读写 LED 作业 台灯的 频闪研究:
核心提示：
随着科技的持续发展，目前已经商业化的照明产品从第一代的白炽灯；
第二代的荧光灯、卤灯；
第三代的高强度气体放电灯;
以及当下主流的,
第四代的发光二极管（led)。
随着科技的持续发展，目前已经商业化的照明产品从第一代的白炽灯；第二代的荧光灯、卤灯；第三代的高强度气体放电灯以及当下主流的第四代的发光二极管（led)。照明灯具的光效越来越高，一直朝着节能环保的方向发展。然而不可否认，电光源的发展也带来了许多新的问题，除了对环境、能源等影响外，人工照明环境对人类健康所带来的影响也同样不容忽视。现在人们不仅只关注照明的物理性能效果，同时也很重视照明的光生物安全。而目前商业化的电光源照明产品大多数都是通过交流驱动的，灯具的频闪效应对人体健康产生的影响已成为各种照明产品需要重点解决的问题。
读写作业台灯是人们日常进行学习、工作和电脑作业的加强照明，由于使用的时间长，已成为与人类日常活动接触最为密切的照明产品之一。况且在使用的人群中还包括大量处在青春发育期的青少年，读写作业台灯的频闪效应也是诱发青少年近视眼的一个重要因素，所以近年来市面上出现了“无频闪”的“护眼台灯”。由于‘护眼台灯”未经过严格的科学论证和公正的第三方检测，而市面上用来验证频闪的旋转陀螺方法非常粗略，无法获得量化的准确结果，所以这种‘护眼台灯”的叫法是不科学的。
综上所述，研究读写作业台灯的频闪效应对于深人理解频闪机理，降低读写台灯照明对人体的不良影响，营造一个高效环保、安全可靠、有益于人们工作和生活的照明环境有着非常重要的意义。
闪烁与频闪
北美照明学会（IESNA)出版的第九版照明手册中对闪烁的定义是：光源强度的快速变化。对于照明类产品，无论是以前的传统光源还是当下的LED灯具，只要是在交流的驱动下工作都会产生闪烁。对闪烁程度的表征主要是考虑交流的频率，光源发出光的持续性和观察条件。闪烁对在观察范围内的移动物有显著的作用，在闪烁的照明下物体可能会出现离散的状态而不是连续的，这种效应称为频闪效应。频闪效应的级别取决于闪烁的速度和幅度，以及物体运动的速率和观察状态。
IESNA的照明专家已经提出用闪烁百分比和闪烁指数来表征照明的频闪特性，两者的计算方法如图1所示。
图1关于传统闪烁度量法的周期波形闪烁百分比=10096x(A-B)/(A+B)
比较两种度量方法的差异在于：闪烁百分比只是峰值-峰值的比例；而闪烁指数能很好地阐述输出波形间的差异，数学表征上也更加精确，但是较少的人知道闪烁指数，并且照明文献中也很少发现有人进行研究，部分原因可能是因为闪烁指数需要复杂的数学积分和对相关波形的精确采集。有鉴于此，目前通用的频闪评价参数选择闪烁百分比也叫波动深度。波动深度是在周期性的光输出波形中，一个周期内的最大值和最小值之差占光输出最大值和最小值之和的比例，以百分比表示。
关于闪烁和频闪，我国还没有出版相关的标准，仅仅在CQC自愿认证技术规范《视觉作业台灯认证技术规范》中考虑了闪烁的要求。而对于频闪的度量方法，国际上也是存在争议的，没有统一的一个行之有效的定量分析方法，目前波动深度概念的提出已经是研究频闪的一大跨步。美国IEEE发布了IEEEPAR1789《LED照明闪烁的潜在健康影响（草案)》中采用了波动深度对频闪效应进行考核。
频闪的光生物危害
光对人体健康的危害影响是一个长期作用、慢性累积的过程，世界上发达国家很早就开始了相关的研究。根据光的闪烁频率、光强变化幅度等不同因素，光对人体的危害程度也不相同。目前研究的结果发现，频闪效应导致人体的不良生理反应包括：
(1) 头痛和眼疲劳
Wilkins博士等人发现办公室人员用高频电子镇流器灯具比用50Hz电感镇流器荧光灯照明产生头痛的人数下降两倍叭根据美国国家头痛基金会的报告|5|:“许多偏头痛患者对光非常敏感，如亮光并且闪烁，则更容易引起偏头痛。慢速闪烁通常比快速闪烁更容易引起偏头痛”。“一些荧光灯照明或者从电视机或电影屏幕的闪烁也有类似的影响”。
(2) 光敏性癫痫病
对光敏感的人群在3-70HZ范围内的可见光调制下即使短时间接触也会发作癫痫，这大概会影响到1/4000的年龄在5-24岁人群，通常是在青春期左右开始发作，并且有75%的人群会终生对光敏感。
(3) 视力下降
Veitch和McColl于1995年发现：和高频电子镇流器相比，100-120Hz调制的电感镇流器荧光灯系统会降低群体的平均视力。这样的情况经常发生在纸质阅读和电脑屏幕的文本阅读中。
(4) 注意力分散
