aanvaardt geen aansprakelijkheid voor schade als gevolg van het gebruik of misbruik van de hardware.

Geen enkel systeem is 100% veilig. Hoewel infraroodstraling een natuurlijk onderdeel is van onze omgeving (ongeveer 50% van het zonlicht bestaat uit infrarood), kan overmatige blootstelling schadelijk zijn.

Probeer nooit veiligheidsgerelateerde componenten te vervangen, uit te schakelen of aan te passen.
Let op hoe je ogen aanvoelen tijdens gebruik.

Als je ongebruikelijke warmte of ongemak in je ogen opmerkt, stop dan met het gebruik van het apparaat. Een lichte warmte kan optreden door de extra camera's, maar met de koelventilator die goed draait, zouden je ogen normaal moeten aanvoelen. Stop met gebruik als je het volgende ervaart:

Het eye-trackingcamerabeeld lijkt overbelicht of uitgewassen.
Donkere vlekken in je zicht of ongebruikelijke visuele verstoringen.
Droge of vermoeide ogen die verder gaan dan wat normaal is bij VR-gebruik.

Twijfels over iets wat met veiligheid te maken heeft? Neem contact op

Grondbeginselen en wetenschappelijke basis

Basisprincipes

Infrarood (IR) straling wordt veel gebruikt in eye-trackingsystemen om het oog te verlichten zonder zichtbaar te zijn voor het menselijk oog. Hoewel IR-straling een natuurlijk onderdeel is van onze omgeving (ongeveer 50% van zonnestraling is infrarood), kan langdurige of overmatige blootstelling schadelijk zijn, vooral voor gevoelige gebieden zoals de ogen.

Om veilig gebruik te waarborgen zijn er richtlijnen opgesteld die blootstellingslimieten definiëren op basis van factoren zoals het betrokken lichaamsdeel (bijv. oog, huid), de golflengte van de straling en de duur van de blootstelling. Mijn veiligheidsbeoordeling is voornamelijk gebaseerd op twee gezaghebbende bronnen:

De ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) is een onafhankelijke organisatie die wetenschappelijk onderbouwde richtlijnen biedt over de gezondheidseffecten van niet-ioniserende straling, waaronder infrarood. Hun blootstellingslimieten worden internationaal erkend en gebruikt.

EN 62471 is een Europese norm die gedetailleerde criteria biedt voor het evalueren van de fotobiologische veiligheid van lampen en lampsystemen, die ultraviolette (UV), zichtbare en infrarode (IR) straling omvat. De norm specificeert blootstellingsdrempels om thermische en fotochemische schade aan ogen en huid te voorkomen.

Deze bronnen vormen de basis van mijn berekeningen, ontwerpbeslissingen en veiligheidsmaatregelen om te garanderen dat de IR-blootstelling van het systeem ruim onder schadelijke niveaus blijft. Aangezien de inhoud en limieten van beide referenties in wezen identiek zijn, wordt hieronder alleen de EN 62471-norm in detail uitgelegd. De ICNIRP-bronnen worden geciteerd zonder verdere toelichting.

EN 62471

EN 62471 evalueert fotobiologische gevaren van optische straling in het bereik van 200-3000 nm. In de context van dit project is continue infraroodblootstelling bij 860 nm gedurende meer dan 10 seconden relevant, specifiek met betrekking tot thermische gevaren voor het netvlies, thermische effecten op de lens en thermische schade aan de huid.

Blootstellingslimieten voor infraroodstraling voor het oog

IR-straling kan worden geabsorbeerd door de buitenste en binnenste structuren van het oog, waaronder het hoornvlies en de lens, wat leidt tot plaatselijke opwarming. Aangezien IR-straling onzichtbaar is en geen natuurlijke beschermende reflexen activeert, is het oog bijzonder kwetsbaar voor onbedoelde overblootstelling. Voor blootstellingsduren langer dan 1000 seconden stelt EN 62471 strikte bestralingslimieten vast om acute thermische schade te voorkomen en langetermijn-degeneratieve effecten zoals cataractogenese te minimaliseren:

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).

