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揭秘照明中的频闪现象

揭秘照明中的频闪现象

【摘要】:
考核光源对人眼影响时,不可避免会提到频闪,随着电光源技术的进步以及人们对于光生物性了解的不断加深,解决频闪问题无疑是实现健康照明的一大关键。 当人们处于一个照明用光环境时,似乎并不能明显感觉闪烁,事实上,除了警告类闪烁标记或者灯具故障,人们对于频闪的概念并无太多直观感受。观察转动的风扇叶片时,会发现叶片有时“静止”,有时“转动”,行驶的汽车轮胎也会有这种现象,这些都可以解释为光源频闪带来的视觉暂留

考核光源对人眼影响时,不可避免会提到频闪,随着电光源技术的进步以及人们对于光生物性了解的不断加深,解决频闪问题无疑是实现健康照明的一大关键。

 

当人们处于一个照明用光环境时,似乎并不能明显感觉闪烁,事实上,除了警告类闪烁标记或者灯具故障,人们对于频闪的概念并无太多直观感受。观察转动的风扇叶片时,会发现叶片有时“静止”,有时“转动”,行驶的汽车轮胎也会有这种现象,这些都可以解释为光源频闪带来的视觉暂留现象
    

下图中,黑色圆盘上一个白点,圆盘转动时,无频闪照明条件下会出现图a的连续变化,在波动频闪光源下,会出现‍图b现象‍。

 

频闪示意图

 

 

频闪造成原因

 

光源频闪实质上就是光源发出的光随着时间呈现出一定频率、周期的变化,在不同亮度、颜色之间随着时间变化而变化。灯具的驱动如果没有合适的电子电路,比如镇流器、驱动或电源,光源就会产生频闪,输出光通量波动越大,频闪越严重。

 

产生频闪的技术机理,既有供电电源的因素,也有电光源技术性能因素以及照明设计不合理的因素等等。对于很多照明灯具来说,光源工作电流必然随着输入电压的波动而波动,直接导致光输出的波动产生频闪。以白炽灯为例,驱动为50 Hz交流市电,负半周和正半周叠加后光闪烁频率为100 Hz;采用电感式镇流器的气体放电灯,其输出光频率也随着供电频率的波动而波动。另外,供电电网的瞬时波动幅度在10%~20%之间,加深了照明灯具的光波动

 

常用频闪指数来形容光源的频闪程度,综合频闪比率和其它2个变量:光波形和占空比。其中,频闪比率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。频闪比率和频闪指数越低,光源闪烁或者造成的频闪效应越少。


图:常见光源的频闪测量

 

 

频闪危害

 

1、光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫

现有的研究数据以及行业专家指出,光敏性癫痫确实存在。Bittencourt和Fisher等人在2004和2005年提出了光敏性癫痫流行学说,Bittencourt指出光敏性癫痫在整个人群内发病率很低,每年的发病率大约在0.001%,在青少年中发病率约为0.006%,并且癫痫患者患这种病概率‍高达10%‍。

 

而Fisher通过测量人体对光刺激的不寻常脑电波得出光敏性癫痫在5岁到24岁人群中发病率大约在0.01%—0.025%,当癫痫患者在闪烁光源刺激下有2%到14%的几率诱发急促‍癫痫症状‍。美国癫痫工作基金会指出影响光敏性癫痫症状诱发因素主要包括闪烁频率、光强、调制深度、光谱成分以及一些视觉神经系统‍相关‍因素‍。‍

 

2、频闪造成的视觉暂留效应

Bullough等人采用一系列波形和频率研究固态光源的频闪效应,发现驱动的调制深度、频率、占空比以及波形对频闪效应的可见性有影响。

 

Bullough频闪研究的实验图源

 

同时,行业专家也一致认为频闪效应的危害主要是这种视觉伪像会带来一系列问题,Safety at Work中提到,虽然人眼识别不到的一些灯光频闪,但是会让视野内飞快旋转的机器出现视觉上变慢或者静止的假象,这种现象是非常危险的,极易造成事故。

 

 

常亮光源与频闪光源下风扇转动拍摄

 

3、头痛、偏头痛、恶心、视觉紊乱等生理问题

美国头痛学会指出许多偏头疼患者对光线更敏感,尤其是眩光,带闪烁的明亮光源能引起偏头痛,并且低频闪烁比高频闪烁更严重;一些闪烁的荧光灯或者电视屏幕都会引起类似偏头痛的症状,许多研究也表明对于这些闪烁诱发的偏头痛患者,他们的脑电反应化(EEG)通常会跟那些没有偏头痛的不一样。但是,究竟是闪烁光源的那些因素导致的生理不适,还没有得出确切结论。

 

4、用眼疲劳、视力下降

照明灯具的光闪烁,往往会影响到人类的工作效率。在研究闪烁对人们疲劳程度的影响时发现,可见闪烁造成的精神疲劳都很小,而造成人体疲劳的主要因素是工作内容;非可见闪烁可以影响眼球的运动轨迹,影响阅读并导致视力下降。和Wilkins等人的研究均表明在频率更高的闪烁光源下进行视觉相关作业性能会比低频光源表现的更好。

 

 

频闪判定标准

 

IEEE于2013年4月发布IEEE PAR 1789:2013《Draft Risk Assessment-Potential health effects of fl icker from LED lighting》中对频闪的判定标准如下图所示,图中无影响区域用绿色表示,低风险区域用橙色表示:

 

图:低风险和不可察觉到的影响水平的闪巧频率和波动深度函数关系


文件对无频闪判定准则为:

 

(1)频率低于9 Hz,不可觉察波动深度限值为0.288%;

(2)频率在9-3 120 Hz范围内,不可觉察波动深度限值为:频率×0.032%;

(3)频率大于3 120 Hz,认为完全无频闪,免除考核。


如何减小频闪分析频闪产生的原因,可以发现减轻频闪的关键在于电光源技术与驱动技术。如LED在恒定、无震荡的直流源驱动下,可达到无频闪的效果。市场上的驱动产品还需考虑驱动成本、尺寸、可靠性、效率等因素,制造商与行业专家也尝试找到一个人们可以接受的频闪程度。