ASER0101011010010激光产品人眼安全白皮书德国莱茵TUV与禾赛科技联合发布IN COOPERATION WITH禾赛科技TUVRheinlandPrecisely Right.版权声明本报告版权为德国莱茵T心W与禾赛科技共同所有，由德国莱茵T心V及禾赛科技负责发送和提供相关咨询服务。德国莱茵T心V与禾赛科技对白皮书拥有唯一著作权。报告有偿提供给限定客户，应限于客户内部使用，仅供客户在分析研究过程中参考。如客户引用报告内容进行对外使用，所产生的误解和诉讼由客户自行负责，本单位不承担责任。如将来用作商业或其他用途，未经本公司同意，不得以任何异于本报告原样之装订或包装形式将本报告出借、转售、出租、或在网上发布。凡使用本报告者均受本条款及本报告一切有关版权之条款约束。如未获得德国莱茵T心W与禾赛科技书面允许，不得用任何方式抄袭或翻印本报告任何部分之文字及图片，在任何媒体上（包括互联网）公开引用本报告的数据和观点，否则引起的一切法律后果由该使用者自行承担，同时其行为亦涉嫌侵犯了德国莱茵T心V与禾赛科技的著作权，德国莱茵T心V或禾赛科技均有权依法追究其法律责任。报告的所有图片、表格及文字内容的版权归德国莱茵T心N及禾赛科技共同所有。其中，部分图表在标注有数据来源的情况下，版权归属原数据所有公司。凡有侵权行为的个人、法人或其它组织，必须立即停止侵权并对其因侵权造成的一切后果承担全部责任和相应赔偿。否则我们将依据中华人民共和国《著作权法》等相关法律、法规追究其经济和法律责任。德国莱菌TUW大中华区禾赛科技激光产品人眼安全白皮书01前言02激光产品人眼安全现状调研03第一章激光为何会影响我们的眼睛健康？031.1了解我们的限睛0412人眼可见的光谱041.4激光及激光的特性051.5激光技术的普及和应用06第二章激光的安全与防护072.1激光的危害082.2激光的安全等级分类102.3现行全球激光安全标准12第三章激光制造业人眼安全解决方案一一激光雷达助力无人驾驶133.1车载激光雷达的发展背景143.2车载激光雷达的优势153.3车载激光雷达的工作原理153.4车载激光雷达的激光安全163.5车载激光雷达未来以及激光安全的相关问题17第四章激光产品人眼安全标准发展进程184.1消费者对激光产品的认知和评价194.2为激光制造业构建安全健康的环境激光产品人眼安全白皮书前言激光技术的快速发展和普及给我们的工作和生活带来了很大便利，人脸识别、无人驾驶、激光投影等技术也越来越多地让我们的限睛暴露在各种激光辐射中。这些应用的激光安全如果得不到严格控制，会给用户以及带来很严重的安全隐患：与此同时，人脸识别等高频率、低功率、长时间的激光辐射累积所带来的潜在危害还没有得到深入的研究。特别是对于快速增长的近红外激光器的应用，由于发射的激光对人眼不可见，用户对于激光辐射的位置、强度、以及风险并不知情。该白皮书将会主要以激光雷达为例，系统讲述不可见近红外激光器如何做到人眼安全。当前的汽车行业正在面临着巨大的历史变革，人工智能、新材料等技术的创新不断推动着汽车行业向电动化、网联化、智能化和共享化的方向发展。汽车自动驾驶技术的实现在减少交通事故、缓解交通拥堵、提高道路及车辆利用率等方面具有巨大的潜能，环境感知系统是自动驾驶技术中基础且至关重要的一环，是安全性和智能性的关键保障。激光雷达使用激光作为测量媒介，在精确高效重建三维环境方面具有无可取代的优势，是自动驾驶环境感知系统的关键部件，被形象地称为自动驾驶车辆的“眼睛”。德国莱菌T心V与禾赛科技致力于激光产品安全性及可靠性的研究，从产品设计、失效分析、测试认证以及质量管控等环节出发，满足一系列的标准及法规。我们希望通过《激光产品人眼安全白皮书》能够让激光产品的安全性问题得到更广泛的了解和更多的重视。我们将持续关注国际上激光安全标准的研究进展，在确保产品安全性的前提下，为用户提供性能更强、可靠性更优的创新型产品。