Thermische gevaarslimiet voor het netvlies (zwakke visuele stimulus)

In tegenstelling tot de algemene stralingslimieten die zich voornamelijk richten op thermische effecten op de voorkant van het oog, richt de thermische gevaarslimiet voor het netvlies zich op het risico van schade aan het netvlies door infraroodstraling. Zelfs wanneer de visuele stimulus zwak of nauwelijks waarneembaar is, kan de straling worden geconcentreerd op het netvlies, wat plaatselijke opwarming en mogelijk letsel veroorzaakt. Omdat het netvlies bijzonder gevoelig is voor temperatuurstijgingen, stelt EN 62471 strikte blootstellingslimieten vast voor korte duren om netvliescellen te beschermen tegen onomkeerbare thermische schade.

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.

Thermische gevaarslimiet voor de huid

Naast oculaire veiligheid behandelt EN 62471 ook het risico van thermisch letsel aan de huid veroorzaakt door langdurige blootstelling aan infraroodstraling. Aangezien de huid IR-straling over een breed oppervlak kan absorberen, kan overmatige blootstelling leiden tot oppervlakteopwarming, brandwonden of langetermijnweefselschade. Voor blootstellingsduren van meer dan 10 seconden over grotere oppervlakken merkt de norm echter op dat pijn doorgaans wordt waargenomen voordat daadwerkelijke weefselschade optreedt. Hierdoor beperkt de natuurlijke aversierespons van een persoon door ongemak de blootstelling doorgaans ruim voordat letsel mogelijk is. Om deze reden worden thermische gevaarslimiten voor de huid niet verder behandeld.

[...] 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

ICNIRP, de International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, is een onafhankelijke organisatie die wetenschappelijke begeleiding biedt over de gezondheidseffecten van niet-ioniserende straling, waaronder infrarood. In publicaties uit 2006 en 2013 behandelt ICNIRP blootstellingslimieten en mogelijke gezondheidseffecten. Het paper uit 2006, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (2006), bevat de relevante huidblootstellingslimiet in formule 4b op pagina 639 (of pagina 11 van het document). Het paper uit 2013, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Incoherent Visible and Infrared Radiation (2013), presenteert een bijgewerkte limiet in formule 21 op pagina 88 (of pagina 18 van het document).

EN 62471 nalevingsevaluatie

Databladparameters

De belangrijkste parameters in de volgende berekeningen zijn afkomstig uit het officiële datablad van de LED: CSL1501RW1

Stralingsintensiteit: maximaal 3,4 $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$ bij 30 mA
Horizontale emissiehoek: 140 graden
Verticale emissiehoek: 160 graden

De LED zendt 3,4 milliwatt optisch vermogen per steradiaal uit bij een voorwaartse stroom van 30 mA. Aangezien de LED beperkt is tot 2,4 mA door het boardontwerp, en het datablad aangeeft dat de stralingsintensiteit lineair afneemt, kunnen we de aangepaste stralingsintensiteit als volgt berekenen:

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

Een steradiaal is een eenheid die wordt gebruikt om ruimtehoeken te meten in driedimensionale ruimte, vergelijkbaar met hoe een radiaal hoeken meet in een cirkel.

Ruimtehoek

In de context van lichtbronnen zoals LED's beschrijft de ruimtehoek het deel van de ruimte waarin het licht wordt uitgezonden. Een grotere ruimtehoek betekent dat het licht over een groter oppervlak wordt verspreid, terwijl een kleinere ruimtehoek een meer gefocuste bundel aangeeft. Ter referentie: de totale ruimtehoek rond een punt in alle richtingen (een volledige bol) is $4\pi$ sr, wat ongeveer 12,57 sr is.

