隨著科技的持續(xù)發(fā)展，目前已經(jīng)商業(yè)化的照明產(chǎn)品從第一代的白熾燈;第二代的熒光燈、鹵燈;第三代的高強度氣體放電燈以及當下主流的第四代的發(fā)光二極管(led)。照明燈具的光效越來越高，一直朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。然而不可否認，電光源的發(fā)展也帶來了許多新的問題，除了對環(huán)境、能源等影響外，人工照明環(huán)境對人類健康所帶來的影響也同樣不容忽視?，F(xiàn)在人們不僅只關(guān)注照明的物理性能效果，同時也很重視照明的光生物安全。而目前商業(yè)化的電光源照明產(chǎn)品大多數(shù)都是通過交流驅(qū)動的，燈具的頻閃效應(yīng)對人體健康產(chǎn)生的影響已成為各種照明產(chǎn)品需要重點解決的問題。
讀寫作業(yè)臺燈是人們?nèi)粘＿M行學(xué)習(xí)、工作和電腦作業(yè)的加強照明，由于使用的時間長，已成為與人類日?；顒咏佑|最為密切的照明產(chǎn)品之一。況且在使用的人群中還包括大量處在青春發(fā)育期的青少年，讀寫作業(yè)臺燈的頻閃效應(yīng)也是誘發(fā)青少年近視眼的一個重要因素，所以近年來市面上出現(xiàn)了“無頻閃”的“護眼臺燈”。由于‘護眼臺燈”未經(jīng)過嚴格的科學(xué)論證和公正的第三方檢測，而市面上用來驗證頻閃的旋轉(zhuǎn)陀螺方法非常粗略，無法獲得量化的準確結(jié)果，所以這種‘護眼臺燈”的叫法是不科學(xué)的。
綜上所述，研究讀寫作業(yè)臺燈的頻閃效應(yīng)對于深人理解頻閃機理，降低讀寫臺燈照明對人體的不良影響，營造一個高效環(huán)保、安全可靠、有益于人們工作和生活的照明環(huán)境有著非常重要的意義。
閃爍與頻閃
北美照明學(xué)會(IESNA)出版的第九版照明手冊中對閃爍的定義是：光源強度的快速變化。對于照明類產(chǎn)品，無論是以前的傳統(tǒng)光源還是當下的LED燈具，只要是在交流的驅(qū)動下工作都會產(chǎn)生閃爍。對閃爍程度的表征主要是考慮交流的頻率，光源發(fā)出光的持續(xù)性和觀察條件。閃爍對在觀察范圍內(nèi)的移動物有顯著的作用，在閃爍的照明下物體可能會出現(xiàn)離散的狀態(tài)而不是連續(xù)的，這種效應(yīng)稱為頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)的級別取決于閃爍的速度和幅度，以及物體運動的速率和觀察狀態(tài)。
IESNA的照明專家已經(jīng)提出用閃爍百分比和閃爍指數(shù)來表征照明的頻閃特性，兩者的計算方法如圖1所示。
圖1關(guān)于傳統(tǒng)閃爍度量法的周期波形閃爍百分比=10096x(A-B)/(A+B)
比較兩種度量方法的差異在于：閃爍百分比只是峰值-峰值的比例;而閃爍指數(shù)能很好地闡述輸出波形間的差異，數(shù)學(xué)表征上也更加精確，但是較少的人知道閃爍指數(shù)，并且照明文獻中也很少發(fā)現(xiàn)有人進行研究，部分原因可能是因為閃爍指數(shù)需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)積分和對相關(guān)波形的精確采集。有鑒于此，目前通用的頻閃評價參數(shù)選擇閃爍百分比也叫波動深度。波動深度是在周期性的光輸出波形中，一個周期內(nèi)的最大值和最小值之差占光輸出最大值和最小值之和的比例，以百分比表示。
