教室照明中的光源頻閃研究

蔡培凱

廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，福建 廈門 361100

0 引言

當(dāng)前，我國各年齡段學(xué)生視力的視覺健康形勢不斷惡化，近視率逐年攀升并呈低齡化傾向。中小學(xué)教室照明是影響兒童、青少年視覺發(fā)育和健康的重要因素。隨著LED光源逐步替代熒光燈使用在教室照明中，人們對教室照明中光源的頻閃問題越來越重視。光源的頻閃對人的視覺系統(tǒng)有刺激作用，對人眼的損傷是個緩慢的過程。為此，文章對教室照明中的光源頻閃問題進行了相關(guān)研究。

1 光源頻閃的定義及其評價指標(biāo)

光源頻閃是指光源的強度隨時間的變化而變化，通常是不穩(wěn)定跳動的。人眼對于光源的頻閃情況一般很難察覺，這主要取決于光源的閃爍頻率。國際照明委員會CIE將頻閃定義為由于光源光強或光譜隨時間變化而波動引起觀察者視覺感知變化的現(xiàn)象[1]。對于照明燈具而言，光源工作時電流會隨著電壓的變化而變化。熒光燈使用電子鎮(zhèn)流器時其頻率在20～30 kHz，頻閃較小。LED燈具是通過將交流電轉(zhuǎn)化成直流進行驅(qū)動，可以通過電路設(shè)計降低照明頻閃。但是，LED照明產(chǎn)品存在為了節(jié)約成本使用劣質(zhì)驅(qū)動電源而導(dǎo)致頻閃更加嚴(yán)重的情況。

光源頻閃本質(zhì)上是照明光源隨著電壓波動而引起的光強變化，觀察者通過人眼給大腦反饋光強的波動，是光源電壓的波動導(dǎo)致光源的頻閃?？茖W(xué)家通過大量人員對于頻率不同的電壓靈敏度測試，用統(tǒng)計學(xué)方法處理得到視覺敏感系數(shù)曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，閃爍頻率在50 Hz以下，人眼能察覺光源的頻閃情況；在閃爍頻率8.8 Hz時，人眼的敏感度最強。視覺敏感系數(shù)曲線是視覺的光度敏感性對電壓頻率波動的響應(yīng)。

根據(jù)圖1，在市電交流頻率50 Hz下，大部分人分辨不出光源是否閃爍，光源波動不在觀察者的視覺感知內(nèi)，但其波動確實存在，會持續(xù)對人的視覺神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。國內(nèi)外的很多研究表明，光源的頻閃對人視覺系統(tǒng)的生理健康有嚴(yán)重影響[2]。

圖1 視覺敏感系數(shù)曲線

美國電氣與電子工程師協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High Brightness LEDs for Modulating Health Risks to Viewers（IEEE Std 1789-2015）

中定義了波動深度，即波動深度指光輸出波形單周期內(nèi)光輸出峰值和谷值的差與兩者之和的比。波動深度定義圖如圖2所示。IEEE將波動深度限值與閃爍頻率結(jié)合，當(dāng)閃爍頻率越大時，波動深度限值越高。標(biāo)準(zhǔn)中將光源對觀察者影響分為可察覺頻閃和不可察覺頻閃兩類，并規(guī)定波動深度的無顯著影響和低風(fēng)險限值。無顯著影響區(qū)域和低風(fēng)險區(qū)域的上限呈線性變化，低風(fēng)險區(qū)域的上限為閃爍頻率×0.08，為無顯著影響區(qū)域上限的2.5[3]，如圖3所示。

圖2 波動深度定義圖

圖3 閃爍頻率和波動深度函數(shù)關(guān)系

2 光源頻閃的危害

在生活中可以發(fā)現(xiàn)，有的物體運動的速率好像比實際的慢，甚至好像靜止不動，這是由于物體運動頻率與光源頻閃頻率一致或者是其整數(shù)倍時，由光源頻閃產(chǎn)生的結(jié)果。光源頻閃主要分為以下4類。

（1）照明設(shè)備頻閃：交流電壓下，LED光源、熒光燈等由于電源波動引起的頻閃。

（2）顯示設(shè)備頻閃：電視、電腦、LED顯示屏等由于掃描引起的頻閃。（3）夜景燈光頻閃：廣告照明、裝飾燈具、激光等的頻閃。（4）非周頻閃：交流熒光燈的啟動頻閃，或照明顯示設(shè)備故障頻閃。

這些照明顯示的頻閃刺激觀察者視覺系統(tǒng)，會讓人眼感覺不舒適。如果人長期處于有頻閃的光線下，還可能對視覺系統(tǒng)的生理衛(wèi)生和心理衛(wèi)生產(chǎn)生影響。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，手機和電腦的普及，人們無時無刻使用著電子設(shè)備，以及各種各樣的夜景照明，導(dǎo)致光源頻閃對于視覺系統(tǒng)的影響問題日益突出。對于中小學(xué)教室的照明，中小學(xué)生一天有60%的時間是在教室內(nèi)，光源的頻閃問題很容易傷害學(xué)生的眼睛，導(dǎo)致學(xué)生近視，因此必須重視教室照明中光源的頻閃問題。

3 中小學(xué)教室光源頻閃試驗

根據(jù)《照明測量方法》（GB/T 5700—2008）對教室進行2 m×2 m中心點布點，測量高度為課桌面高度，選取光源頻閃測量點最嚴(yán)重的點作為這間教室的測量結(jié)果，檢測現(xiàn)場如圖4所示。使用設(shè)備為光源頻閃測試儀，型號為LFA-3000。

圖4 教室照明測試現(xiàn)場（LED燈管）

考慮到中小學(xué)教室燈具型號和燈具布置情況基本相同，隨機選取3所學(xué)校的各2間教室進行測試。3所學(xué)校教室照明使用照明燈具各不相同，分別為LED面板燈、LED燈管、熒光燈管。

本次測試依據(jù)IEEE Std 1789-2015中閃爍頻率和波動深度函數(shù)關(guān)系對教室光源頻閃情況進行判定。3所學(xué)校中采用LED燈管和LED面板燈的教室檢測結(jié)果都為無風(fēng)險，而采用光源為熒光燈管的檢測結(jié)果為高風(fēng)險，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3所學(xué)校的光源頻閃檢測結(jié)果

測試結(jié)果表明，所測試的教室照明中熒光燈管使用的配套電源質(zhì)量較差，在市電電壓下，其電壓引起的波動影響過大，導(dǎo)致頻閃問題嚴(yán)重，達不到無風(fēng)險等級，而LED燈由于正向伏安特性，在相同的交流電源或脈沖驅(qū)動下，輸出光的閃爍現(xiàn)象優(yōu)于熒光燈[4-6]。

4 結(jié)論

在現(xiàn)場測試中熒光燈的頻閃問題體現(xiàn)在采用的電子鎮(zhèn)流器對于頻閃的控制不理想，會影響中小學(xué)生的視力健康。對于中小學(xué)教室照明燈具的選擇，需嚴(yán)格把控光源的質(zhì)量。雖然本次LED光源的檢測結(jié)果沒有出現(xiàn)不合格情況，但如果LED驅(qū)動電源設(shè)計不合格，將會引起的頻閃問題，對中小學(xué)生的視力將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的影響。