Aangezien LED's licht niet in een perfecte kegel in slechts een richting uitzenden, maar eerder in een elliptisch patroon, is de gebruikelijke formule voor het berekenen van de ruimtehoek op basis van een cirkelvormige kegel niet helemaal nauwkeurig. In plaats daarvan is het beter om de emissie te benaderen met een elliptisch model dat rekening houdt met de verschillende horizontale en verticale bundelhoeken. Dit kan worden gedaan met de formule:

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

waarbij $\theta_x$ en $\theta_y$ respectievelijk de horizontale en verticale bundelhoeken zijn, uitgedrukt in radialen.

Het is belangrijk op te merken dat deze formule nog steeds een benadering is. In werkelijkheid is de lichtverdeling van LED's niet perfect rechthoekig zoals de formule zou suggereren, maar eerder elliptisch of enigszins vloeiender van vorm. De formule vereenvoudigt bewust de geometrie voor het gemak van de berekening, maar biedt nog steeds een voldoende nauwkeurige schatting van de ruimtehoek.

Wanneer de bundelhoeken uit het datablad in de formule worden ingevuld, levert de berekening een ruimtehoek op van ongeveer 4,73 steradialen:

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

Belicht oppervlak

Om het oppervlak te berekenen dat door elke individuele LED wordt belicht, kan de Oosterom-Strackee-formule worden gebruikt na een geschikte transformatie. Deze formule is al toegepast in combinatie met de horizontale en verticale bundelhoeken om de ruimtehoek (steradiaal) van de LED te schatten.

Door de formule echter om te keren, kan deze ook worden gebruikt om het geprojecteerde oppervlak van de lichtkegel op een bepaalde afstand te berekenen. Specifiek stelt het ons in staat om de grootte van de belichte plek te schatten, die wordt gevormd door de horizontale en verticale spreiding van de LED-bundel.

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

waarbij $\theta_x$ en $\theta_y$ respectievelijk de horizontale en verticale bundelhoeken zijn, uitgedrukt in radialen, en $h$ de afstand is van de LED tot het belichte oppervlak.

Met de bundelhoeken uit het datablad en een afstand van 1 cm in de formule, is het berekende belichte oppervlak ongeveer 62,33 cm2.

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

Totaal vermogen

Aangezien het datablad alleen de intensiteit van de LED specificeert in $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$, oftewel het vermogen per eenheid ruimtehoek, maar niet het totaal uitgezonden vermogen, moet het werkelijke vermogen van de LED worden berekend door deze waarde te vermenigvuldigen met de totale ruimtehoek van de LED. Dit levert het totale vermogen in milliwatt op dat wordt uitgezonden over de volledige emissiehoek, wat nodig is om de bestraling in de volgende stap te berekenen.

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

Bestraling

Bestraling (irradiance) is de maat voor het stralingsvermogen dat door een oppervlak per eenheid oppervlakte wordt ontvangen. Het kwantificeert hoeveel energie op een bepaald oppervlak valt. Simpel gezegd geeft het aan hoe "intens" het licht op een oppervlak is. Om het te berekenen wordt het totale stralingsvermogen dat op het oppervlak valt, gedeeld door het oppervlak.

Met de eerder berekende waarden kan de bestraling van 7 LED's op een afstand van 1 cm als volgt worden uitgedrukt:

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

Radiantie

De eerder berekende waarden richtten zich op bestraling, die het uitgezonden vermogen van de LED relateert aan het belichte oppervlak op een bepaalde afstand. Hoewel bestraling belangrijk is voor het evalueren van de totale lichtintensiteit die door een oppervlak wordt ontvangen, vereist de EN 62471-norm, met name wat betreft de thermische gevaarslimiet voor het netvlies bij zwakke visuele stimulus, ook de beoordeling van radiantie.