Frank HolzmannTUV Rheinland禾赛科技Vice President董事长兼首席科学家激光产品人眼安全白皮书激光产品人眼安全现状调研激光的应用在过去几年经历了非常快速的发展，从高端的工业加工制造领域，走向了老百姓日常生活的方方面面，将会极大地方便我们的生活，提升我们的生活质量。快速增长的人脸识别，激光雷达等新兴激光应用将使人眼直接接触不可见激光的辐射。德国莱茵T心V一直致力于激光产品人眼安全问题的研究，以保障消费者的用眼安全为己任。为此我们做了如下调研，说明消费者对于激光安全的认知状况，作为我们进一步发展激光人眼安全的基础。VD:12.0PD:.NO.8037REFMANUAL0SPHCYL AXMODEDISPVDSIZEILLUM FUNC第一章激光为何会影响我们的眼睛健康？1.1了解我们的眼睛在人的所有感知中，视觉系统是最主要的信息获取来源。视觉系统由限睛，视神经以及大脑共同组成：黄斑其中，眼睛是人类视觉系统的最主要组成部分，是自然界中已角膜知的最复杂，最高效的光学器件。人眼类似于一个光学信息处理系统，但它不是一个普通的光学信息处理系统，还受到神经晶状体系统的调节。人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面是视神经由角膜、晶状体、前房、后房、玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当于胶卷的用视网膜于检测光线的视网膜上。图1.1视觉系统图激光产品人眼安全白皮书1.2人眼可见的光谱1.4激光及激光的特性据科学研究表明，眼睛的性能与太阳的关系最为密切。事实激光是受激发射的光放大（英语：Light Amplification by上，人眼发展成这样一个复杂灵巧、维妙传神的光学系统，是Stimulated Emission of Radiation)缩写就是"LASER”。受人类在自然选择过程中，漫长进化的一个结果。我们的眼睛能激发射概念是由阿尔伯特·爱因斯坦在他1917年发表的论文《关够对于波长范围在380到780纳米之间的可见光波段做出响应，于辐射的量子理论》中提出的：大约10年后，英国著名物理学对于其他波长范围的光没有视觉感知，但是，这不代表其他波家、剑桥大学教授保罗狄拉克首次实验证明受激发射的存在。长的光对于我们的视觉健康没有影响。1960年TH.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。激光的主要特性有：高能量14由于激光具有高度汇聚的特性，激光具有非常高的能量密度。可见光经过透镜聚焦之后，焦点附近能够形成数千度，甚至上万度的高温，这种特性使得它几乎能加工所有的材料。高度的能量集图1.2光谱图中是激光非常重要的特性，正是因为这方面的优势，使得其能我们眼睛的不同部分会选择性的吸收或透过特定波长的光，同够广泛应用在工业加工和医疗等领域。时，不同的光谱对眼睛各个部分的作用和影响也会不同。在我们考虑激光人限安全的时候，激光的波长范围将会是主要的考方向性虑因素。对于可见光范围内的激光，比如红激光和绿激光，我普通光源发出的光是沿着各个方向进行传播的，发散角很大。们的视觉系统能够产生强烈的自然生理响应，从而导致瞳孔缩相较而言，激光的发散角却很小，几乎是沿着平行方向发射小，闭合眼险以及转头等方式快速躲避过强的激光辐射。但是的。激光器发射的光是一种偏振光，方向固定。激光的高方向对于不可见激光，如紫外线和近红外激光，由于我们无法产生性使其能在有效地传递较长距离的同时，还能保证聚焦得到极亮度，色觉等感知，我们的身体无法做出任何响应，如果持续高的功率密度。照射的激光强度过大，就会对我们的眼睛产生不可逆的损伤。正因为如此，我们需要特别规范不可见激光的使用以及关注对单色性眼睛的影响。光的颜色是由光的波长决定的，而光都会有一定的波长范围。其波长范围越窄，表现出来的单色性就会越好。对于普通的光源，由于谱线宽度比较大，频率范围过宽，表现出来的颜色就会比较杂。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色1.3了解我们的眼睛极纯。