Sicherheitsberechnung eines Lasers Klasse 2 / 1mW

[oberon]

Zur meiner Person:
ich bin Ingenieur /Fachrichtung Elektrotechnik und konstruiere medizintechnische Geräte.

Zur Situation:
Die Zertifizierung eines Messsystems mit einem integrierten Laser steht an, und bezüglich der Lasersicherheit nach DIN EN 60 825-1, BGI832 ist diese auf Sicherheit zu bewerten. Ich hoffe hier auf sachkundige Reaktionen meiner Sicherheitsberechnung!
Die Messsituation: Ein Proband schaut in Richtung einer Kamera auf eine Fixationslampe. Unter einem Winkel von 21° wird ein Dauerstrichlaser der Klasse 2 (650 nm, max. Popt = 1mW) auf die Hornhaut des Auges fokussiert (Triangulationsmessung). Eine kreisförmige Lochblende mit Ø = 1,0 mm ist am Strahlenausgang des Lasers fest verschraubt. Die gemessene Lichtleistung am Auge entspricht 20 µW (durch Leistungsregelung am Laser eingestellt). Der Abstand „Laser-Auge“ beträgt 125 mm.
Meine Sicherheitsbewertung: Die Bestrahlungsstärke von der Hornhaut auf die Retina ist dann am Größten, wenn kollimiertes Licht auf das Auge fällt. Dies wird angenommen.

Die Winkelausdehnung der Quelle:
α = 2 •arctan(0.5 •1 /125) = 8 mrad.

Der Korrekturfaktor:
C6 = 8 mrad / 1,5 mrad = 5,3 (1,5 mrad < α < 100 mrad).

Da es nicht Absicht ist den Strahl zu beobachten wird eine Zeitbasis von t = 100 s angesetzt.

Der MZB ist dann (t > T2 = 10s):

MZB = 18 •C6 •T2^(-0,25) in W/m^2
MZB = 53 W/m^2 .

Die Bestrahlungsstärke in der Messsituation (kreisrunde Lochblende):

E = Popt / A = 20µW • 4 / (3,14 • (1mm)^2) = 26 W/m^2.

Die Bestrahlungsstärke liegt unter dem erlaubten MZB Wert und ist damit sicher.

Kann man diese Betrachtung so folgen? Ein besonderes Problem stellt sich für mich die Annahme der kollimierten Bestrahlung. Tatsächlich liegt eine Fokussierung des Stahls auf die Hornhaut vor, wenn auch die Annahme schlüssig ist, dass bezüglich der max. Bestrahlungsstärke die retinale Abbildung günstiger ist als beim kollimierten Licht!
In unserem Entwicklungslabor wurde auch die Meinung vertreten, dass bei einem Laser der Klasse 2 respektive 1mW und die Verwendung in der Messungsituation mit 20 µW eine weitere Sicherheitsbetrachtung nicht notwendig sei, da bei dieser Klasse der Lidschlussreflex gilt, sofern er nicht unterdrückt wird. Gibt es hierzu Erfahrungen mit den Zertifizierungsbehörden?


Mit Dank im Voraus für anregenden Antworten

Theo

[oberon]

Hallo Dr. Ulli

Der verwendete Laser ist vom Hersteller in Klasse 2 zertifiziert, mit integrierte Optik, die einen Fokus von 20 mm bis parallel (kollimiert) erlaubt! Ich verwende keine weiteren optischen Elemente im Strahlengang!

Die Reflexion des Laserstrahls auf der Hornhautoberfläche wird von der Kamera beobachtet und erwartet den angegebenen Leistungswert von 20 µW (andernfalls ist der "Fleck" nicht mehr zu beobachten).

Der Proband wird in seiner Handlungsfreiheit nicht beeinträchtigt. Er kann sowohl das Lid schliessen oder sich abwenden. Die Messung aber beträgt etwa bis zu 1-2 Minuten, wobei der Proband n i c h t in die Laserquelle sieht, sondern auf ein Fixationslicht.

Gruß Theo

[oberon]

Hallo xxx und sanaia

@xxx:
Ich habe hier im Forum mitbekommen, dass Ekkhard auf dem Gebiet der Lasersicherheit eine Kompetenz darstellt. Danke für deinen ersten Beitrag zu meinem Anliegen.

