雷特科技 | 對于頻閃,許多人仍存有誤區

2018-09-04

健康照明的觀念越來越流行,但是對于LED頻閃問題的認識許多人還存在誤區,今天我們就一起來看看雷特科技市場總監·張哲綱博士帶來的深度解析。

一、照明頻閃在生活中不全然是負面的

照明所產生的閃爍除了令人討厭之外,閃爍的光線還會引發一些嚴重的疾病,比如頭痛,視力障礙,或者在極端的情況下,癲癇發作。 即使閃爍是輕微的,例如在100到150赫茲的高頻率,你的眼睛可能不會有意識地注視它,但是大腦仍然能夠檢測和反應它,可能帶來負面的后果。 尤其是,體育場和倉庫工人的運動員在燈光條件差的情況下更容易發生事故,這可能導致頻閃效應(stroboscopic effect)。

但現實生活中,仍可見到與閃爍相關的案例,這些是屬于我們想要的”閃爍”

◎救護車、消防車和警車上的燈

◎飛機降落時的機翼指示燈

◎音樂會、酒吧的激光燈

除此之外,目前也有國外的科學研究,控制燈光的閃爍來治療阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)。

二、傳統光源也頻閃,LED頻閃取決于LED驅動

幾乎所有類型的燈都容易閃爍,包括白熾燈、鹵素燈、甚至 LED 燈泡。 但是每種光線的效果都不盡相同。例如在白熾燈與鹵素燈中,燈絲溫度對電流的變化反應緩慢,所以你不會注意到閃爍的效果。對于當前的變化,LED幾乎是立即響應的,所以閃爍會更加引人注目。

目前常用頻閃指數來形容光源的頻閃程度,綜合頻閃百分比和其它2個變量:光波形和占空比。其中,頻閃百分比等于一個開關周期內最大光輸出與最小光輸出之差除以最大光輸出與最小光輸出之和,頻閃指數等于一個開關周期內超過平均光輸出的量除以全部光輸出。頻閃百分比(波動深度)和頻閃指數越低,光源閃爍或者造成的頻閃效應越少。

圖一 各種光源的頻閃

從圖1可以看出,雙U緊湊型熒光燈由于使用電感鎮流器及電子鎮流器的不同,頻閃百分比也有明顯的不同,說明了照明電器對頻閃有極大的影響。同樣情況,LED會產生重度頻閃,也是由于選擇了不好的LED驅動器,與LED燈具本身并無太大的關系。

三、關于頻閃,仍有不同定義與不同參考指標

關于頻閃,有不同定義與不同參考指標,例如IEEE、能源之星、IEC、CIE…等,這里列舉兩個組織的定義:

(一)國際照明委員會CIE(Commission Internationale de L'Eclairage)

CIE 17.443 e-ILV:時間的光效應(Temporal Light Artefacts, TLA):在具體環境中,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起觀察者視覺感知的變化。下文的閃爍、頻閃效應和幻影效應都是TLA的不同類型體現。

CIE TN006-2016中的定義:

◎ 閃爍(Flicker):對于靜態環境中的靜態觀察者,亮度或光譜分布隨時間波動的光刺激引起的視覺不穩定性感知。與過去我們提到的“閃爍(flicker)”“亮度隨時間的變化”不同,這里的環境和觀察者都處于靜態。

◎ 頻閃效應(Stroboscopic effect):對于非靜態環境中(運動物體)的靜態觀察者,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起的對運動感知的變化。例如,在方波周期波動的亮度下,連續運動目標會被感知成不連續的移動;如果亮度波動周期與目標轉動周期一致,則目標會被看作是靜止的。

◎ 幻影效應(The phantom array effect):又稱鬼影(ghost),對于靜態環境中的非靜態觀察者,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起的對物體形狀或空間位置的感知變化。例如,當掃視以方波周期波動的小光源時,光源會被看成一系列空間延展的光點。

(二)電氣和電子工程師協會IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

IEEE Std 1789-2015中的定義:

◎“亮度隨時間的變化”(光的時間調制)

◎包含所有上述效果

◎包括視覺效果和非視覺效果

四、廠家宣稱無頻閃就真的是無頻閃嗎

某購物平臺搜索無頻閃燈具結果

廠家宣稱無頻閃就真的是前面所說的無頻閃嗎?須特別留意的是,若沒說明是依照什么測試標準或結果,他們指的無頻閃或許只是表示你肉眼看不到它的閃爍,與你想像的不一樣。目前我們國家已對臺燈做了閃爍的相關標準,依2016/11/02實施的CQC1601-2016《視覺作業臺燈認證技術規范》,閃爍應符合IEEE(電氣和電子工程師協會)的IEEE Std 1789-2015標準。

IEEE在2015年所發布的文件中,將頻閃風險分為幾個等級,如圖2所示,綠色面積覆蓋的是無危害的等級,而黃色區域則是低風險,超過黃色部分(白色區域)是不能被接受的。表1和表2?則列出低風險和無危害區域,燈具頻閃百分比(波動深度)的限值。