相干性虽然我们人眼能够适应的亮度范围很大，但是相比激光，我们光波是由无数光量子所组成的，从激光器中发射出来的光量子的限睛还是非常脆弱。由于眼球结构的特殊性，我们的晶状体由于共振原理，在波长、频率、偏振方向上都是一致的，这就能够像凸透镜一样对激光光束产生汇聚作用，因此极大地增大使得其具有非常强的干涉力。我们一般也将激光称作相干光。危害。正是因为与普通光源相比，激光的相干性要强得多。图1.3眼球结构5激光产品人眼安全白皮书1.5激光技术的普及和应用军事领域伴随激光技术的日趋成熟，半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，它在军事领域也得到了广泛应用，成为我国由于激光具有突出的特性，因此自诞生以来，激光技术得到了国防事业不可或缺的中坚力量。飞速发展，它使人们获得了空前的效益和成果，极大地促进了生产力的发展。目前激光几乎是无处不在，它已经被广泛应用于生活、生产的方方面面。其他热门领域近年来，激光技术的应用飞速发展，并逐步从工业领域向民用领域进军。如正在走入家家户户的激光电视，扫地机器人，智通讯领域：光纤通讯能门锁；智能手机人脸识别功能；以及激光雷达，无人机等。半导体激光器在信息的获取，传输，存储和处理以及显示中也如今激光已经随处可见，我们在享受激光技术带来的便利的同得到广泛应用。21世纪，随着光纤通信的发展，半导体激光器时，是否有关注过激光对人眼的安全呢？光作为光纤通信系统中的光源，是整个系统的核心部分，前景广阔。激光产品激光技术的应用以及发展趋势工业领域：激光打印，焊接，切割目前大多数智能手机中都带有波长为940nm的从1960年第一台红宝石激光器问世以来，到激光技术不断发展Vcsl模组用于人脸识别。据不完全统计，我们每天进行密码解锁、刷脸支付等行为，会进行100次的今天，随着激光器和激光应用技术逐步成熟，激光切割、激手机以上的“刷脸”。每次荆脸时都会有近30000束不光打标等激光加工技术在工业领域中有着重要应用。可见的近红外激光在脸上照射2秒。在这个手机智能时代，激光的照射只会越加频繁。中国激光产品主要应用于工业加工，占据了40%以上的市场空间。在这个汽车行业面临巨大变革的时代，电动化、网联化、是未来的方向，无人驾驶的概念正在一步步激光雷达激光加工作为激光系统最常用的应用，主要技术包括激光焊变为现实，其中的核心就是激光雷达。未来的大街上将充斥着无数条不可见的近红外激光。接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。主要产品则包括各类激光打标机、焊接机、切割机、划片机、雕刻机、热处理机、三维激光测距仪因其测量精度高、系统耗能小、体积小激光测距仪型在这个科技发达的时代被广泛应用。目前国外买成型机以及毛化机等。这类产品已经或正在进入各工业领域。家除了对激光测距仪的安全等级有明确规范，对激光性能、精度也有更全面的要求。信息领域：激光投影，灯光秀作为智能家居中最受欢迎的消费类硬件之一，扫地1970年，世界上第一次舞台激光表演是在慕尼黑的歌剧节上，机器人凭着智能化和方便性，承担了繁重的地面清随后激光秀便成为一种独立的艺术形式，广泛应用于舞台，剧扫地机器人洁工作，越来越受到年轻上班族、家庭、老人的喜爱。院或是地标性建筑。但是不是每个消费者都知道扫地机器人头部装了个小型单线激光雷达，用于识别周边的障碍物。近年来，激光投影机正在被各大厂商所重视并且逐步走入影VR、AR和移动端重合的技术有：显示器、运动传院，办公室及家庭，成为新的关注焦点。人眼设备(ARWR产感器、处理器、储存&记忆、无线连接。激光技术品)的应用能创建更准确的无限制跟踪，可实现高精度和低延迟，并消除了遮挡的问题。医疗半导体激光器体积小、成本低、寿命长、波长可选择、输出功率稳定等优点，特别适用于医疗设备，其临床应用几乎覆盖了图1.4其他热门领域所有其他类型的激光器的应用范围。