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Institute for Applied Physics “Nello Carrara”
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Relazione Tecnica per la classificazione in base alla
normativa CEI EN 60825-1 (02/2003 - Quarta edizione)
del sensore OSI LaserScan AS-615
Firenze, 15 Dicembre 2005
Dr. Giovanni Agati
(Responsabile Scientifico)
Dr. Pier Luigi Emiliani
(Direttore IFAC-CNR)
IFAC – CNR, via Madonna del Piano 10, 50019 Sesto Fiorentino (FI), Tel. (+39) 055 5226436, fax (+39) 055 5226477
Premessa
Il sensore OSI LaserScan AS-615 in esame e’ costituito da un sistema a scansione con
emettitore a diodo laser (904 nm) e rivelatore a fotodiodo. Il raggio laser viene riflesso da un
poligono rotante in modo da produrre due fasci separati angolarmente di 10º.
Il sistema e’ munito di cavo di alimentazione per la tensione di 220 V e di cavo per
l’interfaccia con computer. Non esiste un controllo diretto manuale o via software per variare la
potenza di emissione del diodo laser.
Il dispositivo e’ dotato di un controllo elettronico di sicurezza tale da impedire l’emissione
laser in caso di blocco del poligono rotante.
L’apparecchio esaminato e’ identificato dal numero di serie 010367 e data di fabbricazione
07/2005.
Le misure sono state comparate con i criteri di classificazione esposti nella normativa CEI
EN 60825-1 (02-2003 – Quarta edizione).
Dimensioni area emittente
Le modalita’ di misura della potenza di emissione, la valutazione dei Limiti di Emissione
Accessibile (LEA) e dell'Esposizione Massima Permessa (EMP) richiedono la conoscenza
dell'angolo α sotteso dalla sorgente. Cio’ puo’ essere ricavato misurando le dimensioni dell’area
emittente ad una certa distanza dalla sorgente.
La forma dei fasci di emissione e’ stata osservata su carta mediante un sensore sensibile
alla radiazione infrarossa (Electroviewer, mod. 7215 Electrophysics, Nutley, N.J., USA). Su ogni
fascio vengono rivelati 30 spots, tuttavia la definizione dell’immagine non permette una misura
accurata delle dimensioni del singolo spot. Alla distanza di 346 cm dalla finestra di emissione
dell’apparecchio si stima una striscia continua di emissione di 193 cm di larghezza e di 5.5 mm
di spessore. A questi valori corrispondono angoli sottesi per il singolo spot:
αorizzontale
αverticale =
=
arctg (193/30/346) = 18.6 mrad
arctg (5.5/3460)
= 1.6 mrad
La ripetizione della misura a diverse distanze dalla sorgente ha fornito risultati simili. I dati sono
superiori alla divergenza del fascio laser, 12 mrad x 0.5 mrad, riportata nelle istruzioni per
l’utilizzatore fornite dal costruttore. Scegliamo quindi quest’ultime, quali condizioni peggiorative,
per la determinazione dell'angolo sotteso dalla sorgente, α, come media aritmetica delle due
dimensioni angolari della sorgente (cfr. paragrafo 8.4 d, normativa CEI EN 60825-1).
2
Essendo la dimensione inferiore minore di αmin = 1.5 mrad, questa deve essere posta
uguale a 1.5 mrad prima di calcolare la media.
Risulta In base alla Tabella 1 della normativa CEI EN 60825-1 e alle relative “Note alle tabelle
da 1 a 4”, il Limite di Emissione Accessibile (LEA) per emettitori di Classe 1 risulta
α = (12.0+1.5)/2 = 6.75 mrad
Essendo questo valore maggiore di αmin, la sorgente e’ considerata estesa.
Misure di potenza e frequenza degli impulsi
Per radiazione laser a scansione a 904 nm le misure di potenza devono essere effettuate
attraverso un diaframma del diametro di 7 mm alla distanza data da
r = (100 mm) · √ (α + 0.46 mrad)/αmax (tabella 10, normativa CEI EN 60825-1),
cioe’ pari a 28.65 mm.
Essendo questa distanza inaccessibile, il diaframma di misura e' posto nel punto
accessibile piu' vicino alla finestra di emissione.
