雷特科技 | 对于频闪,许多人仍存有误区

2018-09-04

健康照明的观念越来越流行,但是对于LED频闪问题的认识许多人还存在误区,今天我们就一起来看看雷特科技市场总监·张哲纲博士带来的深度解析。

一、照明频闪在生活中不全然是负面的

照明所产生的闪烁除了令人讨厌之外,闪烁的光线还会引发一些严重的疾病,比如头痛,视力障碍,或者在极端的情况下,癫痫发作。 即使闪烁是轻微的,例如在100到150赫兹的高频率,你的眼睛可能不会有意识地注视它,但是大脑仍然能够检测和反应它,可能带来负面的后果。 尤其是,体育场和仓库工人的运动员在灯光条件差的情况下更容易发生事故,这可能导致频闪效应(stroboscopic effect)。

但现实生活中,仍可见到与闪烁相关的案例,这些是属于我们想要的”闪烁”

◎救护车、消防车和警车上的灯

◎飞机降落时的机翼指示灯

◎音乐会、酒吧的激光灯

除此之外,目前也有国外的科学研究,控制灯光的闪烁来治疗阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)。

二、传统光源也频闪,LED频闪取决于LED驱动

几乎所有类型的灯都容易闪烁,包括白炽灯、卤素灯、甚至 LED 灯泡。 但是每种光线的效果都不尽相同。例如在白炽灯与卤素灯中,灯丝温度对电流的变化反应缓慢,所以你不会注意到闪烁的效果。对于当前的变化,LED几乎是立即响应的,所以闪烁会更加引人注目。

目前常用频闪指数来形容光源的频闪程度,综合频闪百分比和其它2个变量:光波形和占空比。其中,频闪百分比等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和,频闪指数等于一个开关周期内超过平均光输出的量除以全部光输出。频闪百分比(波动深度)和频闪指数越低,光源闪烁或者造成的频闪效应越少。

图一 各种光源的频闪

从图1可以看出,双U紧凑型荧光灯由于使用电感镇流器及电子镇流器的不同,频闪百分比也有明显的不同,说明了照明电器对频闪有极大的影响。同样情况,LED会产生重度频闪,也是由于选择了不好的LED驱动器,与LED灯具本身并无太大的关系。

三、关于频闪,仍有不同定义与不同参考指标

关于频闪,有不同定义与不同参考指标,例如IEEE、能源之星、IEC、CIE…等,这里列举两个组织的定义:

(一)国际照明委员会CIE(Commission Internationale de L'Eclairage)

CIE 17.443 e-ILV:时间的光效应(Temporal Light Artefacts, TLA):在具体环境中,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起观察者视觉感知的变化。下文的闪烁、频闪效应和幻影效应都是TLA的不同类型体现。

CIE TN006-2016中的定义:

◎ 闪烁(Flicker):对于静态环境中的静态观察者,亮度或光谱分布随时间波动的光刺激引起的视觉不稳定性感知。与过去我们提到的“闪烁(flicker)”“亮度随时间的变化”不同,这里的环境和观察者都处于静态。

◎ 频闪效应(Stroboscopic effect):对于非静态环境中(运动物体)的静态观察者,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对运动感知的变化。例如,在方波周期波动的亮度下,连续运动目标会被感知成不连续的移动;如果亮度波动周期与目标转动周期一致,则目标会被看作是静止的。

◎ 幻影效应(The phantom array effect):又称鬼影(ghost),对于静态环境中的非静态观察者,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对物体形状或空间位置的感知变化。例如,当扫视以方波周期波动的小光源时,光源会被看成一系列空间延展的光点。

(二)电气和电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

IEEE Std 1789-2015中的定义:

◎“亮度随时间的变化”(光的时间调制)

◎包含所有上述效果

◎包括视觉效果和非视觉效果

四、厂家宣称无频闪就真的是无频闪吗

某购物平台搜索无频闪灯具结果

厂家宣称无频闪就真的是前面所说的无频闪吗?须特别留意的是,若没说明是依照什么测试标准或结果,他们指的无频闪或许只是表示你肉眼看不到它的闪烁,与你想像的不一样。目前我们国家已对台灯做了闪烁的相关标准,依2016/11/02实施的CQC1601-2016《视觉作业台灯认证技术规范》,闪烁应符合IEEE(电气和电子工程师协会)的IEEE Std 1789-2015标准。

IEEE在2015年所发布的文件中,将频闪风险分为几个等级,如图2所示,绿色面积覆盖的是无危害的等级,而黄色区域则是低风险,超过黄色部分(白色区域)是不能被接受的。表1和表2 则列出低风险和无危害区域,灯具频闪百分比(波动深度)的限值。