Radiantie beschrijft het stralingsvermogen dat door de bron wordt uitgezonden per eenheid geprojecteerd uitzendend oppervlak en per eenheid ruimtehoek. Dit maakt het een cruciaal parameter voor het beoordelen van mogelijke netvliesgevaren, omdat het niet alleen vastlegt hoeveel vermogen wordt uitgezonden, maar ook hoe geconcentreerd het licht in specifieke richtingen is. In tegenstelling tot bestraling, die afhangt van het ontvangende oppervlak, is radiantie een intrinsieke eigenschap van de emissiekenmerken van de bron en weerspiegelt beter het risico van thermische schade aan het netvlies door gefocust of gericht licht.

Radiantie kan worden berekend met de formele definitie:

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

Deze formule beschrijft hoeveel stralingsvermogen $d^2\Phi$ wordt uitgezonden vanuit een geprojecteerd oppervlakte-element $dA$ van de bron in een bepaalde ruimtehoek $d\Omega$, waarbij $\beta$ de hoek is tussen de oppervlaknormaal en de emissierichting. Belangrijk is dat het oppervlak $dA$ verwijst naar het uitzendende oppervlak van de bron (niet het belichte doel) en de cosinusterm $\cos(\beta)$ de projectie van het oppervlak in de emissierichting corrigeert.

Om de berekening te vereenvoudigen nemen we $\beta = 0°$ aan, wat betekent dat de waarnemingsrichting loodrecht staat op het uitzendende oppervlak. Dit vertegenwoordigt het worstcasescenario, aangezien de radiantie maximaal is wanneer de kijkhoek direct samenvalt met de oppervlaknormaal, resulterend in $\cos(\beta) = 1$:

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

Radiantielimiet volgens EN 62471

De radiantielimiet die door EN 62471 is vastgesteld, is geen vaste waarde; deze hangt af van de hoekuitgestrektheid van de lichtbron, gemeten in radialen. De hoekuitgestrektheid beschrijft hoe groot de lichtbron voor de waarnemer lijkt, oftewel de hoek die de bron maakt bij het oog.

Om de limiet te berekenen die EN 62471 toestaat voor blootstellingen langer dan 10 seconden, deel je eenvoudig 6000 door de hoekuitgestrektheid $a$ (in radialen):

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

Om de hoekuitgestrektheid $a$ te berekenen, moeten zowel de fysieke afmeting van de lichtbron als de afstand tot het oog van de waarnemer bekend zijn. De hoekuitgestrektheid in radialen is gedefinieerd als de hoek die de bron maakt, gebaseerd op de karakteristieke afmeting $d$ (bijv. diameter of zijlengte) en de kijkafstand $r$. Voor de hier gebruikte 0402 LED's, waar $d = 1\text{ mm}$ en $r = 1\text{ cm}$, is de hoekuitgestrektheid:

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

Dit resulteert in een limiet voor blootstellingsduren langer dan 10 seconden van:

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

Nalevingscontrole

De berekende bestraling voor 7 LED's op een afstand van 1 cm is ongeveer 1,4 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$, wat ongeveer 70 keer lager is dan de EN 62471-limiet van 100 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$ voor langdurige blootstelling. Metingen van de werkelijke LED's bevestigden vergelijkbaar lage waarden.

De radiantie is berekend op ongeveer 545 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$, wat ruwweg 110 keer lager is dan de EN 62471-limiet van 60.000 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$ voor de gegeven hoekuitgestrektheid van 0,1 rad.

Concluderend liggen zowel bestraling als radiantie ver onder de toepasselijke EN 62471-veiligheidslimieten. Deze resultaten zijn bevestigd door berekeningen, metingen en overleg met professoren in de relevante vakgebieden.

Overwegingen voor hardwareveiligheid

Er zijn twee primaire veiligheidsoverwegingen bij de implementatie.

Ten eerste moet het hostapparaat (doorgaans de Valve Index) worden beschermd tegen mogelijke storingen afkomstig van mijn printplaat. Hoewel het zeer waarschijnlijk is dat de Index interne beschermingsmechanismen bevat, is de printplaat ontworpen met uitgebreide beveiligingen om te garanderen dat deze onder geen enkele omstandigheid het hostapparaat kan verstoren of beschadigen.

