Säkerhet

Säkerhet är högsta prioritet för mig, men i slutändan ligger ansvaret för säker användning hos användaren. FaceFocusVR tar inte ansvar för skador som uppstår genom användning eller felanvändning av hårdvaran.

Inget system är 100% säkert. Även om infraröd strålning är en naturlig del av vår miljö (ungefär 50% av solljuset består av infrarött) kan överdriven exponering vara skadlig.

Försök aldrig byta ut, inaktivera eller modifiera säkerhetsrelaterade komponenter.
Var uppmärksam på hur dina ögon känns under användning.

Om du märker någon ovanlig värme eller obehag i ögonen, sluta använda enheten. En lätt värme kan uppstå på grund av de tillagda kamerorna, men med kylfläkten i drift ska dina ögon kännas normala. Sluta använda enheten om du upplever:

Eye tracking-kamerans bild verkar överexponerad eller utvättnad.
Mörka fläckar i ditt synfält eller ovanliga synstörningar.
Torra eller ansträngda ögon utöver det som är normalt för VR-användning.

Osäker på något säkerhetsrelaterat? Kontakta mig

Grunder och vetenskapliga fundament

Grunder

Infraröd (IR) strålning används vanligen i eye tracking-system för att belysa ögat utan att vara synlig för det mänskliga ögat. Även om IR-strålning är en naturlig del av vår miljö (ungefär 50% av solstrålningen är infraröd) kan långvarig eller överdriven exponering vara skadlig, särskilt för känsliga områden som ögonen.

För att säkerställa säker användning har riktlinjer upprättats som definierar exponeringsgränser baserat på faktorer som den påverkade kroppsdelen (t.ex. öga, hud), strålningens våglängd och exponeringens varaktighet. Min säkerhetsbedömning bygger främst på två auktoritativa källor:

ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) är en oberoende organisation som tillhandahåller vetenskapligt underbyggda riktlinjer om hälsoeffekter av icke-joniserande strålning, inklusive infrarött. Deras exponeringsgränser är internationellt erkända och använda.

EN 62471 är en europeisk standard som ger detaljerade kriterier för att utvärdera den fotobiologiska säkerheten hos lampor och lampsystem, som täcker ultraviolett (UV), synligt och infrarött (IR) ljus. Den specificerar exponeringsgränser för att förhindra termisk och fotokemisk skada på ögon och hud.

Dessa källor bildar grunden för mina beräkningar, designbeslut och säkerhetsåtgärder för att säkerställa att IR-exponeringen från systemet förblir väl under skadliga nivåer. Eftersom innehållet och gränserna i båda referenserna i princip är identiska kommer enbart EN 62471-standarden att förklaras i detalj nedan. ICNIRP-källorna citeras utan vidare utveckling.

EN 62471

EN 62471 utvärderar fotobiologiska faror från optisk strålning i området 200-3000 nm. I detta projekts kontext är kontinuerlig infraröd exponering vid 860 nm under mer än 10 sekunder relevant, specifikt termiska faror för näthinnan, termiska effekter på linsen och termisk skada på hud.

Infraröd strålningsfarans exponeringsgränser för ögat

IR-strålning kan absorberas av ögats yttre och inre strukturer, inklusive hornhinna och lins, vilket leder till lokal uppvärmning. Eftersom IR-strålning är osynlig och inte utlöser naturliga skyddsreflexer är ögat särskilt sårbart för oavsiktlig överexponering. För exponeringsvaraktigheter längre än 1000 sekunder sätter EN 62471 strikta irradiansgränser för att förhindra akut termisk skada och minimera långsiktiga degenerativa effekter som kataraktogenes:

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).

Termisk retinafara exponeringsgräns (svag visuell stimulans)

Till skillnad från de allmänna strålningsgränserna som främst behandlar termiska effekter på de främre delarna av ögat, fokuserar den termiska retinafarans exponeringsgräns på risken för skada på näthinnan orsakad av infraröd strålning. Även när den visuella stimulansen är svag eller knappt märkbar kan strålningen koncentreras på näthinnan och orsaka lokal uppvärmning och potentiell skada. Eftersom näthinnan är särskilt känslig för temperaturökningar fastställer EN 62471 strikta exponeringsgränser för korta varaktigheter för att skydda näthinnceller från irreversibel termisk skada.

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.