@sanaia:
Ich habe im Internet zu dem Thema Lidschlussreflex eine Menge lesen können und mir ist klar, das die Reaktionszeit von 0,25 s bei Klasse 2 nicht adäquat ist!
Meine Berechnung folgt deine pragmatische Herangehensweise: direkter Blick in die Quelle für 100 s!

Euch einen Gruß
Theo

[sanaia]

Meine Berechnung folgt deiner pragmatische Herangehensweise: direkter Blick in die Quelle für 100 s!

na dann ist's ja gut. Genaueres kann höchstens ekkhard sagen - der ist hier unser sicherheits-papst.

[ekkard]

Hallo Theo!
Aus Sicht der Norm ist die Messsituation eine direkte, beabsichtige (engl.: intended) Bestrahlung. D. h. die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) nach Tabelle 6 der Norm ist hinreichend sicher zu unterschreiten. Die Laserklasse ist eine Emissionskennzeichnung und für das Problem von sekundärer Bedeutung.
Erste Frage vorweg: Warum ein Laser?
Also, wenn Laser, dann muss für die Mess- oder Beobachtungsdauer (nicht für die Zeitbasis 100 s) die MZB eingehalten, wegen der nachhaltigen Blendung im oberen Toleranzbereich der MZB besser deutlich unterschritten werden.
Ich nehme einmal an, dass die Wellenlänge des Lasers größer ist als 580 nm (gelb, orange oder rot). Dann können die thermischen Grenzwerte heran gezogen werden.
Ich nehme ferner an, dass α < 1,5 mrad ist (warum: später!). Damit beträgt die einzuhaltende MZB = 10 W/m².
Wenn der Laser 20 µW auf die Pupille schießt, dann berechnest Du 26 W/m². Diese Berechnung ist falsch. Die Oberfläche der Hornhaut ist gar nicht sonderlich empfindlich. Wichtig ist die Netzhaut-Bestrahlungsstärke und die richtet sich nach der in die Pupille eintretenden Leistung und der Quellengröße. Die MZB beziehen sich daher immer auf die 7-mm-Pupille also auf 38,5 mm² . 20/38,5= 0,52 W/m². Die MZB wird also ohne alle Klimmzüge eingehalten, wenn die 20 µW stimmen.

Die Winkelausdehnung der Quelle: α = 2 •arctan(0.5 •1 /125) = 8 mrad. …

Das ist leider eine Milchmädchenrechnung. Eine beleuchtete Lochblende von 1mm Durchmesser definiert nicht die Winkelausdehnung der Quelle. Die kann bei Lasern erheblich kleiner sein (auch größer, dann stimmt's) und richtet sich nach der Strahltaille. Derjenige minimale Durchmesser (scheinbare Quelle) in mm, durch den 63% der Leistung hindurch treten, bezogen auf 100 mm (Festwert) definieren den Winkel α.
Die Bestrahlungsstärke liegt unter dem erlaubten MZB Wert und ist damit sicher.

Ein besonderes Problem stellt sich für mich die Annahme der kollimierten Bestrahlung. Tatsächlich liegt eine Fokussierung des Stahls auf die Hornhaut vor, wenn auch die Annahme schlüssig ist, dass bezüglich der max. Bestrahlungsstärke die retinale Abbildung günstiger ist als beim kollimierten Licht!

Korrekt! So wird auch tatsächlich gerechnet.

In unserem Entwicklungslabor wurde auch die Meinung vertreten, dass bei einem Laser der Klasse 2 respektive 1mW und die Verwendung in der Messungsituation mit 20 µW eine weitere Sicherheitsbetrachtung nicht notwendig sei, da bei dieser Klasse der Lidschlussreflex gilt, sofern er nicht unterdrückt wird.

Nein. Die Norm nimmt für Klasse 2 nur eine kurze, eher zufällige Bestrahlung an. Untersuchungen der Fachhochschule Köln, Prof. Reidenbach und Mitarbeiter, konnten nachweisen, dass sich nur vorgewarnte Personen durch Abwendung oder Lidschluss schützen.

Gibt es hierzu Erfahrungen mit den Zertifizierungsbehörden?

