Rayonnement optique incohérent

Les effets biologiques signalés dans CIPRNI 2013 [1] sont résumés ici. Deux organes sont exposés aux dangers associés aux sources de lumière incohérente à haute intensité : les yeux et la peau. Étant donné que les yeux sont plus sensibles au rayonnement que la peau, les seuils sont plus restrictifs pour l’exposition oculaire.

Selon la Commission électronique internationale, la partie UV du spectre est subdivisée en trois bandes, les UVA, les UVB et les UVC, comme on peut le voir ici. Le spectre des infrarouges (IR) est également divisé :

IRA	(780 nm – 1,4 µm)
IRB	(1,4 µm – 3 µm)
IRC	(3 µm – 1 mm)

L’un des défis posés par le rayonnement optique incohérent (ROI), c’est que cette lumière est polychromatique et qu’il faut tenir compte des dangers associés à différentes longueurs d’onde. Un autre problème vient du fait qu’il ne s’agit pas de sources « ponctuelles », comme dans le cas des lasers, et qu’il faut donc tenir compte de la taille de la zone exposée, pour les yeux aussi bien que pour la peau. À titre d’exemple, la figure suivante montre le spectre d’une lampe à arc au xénon de même que les dangers associés.

Spectre d’une lampe à arc au xénon montrant les dangers pour les yeux et la peau dans les régions spectrales concernées. Les bandes infrarouges pertinentes sont également indiquées.

Œil

Les seuils d’exposition oculaire sont basés sur l’apparition de lésions dans une structure donnée de l’œil après une exposition « aiguë » (moins d’une journée d’exposition).

Effets photochimiques sur la rétine (380 nm – 550 nm)

L’effet photochimique, ou danger associé à la lumière bleue, concerne la portion du spectre la plus dangereuse, car les dommages peuvent se produire à des niveaux semblables à ceux de la lumière naturelle [1,2]. Une surexposition à cette gamme de longueur d’ondes peut entraîner une maculopathie ou une brûlure par flash électrique, et mener au scotome. Les effets photochimiques dépendent du temps d’exposition et de l’intensité et on peut les catégoriser en deux types : le type I résulte d’une exposition à faible intensité et à long terme, et les dommages sont dus à une exposition constante; le type II résulte d’une exposition intense, à court terme.

La sensibilité de la rétine dans cette bande spectrale est donnée par la fonction de phototoxicité de la lumière bleue (figure ci-dessous).

Effet thermique sur la rétine (380 nm – 1,4 µm)

Les dommages causés par les effets thermiques sur la rétine se produisent lorsque le niveau d’exposition à la lumière est suffisant pour élever la température des tissus de la rétine, ce qui mène à la formation de lésions [2]. Les sources doivent être très brillantes pour causer ce type de blessure; il s’agit habituellement de lampes à arc au xénon ou de lasers. Dans la bande des UV et dans les bandes IRB et IRC, l’énergie lumineuse est surtout absorbée par la cornée, ce qui limite les dangers pour la rétine dans ces bandes spectrales.

Le danger dépend du diamètre de l’image rétinienne, puisque les dommages dépendent de la conduction thermique à partir de l’endroit exposé. La sensibilité de la rétine aux photons de cette bande spectrale est donnée par la fonction de phototoxicité (figure ci-dessous).

Danger dû aux effets thermiques sur la cornée (1,4 µm – 1 mm)

L’eau absorbe facilement le rayonnement de longueur d’onde supérieure à 1 400 nm [2], donc la lumière de cette bande spectrale interagit habituellement avec la cornée. Le principal danger de brûlure de la cornée dans cette bande spectrale résulte de l’absence de stimulus visuel, ce qui fait que la personne n’est pas consciente de la présence du rayonnement jusqu’à l’apparition de symptômes. L’exposition chronique du cristallin et de la cornée au rayonnement IR mène à l’apparition de cataractes.

Calculer l’exposition réelle

On peut facilement calculer l’exposition réelle des yeux à un danger thermique ou photochimique à l’aide de la fonction de phototoxicité ci-dessous. Soit la luminance spectrale d’une source Lλ (en W/cm2 sr nm); cette luminance spectrale est multipliée par l’une ou l’autre des fonctions de phototoxicité : il faut remplacer H(λ) par B(λ) pour le danger associé à la lumière bleue ou R(λ) pour le danger thermique pour la rétine, comme suit :

Figure

Ocular hazard functions for the blue-light photochemical damage (labeled and in blue) and the thermal retinal damage (labeled and in red). These functions are applied against the spectral emission of the light source to determine the effective exposure of the eye.

Peau

Les limites d’exposition sont basées sur l’apparition d’un érythème induit par le rayonnement (rougeur de la peau) dans les 48 heures suivant l’exposition. Il faut habituellement une source pulsée très brillante pour causer des dommages à la peau.

Dommages thermiques (380 nm – 1 mm)

Le danger survient habituellement avec une source pulsée dont l’éclairement est très élevé. L’importance des dommages dépend du diamètre de la zone de peau exposée.