Le misure di potenza media sono state eseguite posizionando dietro al diaframma di 7 mm
un rivelatore a fotodiodo Ophir NOVA Mod. PD-300. Il fotodiodo, posizionato in prossimita’ del
fascio di impulsi laser, veniva spostato con movimenti micrometrici in verticale ed orizzontale in
modo da misurare la massima potenza raccolta dal diaframma.
La frequenza degli impulsi e' stata misurata mediante un fotodiodo IPL 10530EAL
(Integrated Photomatrix Limited, UK) collegato ad un oscilloscopio digitale HAMEG HM1507.
Le misure sono state effettuate con il sistema a regime e durante la fase di accensione ed
autoregolazione su i due fasci di scansione.
La potenza media massima misurata e’ risultata di
19.58 µW, con frequenza di 366 Hz,
durante la fase di accensione.
Il numero di spot raccolti dal diaframma di misura dipende dalla posizione del diaframma. Con il
sensore ad infrarossi si nota che il diaframma da 7 mm puo’ raccogliere parzialmente due spots
oppure uno spot centrale con lateralmente una porzione di altri due spots. Le condizioni piu’
restrittive si ottengono attribuendo tutta l’energia misurata ad un singolo impulso. L’energia
media per impulso si ottiene, quindi, dividendo la potenza media per la frequenza.
Da cui la massima energia misurata risulta
Energia del singolo impulso = 0.053 µJ
(diaframma φ = 7 mm)
3
Per confrontare la densita’ di energia ricevuta a livello oculare e cutaneo con le relative EMP
sono state effettuate misure di potenza media attraverso diaframmi di 7 e 3.5 mm di diametro,
rispettivamente, (cfr. Tabella 7,normativa CEI EN 60825-1) alla distanza di 100 mm. In questo
caso, le potenze medie massime misurate all’accensione sono risultate pari a
18.64 µW (diaframma φ = 7 mm)
5.4 µW (diaframma φ = 3.5 mm)
con frequenza di 366 Hz.
Attribuendo tutta l’energia misurata ad un singolo impulso, l’energia media per impulso si ottiene
dividendo la potenza media per la frequenza. Da cui la massima energia misurata risulta:
Energia del singolo impulso:
0.051 µJ
(diaframma φ = 7 mm)
0.015 µJ
(diaframma φ = 3.5 mm)
4
Calcolo del Limite di Emissione Accessibile (LEA) per emettitori di Classe 1
Per emettitori ad impulsi tra 400 e 106 nm il Limite di Emissione Accessibile (LEA) e'
determinato utilizzando il piu' restrittivo dei seguenti requisiti (cfr. paragrafo 8.4 f, normativa CEI
EN 60825-1):
i)
L’esposizione ad ogni singolo impulso di un treno d’impulsi non deve superare il
LEA per un impulso singolo.
ii)
La potenza media per un treno d’impulsi di durata di emissione T non deve
superare la potenza corrispondente al LEA per un impulso singolo di durata di
emissione T.
iii)
L’energia media per impulso appartenente ad un treno di impulsi non deve
superare il LEA per un singolo impulso moltiplicato per un fattore di correzione C5 =
N-0.25 (N: numero impulsi del treno previsti durante l’esposizione).
Viene quindi calcolato il LEA per i tre casi presi in considerazione.
i)
Singolo impulso di durata 7 ns a 904 nm.
In base alla Tabella 1 della normativa CEI EN 60825-1 e alle relative “Note alle tabelle da 1
a 4”, il Limite di Emissione Accessibile (LEA) per emettitori di Classe 1 risulta:
Energia Radiante QLEA = 2 10-7 C4C6 J
C4 = 100.002(λ-700) = 2.56
Essendo α = 6.75 mrad, αmin < α < αmax = 100 mrad, per cui
C6 = α/αmin con αmin = 1.5 mrad
C6 = 6.75/1.5 = 4.5
da cui
i)
ii)
QLEA = 2.3 µJ
Treno d'impulsi di durata 100 s.