Ja, natürlich. Aber das Wesentliche habe ich oben im Text bereits eingearbeitet. Ich würde mich an Deiner Stelle ohnehin schon mal mit den Zertifizierern (VDE, TÜV Rheinland Medizintechnik, BG) in Verbindung setzen.

[oberon]

Hallo Ekkard

Vielen Dank, dass Du dich meiner angenommen hast! Mit deinem Beitrag sehe ich, dass Du die Autorität in der Sache bist, auf die ich hier schon hingewiesen wurde.

Zuerst zur Frage warum ein Laser verwendet wird: Dies ist in der Eigenschaft des Lasers begründet. Der Laser erzeugt auf die spiegelnde Oberfläche des Auges einen kleinen Leuchtfleck, der mit dem Abstand zur Kamera „wandert“. Mit dem axialen Fixationslicht, dessen Spiegelbild zu beobachten ist, entsteht so ein Koinzidenzkriterium, die die fokale Ebene festlegt.

Du hast mit deinen Anmerkungen den Kern der Sache getroffen. Meiner ersten Sicherheitsbewertung entsprach auch deine Berechnung. Hierbei stellt sich aber für mich das Verständnisproblem zur Berechnung der tatsächlichen Leistungsdichte. Die MZB bezieht sich zwar nach Norm auf die 7-mm-Pupille, eine gemessene Leistung muss sich aber auf die tatsächliche Flächenbestrahlung (beim kollimierten Licht auf seine Querschnittsfläche) beziehen, wenn ihre Dichte angegeben werden soll (also 26 W/m^2, ohne Berücksichtigung der „63%“). Ich hatte die Norm diesbezüglich mehrmals konsultiert, aber offensichtlich falsch interpretiert: es ist nicht die tatsächliche Leistungsdichte bei < 7 mm in der Messsituation von Bedeutung, sondern die, welche bei gegebener Leistung auf eine 7-mm-Blende vorliegt. Zu meinem Verständnis: ich könnte den Strahl mit d = 1 mm also auf d = 7 mm aufweiten, die Leistung messen (es bleibt 20 µW) und erhalte die Dichte von 0,52 W/m^2, die für die MZB -Bewertung von Bedeutung ist. Damit wird dann bei einer Winkelöffnung von < 1,5 mrad nach Norm der MZB von 10 W/m^2 eingehalten.

Offensichtlich ist bei der Messung der Leistungsdichte von seitens der MZB -Betrachtung auszugehen und nicht von den tatsächlichen Verhältnissen. Damit erübrigt sich ja auch die Frage nach kollimierte oder fokussierte Bestrahlung!

Ich danke für deine sachkundigen Anmerkungen und wünsche Dir eine schönes Wochenende

Theo

[ekkard]

Hallo Theo,

Zuerst zur Frage warum ein Laser verwendet wird: Dies ist in der Eigenschaft des Lasers begründet. Der Laser erzeugt auf die spiegelnde Oberfläche des Auges einen kleinen Leuchtfleck, der mit dem Abstand zur Kamera „wandert“. Mit dem axialen Fixationslicht, dessen Spiegelbild zu beobachten ist, entsteht so ein Koinzidenzkriterium, die die fokale Ebene festlegt.

Das sieht aber verdammt nach normaler, geometrischer Optik aus! Das genannte Ziel würde mit jeder anderen Punktquelle auch erreicht. Die typischen LASER Eigenschaften wie Interferenz, Kohärenz, Speckle usw. werden dazu nicht genutzt.
Nun gut, eine Laserdiode ist heute eine der simpelsten Punktlichtquellen!

Meiner ersten Sicherheitsbewertung entsprach auch deine Berechnung. Hierbei stellt sich aber für mich das Verständnisproblem zur Berechnung der tatsächlichen Leistungsdichte. ...