圖2 IEEE Std 1789-2015標準

在交流電50Hz頻率下,國內一般燈具頻閃頻率為100Hz,測燈具頻閃百分比低于3.2%,是無頻閃危害的限值范圍;當然,只要頻閃百分比在8%的低風險范圍內,燈具頻閃是屬于安全范圍,若高于8%,該照明產品可視為不安全。

我們在前面的圖表里可以很清楚的看到,光輸出波形頻率f是一個很重要的參考指標,按照計算公式是否小于所對應的波動深度限值以內,超過即不合其標準。事實上,“無頻閃”不是真的完全沒有閃爍,而是在一定的高頻下(如表2,光輸出波形頻率f?>3125?Hz,高頻額免級別),已經超過人眼神經反應速度(無危害的影響水平區域的波動深度限值),不會對眼球有損害。

國內也有像電光源質量監督檢測中心相關的檢測機構可針對IEEE Std 1789-2015標準來檢測(如圖3檢測報告)。由于調光恰恰是導致頻閃的另外一個誘因。而當燈具加載調光功能時,頻閃往往會進一步加劇。特別是在調光較暗時,其波動深度比較大。因此對于具有調光功能或者宣稱可連接調光控制器的照明產品,最少應該在其分別在調光最亮(100%亮度)以及調光較暗(20%或更低亮度)時測量其頻閃表現。

圖3 相關檢測機構的檢測報告

從圖4的測試結果來看,分別在最大亮度、中間亮度、最小亮度檢測下,若光輸出波形頻率f>3125 Hz,即”免除考核”(高頻豁免級別),達到無頻閃的嚴格要求。

圖4 調光燈具在三種不同亮度的檢查報告結果

五、使用手機測試頻閃是不合理的

2017年315國際消費者權益日晚會中,主持人和相關技術人員現場對兩款LED護眼臺燈進行測試。除專業儀器的測試數據以外,技術人員還指導主持人使用一部智能手機進行檢測,結果清晰的看到了頻閃,并表示“只需記住這一招:打開手機的照相功能,讓鏡頭對準燈泡,注意屏幕上的閃爍,頻閃嚴不嚴重一目了然!”。

事實上,使用手機攝像頭拍攝燈管的確可以看到頻閃,但這并不是判斷產品是否合格的方法。主要有以下幾點原因:

1.通過手機屏幕看到的不是你的眼睛直接感知到的;而是經過手機的采樣電路處理后的。->具有卷簾門效應?(rolling shutter)的影像。

2.有的手機“采樣?+ 顯示 ” 的頻率會在一定的范圍內根據攝像的范圍內的光變化進行自動調整。->?采樣頻率不夠高,且不固定!

3.每個不同品牌的手機的“采樣?+ 顯示 ” 的頻率及調整范圍,顯示模式(和卷簾門效應聯系)都可能不同;->?不同手機帶來的自身的測量參數不同!

4.可能有人說,當手機測量時沒有黑條紋,就表示光的波形是沒有變化的,那至少說明光的好的。->這也未必!如果手機的采樣頻率正好和光波形一樣,那么手機就會被欺騙,告訴你這個光非常好,沒有變化!

5.最后,手機的快門也會影響你的判斷。->快門時間越短手機所看到的”頻閃”越明顯,但快門時間越長”頻閃”極可能消失。

手機不是頻閃的檢測工具,但是它可以是一個參考工具。由于現代手機人手一支,隨時隨地都會利用手機拍照或攝影,若在頻閃嚴重的燈光下使用手機,極容易在手機熒幕發現明暗相間的紋波影響了拍攝的效果及品質,所以手機可以先做一個把關參考的工具。

相同燈具使用不同調光驅動器,燈光效果明顯不同

真正能夠測出是否頻閃,仍須專業的檢測儀器(如圖5),可以滿足包括IEEE、能源之星、IEC、CIE等在內的多個最新頻閃測量標準要求,適用于實驗室和現場測量場所。個人或者可以使用便攜式的頻閃測量儀(圖6),也同樣可以顯示頻閃的重要參考,像”頻閃百分比” 及”頻閃指數”,還具備評價功能,讓使用者能夠直接判讀光的品質好壞,例如:十分嚴重、明顯存在、幾乎沒有、高頻豁免…等。

圖5 光源頻閃測量儀

圖6 頻閃測量儀評價 -- 無頻閃(高頻豁免級別)

六、結論

近年來社會大眾對健康照明的呼聲及要求越來越高,為了有效提高光的品質,目前越來越多的消費者已經了解到頻閃所帶來的潛在傷害,頻閃問題必須面對與解決。但是現在市場上還有很大部分照明廠家的燈具達不到“無頻閃”要求,終究原因是選擇的LED驅動器不達標。

“無頻閃”雖然有相關的國家標準,但不是強制性的要求,少部份的廠商雖推出所謂的”無頻閃”產品,由于無法目視判斷有效解除大家對頻閃的疑慮。為此,已有照明設計師及照明工程公司使用頻閃測量儀現場檢測是否達標,也曾聽聞甲方及最終消費者自備頻閃儀檢測。當然,最有效的方式就是請廠家提供具公信力的檢測單位相關的檢測報告。

擁有健康的光環境是基本的訴求,選擇好的LED驅動器就可以將頻閃所帶來的負面影響減至最低。


 

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