Ten tweede moet infraroodstraling worden geminimaliseerd om elk risico op oogletsel te voorkomen. Zoals aangetoond in de berekeningen moet de stroom naar de LED's, en daarmee hun uitgezonden straling, nauwkeurig worden begrensd, zodat de blootstelling ruim binnen veilige limieten blijft.

Veiligheidsmaatregelen voor het hostapparaat

Om hardware binnen de EU te verkopen, moet deze zogenaamde EMC-testen doorstaan. Simpel gezegd definieert EMC (Electromagnetic Compatibility) de aanvaardbare limieten voor de mate waarin het ene elektrische circuit het andere mag verstoren; hoe minder storing, hoe beter. Naleving wordt geverifieerd door middel van gestandaardiseerde metingen in overeenstemming met EN 55022 AV/QP, onder andere criteria. Mijn hardware heeft beide metingen met glans doorstaan.

Om conformiteit met de EMC-testen te bereiken, is een tweetraps EMC-filter geintegreerd. Dit filter vermindert effectief hoogfrequente ruis door een combinatie van spoelen en condensatoren te gebruiken om ongewenste signalen te blokkeren of te dempen terwijl de gewenste signalen worden doorgelaten, wat optimale prestaties en naleving van emissienormen garandeert.

Het tweede veiligheidsmechanisme is de integratie van een polyfuse. In het geval van een kortsluiting in de hardware, of als het stroomverbruik om welke reden dan ook de limiet van 1 A van de USB-poort van de Valve Index overschrijdt, wordt de polyfuse geactiveerd om het apparaat te beschermen door de stroom te beperken tot 1 A. Zodra de foutconditie is opgelost en de stroom terugkeert naar een veilig niveau, reset de zekering automatisch.

Veiligheidsmaatregelen voor de ogen

Om veilige werking te garanderen en overmatige infraroodstraling te voorkomen, bevat de hardware drie onafhankelijke veiligheidsmechanismen die de stroom en daarmee het LED-uitgangsvermogen beperken:

Softwarematige stroombegrenzing
De LED-stroom is instelbaar via software, wat nauwkeurige controle over de helderheid mogelijk maakt. Er wordt een maximumlimiet afgedwongen in de firmware, zodat de LED's onder normale omstandigheden binnen veilige werkbereiken blijven.

Hardwarebegrenzing via de AW9967DNR LED-driver
De LED-driver (AW9967DNR) heeft een ingebouwde stroombegrenzer die een harde limiet per uitgangskanaal instelt. Deze hardwarematige beveiliging zorgt ervoor dat zelfs als de software faalt of zich misdraagt, de stroom niet boven vooraf bepaalde veilige waarden kan komen.

Polyfuse-bescherming (10 mA per IR-ring)
Elke IR-LED-ring wordt beschermd door een eigen polyfuse die rond 10 mA afslaat. Als om welke reden dan ook de hardwarestroombegrenzing faalt, beperkt de polyfuse de stroom door zijn weerstand aanzienlijk te verhogen. Zodra normale omstandigheden zijn hersteld, reset de zekering automatisch.

Deze gelaagde beschermingen zijn ontworpen om onafhankelijk van elkaar te functioneren, met bijzondere nadruk op het garanderen dat stroombegrenzing niet uitsluitend afhankelijk is van software. Dit is cruciaal voor de veiligheid en wordt gegarandeerd door de hardwarematige limiet van de AW9967DNR.

Tot slot zou overmatige IR-output in de praktijk onmiddellijk zichtbaar zijn: overbelichting in de eye-trackingapplicatie zou resulteren in een uitgewassen of onbruikbaar beeld, wat duidelijk aangeeft dat er iets niet klopt en onmiddellijke correctie uitlokt.