如低功率810m近红外半导体激光器，由于该波长的激光穿透能力强，屈光间质对它吸收最少，光斑直径可调范围大，是眼科中最常用的热源，可用于治疗青光眼、硅油注入术后难治性高眼压以及视网膜的光凝和固定等；810m半导体激光起能够很好被毛囊内黑色素吸收，产生热效应，破坏毛囊，完成脱毛的效果：大功率半导体激光器也广泛应用于肿瘤的激光切割、凝固手术。这些都为人类的健康进一步提供了保障。激光产品人眼安全白皮书6第二章激光的安全与防护2.1激光的危害激光的主要危害类型：当激光照射我们的眼睛时，为了看清楚眼前的人或物，眼睛会不断的调节聚焦焦距而导致更大的危害的可能：我们对看不见的光更不会有闭限自我保护意识，波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质对其的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力强，强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过屈光介质，聚集于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚集在视网膜上，导致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。这种因为过热而引起的蛋白质凝固、变性是不可逆的损伤。危害类型现象照片激光对生物体的热作用主要通过两种途径实现：一种是碰撞生热。生物体吸收可见和紫外激光后，受激的生物分子可能将其获得的光能，通过多次热危害碰撞转移为邻近分子的平动能、振动能和转动能，使受照体温度升高。另一种是吸收生热，生物体吸收红外光后，光能转变成生物分子的振动能和转动能，使温度升高。视网膜灼伤白内障生物光化效应是指在光的作用下产生的的生物化学反应。生命物质之所以能够活动、生长、复制、发育、修补、繁殖，生化作用起着决定性作用。光的作用是使某些生物化学反应在生物温度下以相当的速率进行。与普通光源相比，激光可使光化反应更方便、易控、有效和广泛。光化反应的全过程大致可分为两个阶段：原初光化反应和继发光化反应。当一个处于基光化学危害态但又不返回其原来分子能量状态的弛豫过程中，多出来的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新建上，发生了一个化学反应，即为原初光化反应。在原初光化反应过程中形成的产物中，大多数是具有高度化学活性的中间产物，如自由基、离子、或其他不稳定的产物。这些不稳定的产物继基底细胞癌续进行化学反应，直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应。光化反应的实例有光合作用、光敏化作用、视觉作用等其他危害激光产品的使用还常伴随着机械危害、火灾危害、电气危害、辐射危害等等。图2.1激光的危害类型激光产品人眼安全白皮书8不同波长的激光对于人体的不同组织的伤害是不同的，参照以下图表：损伤位置损伤类型损伤位置损伤位置U-C200-280nml角膜光性角膜炎UVC (200-280 nm)皮肤表皮层晒黑，红斑U-B280-315nml角膜光性角膜炎UV-B (280-315 nm)皮肤表皮层水肿，疼痛甚至水疱U-A315-400nml品状体白内障黑色素沉积，肤色发Visible (400-780 nm)视网膜视网膜损害黑，产生色斑。损伤U4A315-400nml皮肤真皮层细胞DNA,损伤胶原1R-A780-1400nml视网膜，品状体白内障蛋白，引起皮肤老化，甚至引起皮肤癌。角膜，品状体角膜烧伤，白内障皮肤皮下组织光敏反应，皮肤烧伤IR-C3000-1000000nml角膜IR-A780-1400nm皮肤皮下组织烧伤1R-B(1400-3000nml皮肤皮下组织烧伤图2.2不同激光波长对眼睛的危害IR-C3000-1000000nml皮肤皮下组织烧伤图2.3不同波长激光对皮肤的伤害2.1激光的安全等级分类为了让使用人员能够很简单的识别激光产品的危险等级，我们可以根据激光产品对人体组织的危害机理以及造成的伤害程度将激光产品进行分类。