關(guān)于閃爍和頻閃，我國還沒有出版相關(guān)的標準，僅僅在CQC自愿認證技術(shù)規(guī)范《視覺作業(yè)臺燈認證技術(shù)規(guī)范》中考慮了閃爍的要求。而對于頻閃的度量方法，國際上也是存在爭議的，沒有統(tǒng)一的一個行之有效的定量分析方法，目前波動深度概念的提出已經(jīng)是研究頻閃的一大跨步。美國IEEE發(fā)布了IEEEPAR1789《LED照明閃爍的潛在健康影響(草案)》中采用了波動深度對頻閃效應(yīng)進行考核。
頻閃的光生物危害
光對人體健康的危害影響是一個長期作用、慢性累積的過程，世界上發(fā)達國家很早就開始了相關(guān)的研究。根據(jù)光的閃爍頻率、光強變化幅度等不同因素，光對人體的危害程度也不相同。目前研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頻閃效應(yīng)導(dǎo)致人體的不良生理反應(yīng)包括：
(1) 頭痛和眼疲勞
Wilkins博士等人發(fā)現(xiàn)辦公室人員用高頻電子鎮(zhèn)流器燈具比用50Hz電感鎮(zhèn)流器熒光燈照明產(chǎn)生頭痛的人數(shù)下降兩倍叭根據(jù)美國國家頭痛基金會的報告|5|:“許多偏頭痛患者對光非常敏感，如亮光并且閃爍，則更容易引起偏頭痛。慢速閃爍通常比快速閃爍更容易引起偏頭痛”。“一些熒光燈照明或者從電視機或電影屏幕的閃爍也有類似的影響”。
(2) 光敏性癲癇病
對光敏感的人群在3-70HZ范圍內(nèi)的可見光調(diào)制下即使短時間接觸也會發(fā)作癲癇，這大概會影響到1/4000的年齡在5-24歲人群，通常是在青春期左右開始發(fā)作，并且有75%的人群會終生對光敏感。
(3) 視力下降
Veitch和McColl于1995年發(fā)現(xiàn)：和高頻電子鎮(zhèn)流器相比，100-120Hz調(diào)制的電感鎮(zhèn)流器熒光燈系統(tǒng)會降低群體的平均視力。這樣的情況經(jīng)常發(fā)生在紙質(zhì)閱讀和電腦屏幕的文本閱讀中。
(4) 注意力分散
人眼視場的周圍對頻閃更加敏感，例如頻閃不停的信號燈或者汽車尾燈產(chǎn)生的快速調(diào)制會吸引司機一直盯著看。而提前將眼睛移開可能會對司機或者在駕駛道路上的人和物有危險。與運行中的機器結(jié)合的頻閃光源會產(chǎn)生開合效應(yīng)，對人產(chǎn)生的傷害，會導(dǎo)致顯著不同的移動和停止速度。十年前在行業(yè)中就已經(jīng)鑒別出來這種危害n。
(5) 自閉癥
有自閉癥的兒童尤其對環(huán)境的改變很敏感，而照明中的頻閃則增加了這種行為的反復(fù)發(fā)作，美國的兒童患自閉癥的比例大概是1/110。
人體暴露在有頻閃的照明環(huán)境中，較容易產(chǎn)生不良反應(yīng)的條件有：接觸時間長、視網(wǎng)膜接受刺激面積大、視場定位靠中心、閃光亮度高、與環(huán)境亮度對比度高、閃光顏色呈深紅色。
評價頻閃的波動深度與頻率的關(guān)系如圖2所示，圖2中無影響區(qū)域用綠色表示，低風(fēng)險區(qū)域用橙色表示。低風(fēng)險區(qū)域的上限是波動深度線，小于閃爍頻率的0.08倍，相當于無影響邊緣的2.5倍。
檢測結(jié)果與分析
為了考察讀寫作業(yè)臺燈的頻閃特性，挑選不同廠商、不同光源的讀寫作業(yè)臺燈進行了頻閃測試。測試過程中首先對樣品進行預(yù)熱，待穩(wěn)定后進行測試得到光輸出波形。采用的測試系統(tǒng)所需要的設(shè)備主要包括Tek~onixTDS2024B數(shù)字示波器，Thorlabs光敏器件和遮光盒(或暗室)，如果檢測小信號的照明產(chǎn)品，還需要跨阻抗放大器。具體的測試數(shù)據(jù)見表1。