Termisk faras exponeringsgräns för hud

Utöver ögonsäkerhet behandlar EN 62471 även risken för termisk skada på hud orsakad av långvarig exponering för infraröd strålning. Eftersom huden kan absorbera IR-strålning över ett brett område kan överdriven exponering leda till ytuppvärmning, brännskador eller långsiktig vävnadsskada. För exponeringsvaraktigheter över 10 sekunder över större områden noterar dock standarden att smärta typiskt upplevs innan någon faktisk vävnadsskada uppstår. Som ett resultat begränsar individens naturliga aversionsreaktion på grund av obehag generellt exponeringen väl innan skada är möjlig. Av den anledningen behandlas inte termiska farars exponeringsgränser för hud vidare.

[...] 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, International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, är en oberoende organisation som tillhandahåller vetenskaplig vägledning om hälsoeffekter av icke-joniserande strålning, inklusive infrarött. I sina publikationer från 2006 och 2013 behandlar ICNIRP exponeringsgränser och potentiella hälsoeffekter. 2006 års publikation, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (2006), inkluderar den relevanta hudexponeringsgränsen i formel 4b på sida 639 (eller sida 11 i dokumentet). 2013 års publikation, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Incoherent Visible and Infrared Radiation (2013), presenterar en uppdaterad gräns i formel 21 på sida 88 (eller sida 18 i dokumentet).

EN 62471 efterlevnadsutvärdering

Databladets parametrar

De viktigaste parametrarna som används i följande beräkningar är hämtade från LED:ernas officiella datablad: CSL1501RW1

Strålningsintensitet: Maximalt 3,4 $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$ vid 30 mA
Horisontell utstrålningsvinkel: 140 grader
Vertikal utstrålningsvinkel: 160 grader

LED:en avger 3,4 milliwatt optisk effekt per steradian vid en framåtström på 30 mA. Eftersom LED:en är begränsad till 2,4 mA på grund av kortets design, och databladet indikerar att strålningsintensiteten minskar linjärt, kan vi beräkna den justerade strålningsintensiteten enligt följande:

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

En steradian är en enhet för att mäta rymdvinklar i tredimensionellt rum, liknande hur en radian mäter vinklar i en cirkel.

Rymdvinkel

I kontexten av ljuskällor som LED:ar beskriver rymdvinkeln den del av rummet in i vilken ljuset avges. En större rymdvinkel innebär att ljuset sprids över ett större område, medan en mindre rymdvinkel indikerar en mer fokuserad stråle. Som referens är den totala rymdvinkeln runt en punkt i alla riktningar (en hel sfär) $4\pi$ sr, vilket är ungefär 12,57 sr.

Eftersom LED:ar inte avger ljus i en perfekt kon i bara en riktning utan snarare i ett mer elliptiskt mönster, är den vanliga formeln för att beräkna rymdvinkeln baserad på en cirkulär kon inte helt korrekt. Istället är det bättre att approximera utstrålningen med en elliptisk modell som tar hänsyn till de olika horisontella och vertikala strålvinklarna. Det kan göras med formeln:

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

där $\theta_x$ och $\theta_y$ är de horisontella respektive vertikala strålvinklarna, angivna i radianer.

Det är viktigt att notera att den här formeln fortfarande är en approximation. I verkligheten är LED:ars ljusfördelning inte perfekt rektangulär som formeln kan antyda, utan snarare elliptisk eller något jämnare i formen. Formeln förenklar medvetet geometrin för att underlätta beräkning, men ger ändå en tillräckligt noggrann uppskattning av rymdvinkeln.

När strålvinklarna från databladet sätts in i formeln ger beräkningen en rymdvinkel på ungefär 4,73 steradianer:

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

Belyst yta

För att beräkna ytan som belyses av varje enskild LED kan Oosterom-Strackee-formeln användas efter en lämplig transformation. Denna formel har redan tillämpats i kombination med de horisontella och vertikala strålvinklarna för att uppskatta rymdvinkeln (steradian) som täcks av LED:en.

Genom att arrangera om formeln kan den också användas för att beräkna den projicerade ytan av ljuskonen på ett givet avstånd. Specifikt möjliggör det en uppskattning av storleken på den belysta punkten, som bildas av LED-strålens horisontella och vertikala spridning.