激光产品的波长和功率决定了激光对人体不同组织的伤害。波长决定不同人体组织对激光的吸收特性以及危害的机理，功率和能量则会决定激光危害的程度。国际电工委员会标准依据激光产品的波长、最大输出激光功率或能量将激光产品分为了几个大的安全等级，他们就像激光产品的名片一样，代表了激光产品的危害程度，用户需要注意的事项。因此，不管是普通消费者还是专业操作人员，我们都要正确认识激光的等级，明白其代表的危害程度、注意事项，才可以避免很多激光伤害事故的发生。激光安全等级分类详述：CLASS4国际电工委员会标准(1EC608251)依直接光束和放射光都有危害据激光产品的波长以及最大输出激光功CLASS 3B直接光束有危害率，将激光产品分为了以下7个等级：1、1M、2、2M、3R、3B、4。其中CLASS 3R直视光束有危害1M,2M两个等级代表产品的安全等级分别和1、2级一致，但在使用如望远镜CLASS 2M安全使用，但使用放大镜、望远镜等光学设备增加危险等光学设备时，可能将危害程度放大从而超越1、2级的危害。3级也分为3R和CLASS 2安全使用，但不能故意注视激光光束3B两个子级别。CLASS 1M正常使用没有危害，但使用放大镜、望远镜等光学设备增加危险接下来我们通过图2.4和图2.5来了解具CLASS1没有危害体的分类情况以及不同类别代表的危害程度：图2.4IEC60825-1激光等级分类及其代表危害程度9激光产品人眼安全白皮书激光等级激光危害情况描述举例基于现在的医学知识，被认为是安全的。在产品正常工作的条件下，眼睛都不会受到有眼科激光曲率测量仪、Class 1危害的光学辐射。或者虽然是产品含有有伤害性的激光，但被放置在相应的密封产品里，DVD播放器没有任何有害的辐射能逃出封闭装置。大直径或高发散度光束。正常使用时没有危害，当使用望远镜等光学设备时会有超过Class 1M小功率光纤通讯激光器Class1限值的危害。小功率、可见激光(4O0-700nm),属于低危险激光。通常人眼自然厌光反应(Aversion激光扫描仪、激光笔response)会保护人眼，只有故意持续凝视时，才会造成眼部伤害。小功率、可见激光(400-700nm),大直径或高发散度光束。正常使用情况时通Class2,Class 2M当使用望远镜等光学设备时危害会超过Class2。激光水平仪器Class 3R正常使用没有危害，直视光束有危害。激光测距仪Class 3B直视或看到二次光束时可能会造成伤害，散射光束没有危害。演示激光器Class 4直接光束，反射或散射光束都可造成眼睛或皮肤伤害。激光焊接、打标机图2.5激光等级分类代表危害详述了解了激光危害等级的意义，我们再来看看当我们见到一个激光器时，怎么能够知道它的等级呢？其实，经过严格检测和认证的激光产品，都在用户可以看得见的地方有明显的激光等级标识，如以下图所示：激光等级激光安全标识举例激光安全警示语举例是否需要安全防护LASER1类激光产品不需要1△CAUTION激光辐射Class 1MLASER请勿使用望远镜观看光束不需要1M1M类激光产品△CAUTION激光辐射Class 1CLASER参考使用指导参考使用指导1C1C类激光产品激光辐射ASERClass 2请勿注视光束不需要2类激光产品Class 2MLASER请勿注视光束或使用望远镜观看光束不需要2M2M类激光产品激光辐射Class 3RLASER避免眼睛直接暴露在光束中不需要3R3R类激光产品Class 3BLASER防护眼镜，防护手套，3避免暴露在光束中3B类激光产品防护服等避免眼或皮肤暴露在直接或散射激光光束中防护眼镜，防护手套，防护服等4类激光产品图2.6激光等级安全标识及警告语激光产品人眼安全白皮书10激光等级常见的问题剖析：对人产生危害，但并不是所有的激光器都是如此。