Photosensibilisation et réactions du système immunitaire (habituellement aux rayons UV)

Voir les sections portant sur les effets biologiques et la photosensibilité sur la page Web concernant les rayonnements UV.

Références

Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants, « Guidelines on limits of exposure to incoherent visible and infrared radiation », Health Phys. vol. 105, pp.74-96, 2013. [en anglais] En ligne: www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPVisible_Infrared2013.pdf
J. Wu, S. Seregard, P.V. Algvere, "Photochemical damage of the retina," Survey of Ophthalmologyvol.51, pp.461-481, (2006). doi: 10.1016/j.survophthal.2006.06.00

Limites concernant les dangers thermiques pour la rétine (380 nm – 1,4 µm)

Les limites concernant les dangers thermiques pour la rétine qui figurent dans le graphique ci-dessous sont basées sur les spécifications de la CIPRNI [1]. La luminance d’une source ne doit pas excéder la valeur indiquée pour une exposition donnée.

Figure

Limite associée au danger thermique d’une source. Dans les équations, le temps d’exposition t est en secondes et l’angle αest en radians.

Limite relative au danger photochimique de la lumière bleue pour la rétine (380 nm – 550 nm)

Dans la bande spectrale qui va de 300 nm à 700 nm, la limite est basée sur le temps
d’exposition :

0,25 s < t < 10 000 s (2,8 heures)	100 J/cm²sr (valeur limite d'exposition)
t > 10 000 s	10 mW/cm²sr

Si nécessaire, l’angle solide utilisé pour calculer l’éclairement ou à l’exposition énergétique dépend également du temps; voici les angles plans valides pour des temps d’exposition donnés.

t < 100 s	11 mrad
100 s < t < 10 000 s	11 × t^0,5 mrad
t > 10 000 s	110 mrad

Limite relative au danger thermique pour la cornée et le cristallin (1,4 µm – 1 mm)

Les limites pour la cornée et le cristallin à température de la pièce sont basées sur le temps d’exposition.

t < 1 000 s	1,8 × t^0,75 W/cm²
t > 1 000 s	10 mW/cm²sr

Limites relatives au danger thermique pour la peau (380 nm – 1 mm)

Pour toutes les longueurs d’onde traitées ici, l’exposition énergétique pour des temps d’exposition inférieurs à 10 secondes est de 2 × t^0,25 J/cm². Pour des temps d’exposition plus longs, le réflexe naturel d’évitement limite le temps d’exposition puisque l’élévation de la température de la peau au-dessus de 45 °C cause de la douleur, alors que cette température est inférieure à celle qui créerait une brûlure thermique.

Références

[1] Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants, « Guidelines on limits of exposure to incoherent visible and infrared radiation », Health Phys. vol. 105, pp.74-96, 2013. [en anglais]

Pour être complet, un exposé sur le rayonnement optique incohérent doit comprendre une section sur le lumen : une mesure de notre perception biologique de l’intensité lumineuse. Puisqu’elles sont dans le spectre visible, les sources incohérentes ne sont pas monochromatiques, et puisque notre perception de l’intensité de chaque couleur est inégale, les unités de mesure radiométriques (W, J) ne sont pas utilisées pour définir l’énergie de rayonnement telle qu’elle est perçue par les êtres humains. Par exemple, nous percevons un rayonnement de 1 W à 532 nm – un pointeur laser vert – à 88 % de sa puissance totale, alors qu’un rayonnement de 1 W à 633 nm – un pointeur laser rouge – est perçu à 26 % de sa puissance totale, comme le montre le graphique suivant, basé sur les données publiées par le CVRL.

Figure

The 2-deg luminous efficiency that shows our optical efficiency to perceive colour. As seen in the figure, we perceive green light much more efficiently than red or blue light.

Au lieu d’unités de mesure radiométriques (W), on utilise des unités lumineuses qui corrigent en fonction de la réponse de l’œil, selon la longueur d’onde. Le flux lumineux (en lumens) émis par une source de lumière incohérente à large spectre est calculé comme suit (p. 52 de [1]) :

E_vis est le lux lumineux visuel, en lumens
E_λ est la répartition spectrale énergétique (W/nm)
V(λ) est la fonction d'efficacité lumineuse (sans unités)
683 est un facteur de pondération (lumen/W)

La fonction d’efficacité lumineuse V(λ) traduit la réaction psychophysique relative de l’œil à un intervalle de longueurs d’onde, comme le montre le graphique. La fonction doit être utilisée directement comme l’établit la formule (c.-à-d. que l’intégrale de V(λ)dλ n’égale pas 1) puisqu’elle établit dans quelle proportion l’œil réagit à un intervalle de longueurs d’onde donné

NOTE : Si la source lumineuse (p. ex. une DEL) émet dans l’infrarouge ou l’ultraviolet, la puissance émise par la source doit être donnée en watts.

Soit dit en passant, étant donné notre réaction différente à différentes longueurs d’onde, il est tout à fait inutile que les pointeurs laser verts aient la même puissance que les pointeurs laser rouges. Les pointeurs laser rouges ont souvent une puissance d’environ 1 mW, donc pour avoir une intensité perçue équivalente, un pointeur laser vert n’a besoin que de 0,25 mW, plutôt que des 5 mW habituellement proposés.