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

där $\theta_x$ och $\theta_y$ är de horisontella respektive vertikala strålvinklarna, angivna i radianer, och $h$ är avståndet från LED:en till den belysta ytan.

Med strålvinklarna från databladet och ett avstånd på 1 cm i formeln är den beräknade belysta ytan ungefär 62,33 cm².

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

Total effekt

Eftersom databladet enbart specificerar LED:ens intensitet i $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$, det vill säga effekten som avges per rymdvinkelenhet, men inte den totala avgivna effekten, måste den faktiska effekten som avges av LED:en beräknas genom att multiplicera detta värde med LED:ens totala rymdvinkel. Det ger den totala effekten i milliwatt som avges över LED:ens fulla utstrålningsvinkel, vilken behövs för att beräkna irradiansen i nästa steg.

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

Irradians

Irradians är måttet på den strålningseffekt som mottas av en yta per ytenhet. Det kvantifierar hur mycket energi som faller på en given yta. Enkelt uttryckt visar det hur "intensivt" ljuset är på en yta. För att beräkna det delas den totala strålningseffekten på ytan med ytans area.

Med de tidigare beräknade värdena kan irradiansen från 7 LED:ar på ett avstånd av 1 cm uttryckas som:

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

Radians

De tidigare beräknade värdena fokuserade på irradians, som relaterar LED:ens avgivna effekt till den belysta ytan på ett givet avstånd. Medan irradians är viktigt för att utvärdera den totala ljusintensiteten som mottas av en yta, kräver EN 62471-standarden, särskilt när det gäller den termiska retinafarans exponeringsgräns under svag visuell stimulans, även hänsyn till radians.

Radians beskriver den strålningseffekt som avges av källan per projicerad emitterande ytenhet och per rymdvinkelenhet. Det gör den till en nyckelparameter för att bedöma potentiella retinafaror, eftersom den fångar inte bara hur mycket effekt som avges utan också hur koncentrerat ljuset är i specifika riktningar. Till skillnad från irradians, som beror på den mottagande ytan, är radians en inneboende egenskap hos källans strålningskarakteristik och återger bättre risken för termisk skada på näthinnan från fokuserat eller riktat ljus.

Radians kan beräknas med den formella definitionen:

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

Denna formel beskriver hur mycket strålningseffekt $d^2\Phi$ som avges från ett projicerat ytelement $dA$ av källan in i en given rymdvinkel $d\Omega$, där $\beta$ är vinkeln mellan ytans normal och strålningsriktningen. Viktigt är att ytan $dA$ avser källans emitterande yta (inte den belysta ytan) och cosinustermen $\cos(\beta)$ justerar för projektionen av ytan i strålningsriktningen.

För att förenkla beräkningen antar vi $\beta = 0°$, vilket innebär att observationsriktningen är vinkelrätt mot den emitterande ytan. Det representerar värsta scenariot, eftersom radiansen är maximerad när betraktningsvinkeln överensstämmer direkt med ytans normal, vilket ger $\cos(\beta) = 1$:

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

Radiansgräns fastställd av EN 62471

Radiansgränsen fastställd av EN 62471 är inte ett fast värde; istället beror den på ljuskällans vinkelutbredning, mätt i radianer. Vinkelutbredningen beskriver hur stor ljuskällan verkar för betraktaren, det vill säga den vinkel som källan bildar vid ögat.

För att beräkna gränsen tillåten av EN 62471 för exponeringar längre än 10 sekunder dividerar du enkelt 6000 med vinkelutbredningen $a$ (i radianer):

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

För att beräkna vinkelutbredningen $a$ måste både den fysiska storleken på ljuskällan och dess avstånd från betraktarens öga vara kända. Vinkelutbredningen i radianer definieras som vinkeln som källan bildar, baserad på dess karakteristiska dimension $d$ (t.ex. diameter eller sidlängd) och betraktningsavståndet $r$. För 0402 LED:arna som används här, där $d = 1\text{ mm}$ och $r = 1\text{ cm}$, är vinkelutbredningen:

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

Det resulterar i en gräns för exponeringsvaraktigheter längre än 10 sekunder på:

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

Efterlevnadskontroll

Den beräknade irradiansen för 7 LED:ar på ett avstånd av 1 cm är ungefär 1,4 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$, vilket är ungefär 70 gånger lägre än EN 62471-gränsen på 100 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$ för långvarig exponering. Mätningar av de faktiska LED:arna bekräftade liknande låga värden.