图2 IEEE Std 1789-2015标准

在交流电50Hz频率下,国内一般灯具频闪频率为100Hz,测灯具频闪百分比低于3.2%,是无频闪危害的限值范围;当然,只要频闪百分比在8%的低风险范围内,灯具频闪是属于安全范围,若高于8%,该照明产品可视为不安全。

我们在前面的图表里可以很清楚的看到,光输出波形频率f是一个很重要的参考指标,按照计算公式是否小于所对应的波动深度限值以内,超过即不合其标准。事实上,“无频闪”不是真的完全没有闪烁,而是在一定的高频下(如表2,光输出波形频率f >3125 Hz,高频额免级别),已经超过人眼神经反应速度(无危害的影响水平区域的波动深度限值),不会对眼球有损害。

国内也有像电光源质量监督检测中心相关的检测机构可针对IEEE Std 1789-2015标准来检测(如图3检测报告)。由于调光恰恰是导致频闪的另外一个诱因。而当灯具加载调光功能时,频闪往往会进一步加剧。特别是在调光较暗时,其波动深度比较大。因此对于具有调光功能或者宣称可连接调光控制器的照明产品,最少应该在其分别在调光最亮(100%亮度)以及调光较暗(20%或更低亮度)时测量其频闪表现。

图3 相关检测机构的检测报告

从图4的测试结果来看,分别在最大亮度、中间亮度、最小亮度检测下,若光输出波形频率f>3125 Hz,即”免除考核”(高频豁免级别),达到无频闪的严格要求。

图4 调光灯具在三种不同亮度的检查报告结果

五、使用手机测试频闪是不合理的

2017年315国际消费者权益日晚会中,主持人和相关技术人员现场对两款LED护眼台灯进行测试。除专业仪器的测试数据以外,技术人员还指导主持人使用一部智能手机进行检测,结果清晰的看到了频闪,并表示“只需记住这一招:打开手机的照相功能,让镜头对准灯泡,注意屏幕上的闪烁,频闪严不严重一目了然!”。

事实上,使用手机摄像头拍摄灯管的确可以看到频闪,但这并不是判断产品是否合格的方法。主要有以下几点原因:

1.通过手机屏幕看到的不是你的眼睛直接感知到的;而是经过手机的采样电路处理后的。->具有卷帘门效应 (rolling shutter)的影像。

2.有的手机“采样 + 显示 ” 的频率会在一定的范围内根据摄像的范围内的光变化进行自动调整。-> 采样频率不够高,且不固定!

3.每个不同品牌的手机的“采样 + 显示 ” 的频率及调整范围,显示模式(和卷帘门效应联系)都可能不同;-> 不同手机带来的自身的测量参数不同!

4.可能有人说,当手机测量时没有黑条纹,就表示光的波形是没有变化的,那至少说明光的好的。->这也未必!如果手机的采样频率正好和光波形一样,那么手机就会被欺骗,告诉你这个光非常好,没有变化!

5.最后,手机的快门也会影响你的判断。->快门时间越短手机所看到的”频闪”越明显,但快门时间越长”频闪”极可能消失。

手机不是频闪的检测工具,但是它可以是一个参考工具。由于现代手机人手一支,随时随地都会利用手机拍照或摄影,若在频闪严重的灯光下使用手机,极容易在手机荧幕发现明暗相间的纹波影响了拍摄的效果及品质,所以手机可以先做一个把关参考的工具。

相同灯具使用不同调光驱动器,灯光效果明显不同

真正能够测出是否频闪,仍须专业的检测仪器(如图5),可以满足包括IEEE、能源之星、IEC、CIE等在内的多个最新频闪测量标准要求,适用于实验室和现场测量场所。个人或者可以使用便携式的频闪测量仪(图6),也同样可以显示频闪的重要参考,像”频闪百分比” 及”频闪指数”,还具备评价功能,让使用者能够直接判读光的品质好坏,例如:十分严重、明显存在、几乎没有、高频豁免…等。

图5 光源频闪测量仪

图6 频闪测量仪评价 -- 无频闪(高频豁免级别)

六、结论

近年来社会大众对健康照明的呼声及要求越来越高,为了有效提高光的品质,目前越来越多的消费者已经了解到频闪所带来的潜在伤害,频闪问题必须面对与解决。但是现在市场上还有很大部分照明厂家的灯具达不到“无频闪”要求,终究原因是选择的LED驱动器不达标。

“无频闪”虽然有相关的国家标准,但不是强制性的要求,少部份的厂商虽推出所谓的”无频闪”产品,由于无法目视判断有效解除大家对频闪的疑虑。为此,已有照明设计师及照明工程公司使用频闪测量仪现场检测是否达标,也曾听闻甲方及最终消费者自备频闪仪检测。当然,最有效的方式就是请厂家提供具公信力的检测单位相关的检测报告。

拥有健康的光环境是基本的诉求,选择好的LED驱动器就可以将频闪所带来的负面影响减至最低。


 

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