有很多分类根据激光等级分类条件，不同等级代表着不同的危害程度和使为1类的激光器，其内部可能使用Class3B或4的激光源，如果用限制，所以并不是所有产品都可以做成任意激光等级在市场我们使用不当，当打开机器防护外壳或故意改变光路时，可能上销售。接下来我们通过几个对激光等级常见的问题进行讨会造成更高等级的激光光束泄露，从而造成人身危害。论，希望引起大家的注意：3.指示类激光器为什么一定要先定在Cass2以内？1.儿童玩具类激光产品必须满足C归ss1的要求吗？激光笔、激光测量设备、带激光指示的工具类设备等普通消费当玩具中应用了激光技术，不管是可见或不可见的激光，都要者可以接触到或使用的产品，其等级一般不能高于Class3R。特别注意儿童会因为好奇心强，不明白警示标识的含义，可能有一些市场，比如欧洲，澳大利亚等要求指示类激光器，如激会以非常危险的方式持续注视激光而造成严重的眼睛伤害。目光笔等必须符合Csss2或更低等级的要求才能销售。前，尤其在中国，很多儿童都可以轻易的获得激光笔或玩具型激光投影机之类的产品，有些产品的激光功率远远高于C归ss14.如果我们不能确定激光器的等级该怎么办？的限值，是非常大的安全隐患。因此，各国都强制要求玩具激在研发、调试过程中，我们有时无法确定产品内部某一部分的光产品必须满足Class1的等级。激光等级，这时，我们不能因为麻烦而简单的假定其等级就和激光源等级相同或是很低的等级，相反，我们一般要假设其是2.Cass1的激光器就绝对安全吗？Class3B甚至Class4的等级，做好充分的安全防护措施，比如有一部分1类激光器因为其自身固有的发射功率非常小而不会佩戴激光防护眼镜，防护手套等，避免意外事故的发生。2.3现行全球激光安全标准随着激光产品向多类型、高功率等方向的迅速发展，近年来全球各国政府以及科技工作者对激光的危害和防护寄予了充分的重视，颁布了一系列的激光安全标准。标准名称适用产品或范围目标市场1EC60825-1:2014产品激光安全等级分类及要求1EC60825-2:2010光纤通讯系统激光安全要求IEC60825-4:2016激光防护屏安全要求1ECTR60825-3:2008激光显示及激光演示安全要求1ECTR60825-5:2016制造商检查清单1ECTR60825-8:2006用于人体的激光光束安全使用指导1ECTR60825-13:2011测量和激光等级分类全球1ECTR60825-14:2004用户指导1ECTR6082517:2015大功率光纤通讯系统中应用被动光学元件及光纤的安全考虑IEC/TR60825-16:2009强激光光源应用于人体和动物的安全要求1EC60825-12:2005自由空间信息传输的光学系统安全1S011553-1激光加工设备第1部分：通用安全要求1S011553-2机械安全·激光加工机械·第2部分：手持式激光加工设备的安全要求1S011553-3机械安全·激光加工机械·第3部分：激光加工机和手持的噪声减少和噪声测量方法图2.7 IECEE&IS011激光产品人眼安全白皮书标准名称适用产品或范围目标市场21 CFR Part 1040.10激光产品21 CFR Part 1040.11特殊目的激光产品ANSI Z136.1激光器的安全使用ANS1Z136.2激光二极管和LED光源的光纤通信系统的安全使用ANS|Z136.3保健设施中激光器的安全使用美国ANSI Z136.4危害评定用激光器安全测量的美国国家标准推荐实施规程ANS1Z136.5教育机构中激光设备的安全使用ANSI Z136.6户外激光器的安全使用ANS|Z136.8研究、发展或测试中的激光安全ANS1Z136.6生产制造环境中的激光安全2.8 FDA 21CFR ANSI Z136标准名称适用产品或范围目标市场GB7247.1:2012激光产品的安全第1部分：设备分类、要求中国AS/NZS60825.1:2014产品激光安全等级分类及要求澳大利亚、新西兰J1SC6802-2011激光产品的安全性日本图2.9其他国家和地区激光安全规苑列表激光产品人眼安全白皮书12第三章激光制造业人眼安全解决方案激光雷达助力无人驾驶