Viene calcolato il LEA per un treno di impulsi di durata pari a 100 s, in relazione alla base
dei tempi utilizzata nelle norme (cfr. paragrafo 8.4 e, normativa CEI EN 60825-1). In base alla
Tabella 1 della normativa CEI EN 60825-1 e alle relative “Note alle tabelle da 1 a 4”, il LEA in
potenza radiante per un singolo impulso di durata pari a 100 s e’ dato da:
PLEA = 7 x 10-4 C4 C6 C7 T2-0.25 W
5
dove C4 = 2.56, C6 = 4.5, C7 = 1 e T2 = 10 x 10[(α - αmin)/98.5] = 11.3 s,
da cui
PLEA = 43.98 10-4 W
ed un energia radiante su 100 s di
QLEA = 43.98 10-2 J
Considerando la frequenza di ripetizione di 366 Hz, nel periodo di 100 s ci sono N= 36.6 103
impulsi, da cui la potenza media per impulso sara'
ii)
iii)
QLEAimpulso,med = QLEA /N = 12.02 µJ
Treno d’impulsi, energia media.
Il LEA per un singolo impulso deve essere corretto per il fattore C5 = N-0.25 , con N = 4136
numero di impulsi in T2 (11.3 s), cioe’ C5 = 0.125, per cui:
QLEAtreno = QLEAimpulso C5 = QLEAimpulso N-0.25
iii)
QLEAtreno = 2.3 x 0.125 = 0.29 µJ
Il limite derivante dal criterio iii), LEA = 0.29 µJ, e' il piu' restrittivo.
Calcolo dell'Esposizione Massima Permessa (EMP)
Nel caso di emettitori impulsati l'EMP per esposizione oculare e’ determinata utilizzando la
piu’ restrittiva delle seguenti prescrizioni (cfr. paragrafo 13.3, normativa CEI EN 60825-1):
a) l’esposizione a un qualunque impulso appartenente ad un treno di impulsi non deve
superare l’EMP per un impulso singolo.
b) L’esposizione media per un treno di impulsi di durata di esposizione T non deve
superare lEMP per un impulso singolo di durata di esposizione T.
c) L’esposizione media ad un qualunque impulso appartenente ad un treno di impulsi non
deve superare l’EMP per un impulso singolo moltiplicata per il fattore di correzione C5 =
N-0.25 (N: numero impulsi previsti durante l’esposizione).
Per l’esposizione cutanea si utilizza la piu’ restrittiva delle precedenti prescrizioni a) e b).
6
a)
Singolo impulso di durata 7 ns a 904 nm
In base alla Tabella 6 (EMP per l’esposizione oculare) ed alla Tabella 8 (EMP per
l’esposizione cutanea) della normativa CEI EN 60825-1 la densita’ di energia per l’EMP risulta:
EMPoculare = 5 10-3 C4C6 J/m2
EMPcutanea = 200 C4 J/m2
C4 = 100.002(λ-700) = 2.56
C6 = α/αmin = 6.75/1.5 = 4.5
a)
b)
EMPoculare =
57.6 mJ/m2
EMPcutanea =
512 J/m2
Treno d'impulsi di durata 100 s.
Viene calcolato l’EMP per un treno di impulsi di durata pari a 100s. In base alla Tabelle 6 ed
8 della normativa CEI EN 60825-1:
EMPoculare = 18 C4 C6 C7 T2-0.25 W/m2
EMPcutanea = 2000 C4 W/m2
dove C4 = 2.56, C6 = 4.5, C7 = 1 e T2 = 10 x 10[(α - αmin)/98.5] = 11.3 s,
da cui
EMPoculare = 113 W/m2
EMPcutanea = 5.12 kW/m2
Corrispondente, in densita’ di energia in 100 s, a
EMPoculare = 11.3 kJ/m2
EMPcutanea = 512 kJ/m2
Considerando la frequenza di ripetizione di 366 Hz, nel periodo di 100 s ci sono N= 36.6
3
10 impulsi, da cui la densita’ di energia media per impulso sara'
b)
c)
=
EMPoculare/N
EMPcutanea, imp =
EMPcutanea/N
EMPoculare, imp
=
=
0.31 J/m2
13.99 J/m2
Treno d’impulsi, energia media (solo per l’esposizione oculare).