Radiansen beräknades till ungefär 545 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$, vilket är ungefär 110 gånger lägre än EN 62471-gränsen på 60 000 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$ för den givna vinkelutbredningen på 0,1 rad.

Sammanfattningsvis ligger både irradians och radians långt under de tillämpliga EN 62471-säkerhetsgränserna. Dessa resultat har bekräftats genom beräkningar, mätningar och samråd med professorer inom relevanta områden.

Säkerhetsöverväganden för hårdvara

Det finns två primära säkerhetsöverväganden i implementeringen.

För det första måste värdenheten (vanligtvis Valve Index) skyddas mot eventuella fel från mitt kretskort. Även om det är mycket troligt att Index inkluderar interna skyddsmekanismer har kretskortet designats med omfattande säkerhetsåtgärder för att säkerställa att det inte kan störa eller orsaka skada på värdenheten under några omständigheter.

För det andra måste infraröd strålning minimeras för att undvika all risk för ögonskada. Som visats i beräkningarna måste strömmen till LED:arna, och därmed deras avgivna strålning, vara strängt begränsad för att säkerställa att exponeringen förblir väl inom säkra gränser.

Säkerhetsåtgärder för värdenheten

För att sälja hårdvara inom EU måste den klara så kallade EMC-tester. Enkelt uttryckt definierar EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) de acceptabla gränserna för hur mycket en elektrisk krets får störa en annan; ju mindre störning, desto bättre. Efterlevnad verifieras genom standardiserade mätningar i enlighet med EN 55022 AV/QP, bland andra kriterier. Min hårdvara har framgångsrikt klarat båda mätningarna med glans.

För att uppnå EMC-testernas krav integrerades ett tvåstegs EMC-filter. Detta filter minskar effektivt högfrekvent brus genom att använda en kombination av induktorer och kondensatorer för att blockera eller dämpa oönskade signaler medan önskade signaler släpps igenom, vilket säkerställer optimal prestanda och efterlevnad av utsläppsstandarder.

Den andra säkerhetsmekanismen är integreringen av en polyfuse. I händelse av en kortslutning inuti hårdvaran, eller om strömuttaget överstiger Valve Index USB-portens gräns på 1 A av någon anledning, aktiveras polyfusen för att skydda enheten genom att begränsa strömmen till 1 A. När felförhållandet är åtgärdat och strömmen återgår till en säker nivå återställs säkringen automatiskt.

Säkerhetsåtgärder för ögonen

För att säkerställa säker drift och förhindra överdriven infraröd strålning inkluderar hårdvaran tre oberoende säkerhetsmekanismer som begränsar strömmen och därmed LED:arnas uteffekt:

Mjukvarubaserad strömbegränsning
LED-strömmen är justerbar via mjukvara, vilket möjliggör exakt kontroll över ljusstyrkan. En maxgräns tillämpas i firmwaren, vilket säkerställer att LED:arna förblir inom säkra driftsområden under normala förhållanden.

Hårdvarubegränsning via AW9967DNR LED-drivaren
LED-drivaren (AW9967DNR) har en inbyggd strömbegränsare som sätter ett hårt tak per utgångskanal. Denna hårdvarusäkring säkerställer att även om mjukvaran misslyckas eller beter sig felaktigt kan strömmen aldrig överstiga fördefinierade säkra värden.

Polyfuse-skydd (10 mA per IR-ring)
Varje IR LED-ring skyddas av sin egen polyfuse ratad för att lösa ut vid ungefär 10 mA. Om hårdvaruströmbegränsningen av någon anledning misslyckas begränsar polyfusen strömmen genom att avsevärt öka sitt motstånd. När normala förhållanden återställs återställs säkringen automatiskt.

Dessa lagerindelade skydd är designade för att fungera oberoende av varandra, med särskilt fokus på att säkerställa att strömbegränsningen inte enbart förlitar sig på mjukvara. Det är kritiskt för säkerheten och garanteras av AW9967DNR:s hårdvarubaserade gräns.

Slutligen skulle eventuell överdriven IR-uteffekt vara omedelbart synlig i praktiken: överexponering i eye tracking-applikationen skulle resultera i en utvättnad eller oanvändbar bild, vilket tydligt indikerar att något är fel och uppmanar till omedelbar korrigering.