[1] R. Henderson, K. Schulmeister, Laser Safety. Bristol, UK: IoP Publishing, 2004

Évaluation d'une source incohérente

Pour donner un exemple d’évaluation des dangers liés au rayonnement optique incohérent, voyons le cas d’une DEL verte à émission par la surface ayant les spécifications suivantes :

flux lumineux	700 lm
angle d'émission à mi-hauteur	95 °
taille de la puce	5 mm × 5 mm

Dans cet exemple, la DEL émet le spectre suivant (sous la forme d’une courbe normalisée, la luminance spectrale montrée ici a été calculée). Nous voulons convertir la courbe normalisée en luminance spectrale afin de pouvoir évaluer les dangers thermiques et les dangers liés à la lumière bleue de cette source pour la rétine.

Figure

Spectre d’émission d’une DEL. Notez que la luminance spectrale a déjà été calculée pour cette courbe à partir du raisonnement suivant.

Pour obtenir la courbe réelle d’émission, la courbe d’émission normalisée et la fonction d’efficacité lumineuse ont été placées dans un tableur, avec une résolution de 0,1 nm pour la longueur d’onde. En prenant l’intégrale totale (en multipliant les colonnes ensemble puis en additionnant les produits), on obtient une valeur de 21 453. Le flux lumineux escompté est de 700 lm; par conséquent, une constante de 30,65 (21 453/700) fait disparaître la normalisation (en présumant que l’instrument utilisé pour établir le spectre a une réponse spectrale uniforme).

Après l’élimination de la normalisation, on intègre le spectre sur la longueur d’onde (en faisant la somme pour la colonne du spectre) et en divisant par la constante, on obtient la puissance optique émise dans cette portion du spectre visible : 1,50 W.

Truc : Pour vérifier ces calculs, il faut remarquer qu’à un pic de 515 nm, on a une réponse oculaire de 62,5 % (voir figure). Pour 700 lm à 515 nm, ce flux lumineux correspondrait à 1,64 W (ce qui se trouve dans une marge de 10 % de notre résultat).

On peut convertir la puissance calculée de 1,5 W en luminance en la divisant par la surface de la puce et par la moitié de l’angle solide de l’émission à mi-hauteur. La surface est simple; pour l’angle solide, la moitié d’un angle plan de 95° donne 2,04 stéradians (sr).

La luminance totale de cette source est 2,9 W/cm²sr, ce qui nous donne la luminance spectrale (la luminance en fonction de la longueur d’onde) que montre la figure ci-dessus, employée pour l’évaluation des dangers.

Évaluation des dangers

Nous pouvons maintenant évaluer les dangers thermiques pour la rétine et les dangers photochimiques (lumière bleue) pour la rétine. En multipliant la luminance spectrale ci-dessus par chacune des fonctions de phototoxicité oculaire, on obtient une luminance thermique réelle de 2,9 W/cm²sr et une luminance en lumière bleue réelle de 180 mW/cm²sr.

Dangers thermiques pour la rétine

Si on étudie la courbe d’exposition thermique de la rétine pour des expositions supérieures à 250 ms, la limite d’exposition se situe à 2,8/α W/cm²sr, où α est le diamètre angulaire de la DEL à la position où l’on effectue l’évaluation, si la source sous-tend un angle plan mesurant entre 1,5 mrad et 100 mrad. La distance la plus dangereuse (utilisée dans l’évaluation) est de 20 cm, et une puce mesurant 5 mm x 5 mm, à incidence normale, sous-tendrait un angle plan de 25 mrad, ce qui porterait la luminance réelle allouée pour cette source à 100 W/cm²sr. Cet exemple ne présenterait pas de danger thermique pour la rétine.

Dangers photochimques

La limite d’exposition photochimique à la lumière bleue montre que la dose totale permise en quelques heures est de 100 J/cm²sr. Pour une source qui émet 2,9 W/cm²sr, il faudrait plus de 9 minutes pour atteindre cette dose.

Rayonnement optique incohérent

Programme de sécurité d'ROI

Œil

Effets photochimiques sur la rétine (380 nm – 550 nm)

Effet thermique sur la rétine (380 nm – 1,4 µm)

Danger dû aux effets thermiques sur la cornée (1,4 µm – 1 mm)

Calculer l’exposition réelle

Figure

Peau

Dommages thermiques (380 nm – 1 mm)

Photosensibilisation et réactions du système immunitaire (habituellement aux rayons UV)

Références

Limites concernant les dangers thermiques pour la rétine (380 nm – 1,4 µm)

Figure

Limite relative au danger photochimique de la lumière bleue pour la rétine (380 nm – 550 nm)

Limite relative au danger thermique pour la cornée et le cristallin (1,4 µm – 1 mm)

Limites relatives au danger thermique pour la peau (380 nm – 1 mm)

Références

Figure

Évaluation d'une source incohérente

Figure

Évaluation des dangers

Dangers thermiques pour la rétine

Dangers photochimques