7
L’EMP per un singolo impulso deve essere corretto per il fattore C5 = N-0.25 , con N = 4136
numero di impulsi in T2 (11.3 s), cioe’ C5 = 0.125, per cui:
c)
EMPoculare,treno = EMPoculare,singolo N-0.25 = 7.2 mJ/m2
L’EMP piu’ restrittiva risulta essere:
EMPoculare = 7.2 mJ/m2 per l’esposizione oculare
EMPcutanea = 14.2 J/m2 per l’esposizione cutanea
Conclusioni
L’energia massima per impulso laser misurata attraverso un diaframma di 7 mm, pari a
0.053 µJ, risulta 5.5 volte inferiore al Limite di Emissione Accessibile calcolato per apparecchi di
Classe 1 (0.29 µJ) calcolato nelle condizioni piu’ restrittive.
Il sensore OSI LaserScan AS-615 risulta quindi essere classificabile come apparecchio di
Classe 1 secondo la normativa CEI EN 60825-1.
Le densita' di energia per impulso attraverso i diaframmi di 7 e 3.5 mm di diametro si
ricavano dividendo l’energie misurate (0.051 e 0.015 µW) per la relativa superficie pari a 3.85 ·
10-5 e 9.62 · 10-6 m2, rispettivamente. Da cui:
DE = E/S = 0.051 · 10-6 / 3.85 · 10-5 = 1.32 mJ/m2
-6
-6
DE = E/S = 0.015 · 10 / 9.62 · 10 = 1.56 mJ/m
2
(diaframma 7 mm)
(diaframma 3.5 mm)
Conseguentemente, l’esposizione derivante dal sensore OSI LaserScan AS-615 non supera in
alcuna condizione operativa l'Esposizione Massima Permessa piu' restrittiva oculare (7.2
mJ/m2) e cutanea (14.2 J/m2).
8
Simulazione blocco rotore
Il dispositivo OSI LaserScan AS-615 nel suo impiego operativo è stato verificato essere
classificabile come apparecchio di Classe 1 secondo la normativa CEI EN 60825-1.
Considerato comunque che si tratta di un sistema a scansione che utilizza un poligono rotante
per riflettere gli impulsi emessi da un diodo laser, è necessario verificare che nel caso si verifichi
un blocco del poligono rotante l’emissione laser non raggiunga livelli di potenza tali da superare
i limiti per la Classe 1 imposti dalla normativa.
In relazione al funzionamento del circuito di controllo dell’emissione laser, si deduce che il
segnale di attivazione del laser e’ generato dalla rotazione dello scanner. Se lo scanner non
ruota, nessun segnale di trigger e’ generato e quindi il laser non emette.
Cio’ e’ stato verificato utilizzando la procedura, fornita dal produttore, per azzerare la
velocita’ di rotazione del motore: il sensore viene attivato dopo aver tolto la copertura superiore;
raggiunto lo stato di regime, dalla scheda di controllo (DSP) del motore dello scanner viene
disconnesso il connettore JP4 in modo da annullare la tensione DC che regola la velocita’ del
motore.
All’accensione il sensore raggiunge lo stato di regime in qualche decina di secondi. La
potenza media controllata dal fotodiodo PD-300 (Ophir NOVA) sul fascio superiore aumenta
rapidamente all’aumentare della velocita’ del rotore (dovuto all’aumento del numero di impulsi
laser raccolti dal fotodiodo). Raggiunto un valore massimo la potenza media diminuisce
gradualmente, con frequenza degli impulsi costante) fino a stabilizzarsi in 3-4 minuti.
Portando a zero la tensione applicata al motore, la velocita’ dello scanner si riduce
gradualmente fino ad avere il blocco del rotore in circa 2’ e 30”. Durante questa fase sono stati
registrati i valori di potenza media e frequenza degli impulsi al diminuire della velocita’ dello
scanner come riportato nella tabella seguente.
Velocita’ rotore
max
min
Potenza
media
(µW)
Frequenza
impulsi
(Hz)
Energia media
(µJ)
14.88
11.17
9.05
7.55
6.1
4.62
3.12
2.3
1.54
0
360
270
216
180
144
108
72
54
36
-
0.041
0.041
0.042
0.042
0.042
0.043
0.043
0.042
0.043
-
Si e’ quindi verificato che la mancanza di rotazione dello scanner comporta la mancanza di
emissione laser.
La prova eseguita puo’ essere considerata una valida simulazione di blocco del rotore sia
per causa elettrica che meccanica.
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