Eine "tatsächliche" Leistungsdichte (Bestrahlungsstärke) gibt es nur als Grenzfall verschwindenden (infinitesimalen) Blendenquerschnitts. Dies bedeutet aber in unserem Zusammenhang nichts. Um die biologische Wirkung zu ermitteln, muss man dann ein Integral über eine endliche Blende bilden. Dies wäre die in der Dunkelheit offene Pupille, die normgemäß mit 7 mm Durchmesser angesetzt wird.
Du hättest mit Deinem sehr viel höheren Wert Recht, wenn Du auf der Hornhaut mit relativ geringer Leistung schweißen möchtest. Dann müsstest Du die "tatsächliche" Bestrahlungsstärke durch Verkleinerung der Fläche soweit erhöhen, dass das Gewebe verschmort.
Es gibt dabei allerdings Grenzen: Mit abnehmender Fläche tritt zunehmend Beugungsbegrenzung der abbildenden Optik ein, so dass der Brennfleck nicht beliebig klein werden kann. Ferner wird das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des erwärmten Gewebes derart ungünstig, dass ab einer bestimmten Temperatur mehr Leistung abgegeben als absorbiert wird. Deshalb kann man mit µW auch beim besten Willen nicht schweißen (weder auf der Horn- noch auf der Netzhaut).
Die Vorgehensweise der Norm nimmt auf diese Begrenzungen Rücksicht und vereinfacht zugleich das Beurteilungsverfahren.

Ich hatte die Norm diesbezüglich mehrmals konsultiert, aber offensichtlich falsch interpretiert: es ist nicht die tatsächliche Leistungsdichte bei < 7 mm in der Messsituation von Bedeutung, sondern die, welche bei gegebener Leistung auf eine 7-mm-Blende vorliegt.

Die Norm schreibt primär eine ganz konkrete Messung vor. Die Berechnungen sind nur "auch erlaubt", sofern sie die normgemäße Messung nachbilden.

Offensichtlich ist bei der Messung der Leistungsdichte von seitens der MZB -Betrachtung auszugehen und nicht von den tatsächlichen Verhältnissen. Damit erübrigt sich ja auch die Frage nach kollimierte oder fokussierte Bestrahlung!

Ganz recht!

[oberon]

Hallo Ekkard

In der Tat hätte es auch mit einer anderen Lichtquelle funktioniert, z.B. LED! Diese Quelle müsste dann aber die gleichen Parameter wie schmale Strahltaille, Leistung und Wellenlänge (Farbe rot) haben. Nach BGI 832 hätte ich auch dann sinngemäß eine Sicherheitsbewertung durchführen müssen.

Die Definition der Leistungsdichte (Bestrahlungsstärke) ist mir bekannt. Meine Auslegung der MZB Berechnung lässt sich vielleicht durch ein Analogon aus der Mechanik beschreiben:

Die aufnehmbare Belastung (Druckfestigkeit, resp. MZB) einer Konstruktion (z.B. Boden) wird normalerweise als Kraft x Fläche (N/m^2) angegeben. Es ist dann nicht unwichtig, ob ein Körper mit gegebener Gewichtskraft auf die Fläche verteilt (resp. 7 mm -Pupille) oder auf einen „Pfennig-Absatz“ (resp. 2 mm -Strahlquerschnitt) die Konstruktion belastet. Im zweiten Fall kann die Last pro Fläche leicht die Druckfestigkeit überschreiten.

Soviel zur Analogien und ihre „Fallstricke“: Meine Fehlinterpretation ist offensichtlich. Die Bestrahlungsstärke an der Hornhaut (nur dort ist sie ja auch messbar!) bezieht sich auf die Netzhaut –Gefährdung. Egal wie ich die Strahlleistung auf seinen Querschnitt verteile, bei Annahme einer weitgehenden aberrationsfreien Optik des Auges wird die Netzhaut –Bestrahlungsstärke die gleiche bleiben. Die in der Norm vorgeschriebene 7 mm Messblende und die Berücksichtigung der Winkelausdehnung der scheinbaren Quelle zur MZB -Bewertung erschließt sich mir dann von selber!

Vielen Dank Ekkard, dass Du mit deinen Bemühungen mir auf die „Sprünge“ geholfen hast.


Herzlichen Gruß

Theo

[ekkard]

Hallo Theo,
schau Dir mal die Klasse 1 Messungen an. Dort ist von einer Leistung die Rede, die in die Pupille fällt. Über deren Verteilung wird solange nichts gesagt, wie "alles in die Pupille" fällt. Erst bei aufgeweiteten Strahlen (Klasse 1M bzw. 2M) wird eine Bestrahlungsstärke ermittelt. Im Übrigen hast Du das Problem jetzt wohl durchschaut.

Bis zum nächsten Problem!