人眼视场的周围对频闪更加敏感，例如频闪不停的信号灯或者汽车尾灯产生的快速调制会吸引司机一直盯着看。而提前将眼睛移开可能会对司机或者在驾驶道路上的人和物有危险。与运行中的机器结合的频闪光源会产生开合效应，对人产生的伤害，会导致显著不同的移动和停止速度。十年前在行业中就已经鉴别出来这种危害n。
(5) 自闭症
有自闭症的儿童尤其对环境的改变很敏感，而照明中的频闪则增加了这种行为的反复发作，美国的儿童患自闭症的比例大概是1/110。
人体暴露在有频闪的照明环境中，较容易产生不良反应的条件有：接触时间长、视网膜接受刺激面积大、视场定位靠中心、闪光亮度高、与环境亮度对比度高、闪光颜色呈深红色。
评价频闪的波动深度与频率的关系如图2所示，图2中无影响区域用绿色表示，低风险区域用橙色表示。低风险区域的上限是波动深度线，小于闪烁频率的0.08倍，相当于无影响边缘的2.5倍。
检测结果与分析
为了考察读写作业台灯的频闪特性，挑选不同厂商、不同光源的读写作业台灯进行了频闪测试。测试过程中首先对样品进行预热，待稳定后进行测试得到光输出波形。采用的测试系统所需要的设备主要包括Tek~onixTDS2024B数字示波器，Thorlabs光敏器件和遮光盒(或暗室)，如果检测小信号的照明产品，还需要跨阻抗放大器。具体的测试数据见表1。
对于国内的常规灯具，电源基频为50Hz的灯具光输出频率一般为100Hz，从表1测试结果可以看出，传统光源一般的光输出频率都是100Hz，但是为了降低LED台灯的频闪效应，LED台灯中很多采用了多种多样的电路整流方法来改变输出光的频率和波形。例如对于100～120Hz范围的LED台灯，采用的整流方法就包括：串联LED灯的全波整流；通过反向电极连接直接驱动两路并联的LED灯串；脉宽调制电路的简单调节；功率凶数修正电路110]~m图2口以得出，当光的频率超过3125Hz时，可以认为光对人体的健康是没有影响的，可以免除考核；在光输出频率<9Hz时，波动深度的限值是0.288%;但是频率在9~3125Hz之间的时候，是依据具体的频率计算出相应的波动深度限值的。从表1中可以发现，LED读写作业台灯的波动深度比较容易满足频闪无危害的限值，合格的较多（实测数据标加粗数字为无危害的，标普通数字为低风险类的.标斜体数字是频闪不合格的），可能是由于LED具有灵活变动驱动方式的优势。当然要确定是否LED的台灯比传统光源的台灯的频闪效应好，需要以后获得更多的检测数据进行佐证。
图3给出了读写作业台灯的光输出波形图，在光输出频率都是100Hz的情况下，a波动深度超过低风险限值，b是频闪合格的。从波形可以看出，要使得LED读写作业台灯的频闪满足无危害要求，其中一个方案通过对LED的驱动进行整流滤波，改变光输出波形的波峰比。
另外一个降低频闪的方法可以将LED台灯的光输出频率整流成50Hz.从表1中能发现，对于输出频率为50Hz的LED读写作业台灯，有5/6的波动深度值是属于无危害类的，图4显示的是输出频率为50Hz的光输出波形图。这个重要的发现可以在IESNA第九版的照明手册中找到相关的解释：不同人体的眼球接
收到光的适应性亮度或者在视网膜照度很大的情况下,临界闪烁频率都低于60Hz，如图5所示。在今后降低LED读写作业台灯频闪效应的研究中，可以大幅度提高输出光的频率，或者在某些少数50Hz的基础上改变波峰比，注意光波的波动深度不能超过无危害的限值，最起码要低于低风险类的限值。
总结与展望
本文通过介绍频闪的概念、光生物危害和读写作业台灯频闪的检测来进行对频闪特性的研究。在分析了频闪测试结果的基础上来深入理解波形和频率对波动深度的影响，并且提出了改善频闪效应相应的解决方案：通过整流滤波改变读写作业台灯的光输出波形；同时大幅提高输出光的频率，或者在光频率设定为50Hz时改变波峰比。为了使得读写作业台灯满足性能优良、安全可靠，对台灯的照度及其均勻度、显色指数和色温有要求，我国的标准已经提出了照度和均匀度的要求，读写作业台灯的显色指数(Ra)>80,并且R9>0,台灯的色温<4000K，避免高色温影响青少年的作息规律，但是对频闪要求没有规定，仅在CQC技术规范中有相关要求。国内标准的修订工作略显滞后。考虑到媒体和消费者一直密切关注读写作业台灯的问题，建议尽快健全标准，强化政府监管，加强消费者的安全意识，为广大群众，尤其是青少年人群提供品质优良的读写作业台灯。
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