對于國內(nèi)的常規(guī)燈具，電源基頻為50Hz的燈具光輸出頻率一般為100Hz，從表1測試結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)光源一般的光輸出頻率都是100Hz，但是為了降低LED臺燈的頻閃效應(yīng)，LED臺燈中很多采用了多種多樣的電路整流方法來改變輸出光的頻率和波形。例如對于100～120Hz范圍的LED臺燈，采用的整流方法就包括：串聯(lián)LED燈的全波整流;通過反向電極連接直接驅(qū)動兩路并聯(lián)的LED燈串;脈寬調(diào)制電路的簡單調(diào)節(jié);功率兇數(shù)修正電路110]~m圖2口以得出，當光的頻率超過3125Hz時，可以認為光對人體的健康是沒有影響的，可以免除考核;在光輸出頻率<9Hz時，波動深度的限值是0.288%;但是頻率在9~3125Hz之間的時候，是依據(jù)具體的頻率計算出相應(yīng)的波動深度限值的。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，LED讀寫作業(yè)臺燈的波動深度比較容易滿足頻閃無危害的限值，合格的較多(實測數(shù)據(jù)標加粗數(shù)字為無危害的，標普通數(shù)字為低風(fēng)險類的.標斜體數(shù)字是頻閃不合格的)，可能是由于LED具有靈活變動驅(qū)動方式的優(yōu)勢。當然要確定是否LED的臺燈比傳統(tǒng)光源的臺燈的頻閃效應(yīng)好，需要以后獲得更多的檢測數(shù)據(jù)進行佐證。
圖3給出了讀寫作業(yè)臺燈的光輸出波形圖，在光輸出頻率都是100Hz的情況下，a波動深度超過低風(fēng)險限值，b是頻閃合格的。從波形可以看出，要使得LED讀寫作業(yè)臺燈的頻閃滿足無危害要求，其中一個方案通過對LED的驅(qū)動進行整流濾波，改變光輸出波形的波峰比。
另外一個降低頻閃的方法可以將LED臺燈的光輸出頻率整流成50Hz.從表1中能發(fā)現(xiàn)，對于輸出頻率為50Hz的LED讀寫作業(yè)臺燈，有5/6的波動深度值是屬于無危害類的，圖4顯示的是輸出頻率為50Hz的光輸出波形圖。這個重要的發(fā)現(xiàn)可以在IESNA第九版的照明手冊中找到相關(guān)的解釋：不同人體的眼球接
收到光的適應(yīng)性亮度或者在視網(wǎng)膜照度很大的情況下,臨界閃爍頻率都低于60Hz，如圖5所示。在今后降低LED讀寫作業(yè)臺燈頻閃效應(yīng)的研究中，可以大幅度提高輸出光的頻率，或者在某些少數(shù)50Hz的基礎(chǔ)上改變波峰比，注意光波的波動深度不能超過無危害的限值，最起碼要低于低風(fēng)險類的限值。
總結(jié)與展望
本文通過介紹頻閃的概念、光生物危害和讀寫作業(yè)臺燈頻閃的檢測來進行對頻閃特性的研究。在分析了頻閃測試結(jié)果的基礎(chǔ)上來深入理解波形和頻率對波動深度的影響，并且提出了改善頻閃效應(yīng)相應(yīng)的解決方案：通過整流濾波改變讀寫作業(yè)臺燈的光輸出波形;同時大幅提高輸出光的頻率，或者在光頻率設(shè)定為50Hz時改變波峰比。為了使得讀寫作業(yè)臺燈滿足性能優(yōu)良、安全可靠，對臺燈的照度及其均勻度、顯色指數(shù)和色溫有要求，我國的標準已經(jīng)提出了照度和均勻度的要求，讀寫作業(yè)臺燈的顯色指數(shù)(Ra)>80,并且R9>0,臺燈的色溫<4000K，避免高色溫影響青少年的作息規(guī)律，但是對頻閃要求沒有規(guī)定，僅在CQC技術(shù)規(guī)范中有相關(guān)要求。國內(nèi)標準的修訂工作略顯滯后。考慮到媒體和消費者一直密切關(guān)注讀寫作業(yè)臺燈的問題，建議盡快健全標準，強化政府監(jiān)管，加強消費者的安全意識，為廣大群眾，尤其是青少年人群提供品質(zhì)優(yōu)良的讀寫作業(yè)臺燈。
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