蔡培凱

廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(shì)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(duì)教室照明中光源的頻閃問題越來越重視。光源的頻閃對(duì)人的視覺系統(tǒng)有刺激作用，對(duì)人眼的損傷是個(gè)緩慢的過程。為此，文章對(duì)教室照明中的光源頻閃問題進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 光源頻閃的定義及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

光源頻閃是指光源的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而變化，通常是不穩(wěn)定跳動(dòng)的。人眼對(duì)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(huì)CIE將頻閃定義為由于光源光強(qiáng)或光譜隨時(shí)間變化而波動(dòng)引起觀察者視覺感知變化的現(xiàn)象[1]。對(duì)于照明燈具而言，光源工作時(shí)電流會(huì)隨著電壓的變化而變化。熒光燈使用電子鎮(zhèn)流器時(shí)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以通過電路設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)而引起的光強(qiáng)變化，觀察者通過人眼給大腦反饋光強(qiáng)的波動(dòng)，是光源電壓的波動(dòng)導(dǎo)致光源的頻閃。科學(xué)家通過大量人員對(duì)于頻率不同的電壓靈敏度測(cè)試，用統(tǒng)計(jì)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(shí)，人眼的敏感度最強(qiáng)。視覺敏感系數(shù)曲線是視覺的光度敏感性對(duì)電壓頻率波動(dòng)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(dòng)不在觀察者的視覺感知內(nèi)，但其波動(dòng)確實(shí)存在，會(huì)持續(xù)對(duì)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(duì)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(huì)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(dòng)深度，即波動(dòng)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(dòng)深度定義圖如圖2所示。IEEE將波動(dòng)深度限值與閃爍頻率結(jié)合，當(dāng)閃爍頻率越大時(shí)，波動(dòng)深度限值越高。標(biāo)準(zhǔn)中將光源對(duì)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(dòng)深度的無顯著影響和低風(fēng)險(xiǎn)限值。無顯著影響區(qū)域和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的上限呈線性變化，低風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)深度定義圖

圖3 閃爍頻率和波動(dòng)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(yùn)動(dòng)的速率好像比實(shí)際的慢，甚至好像靜止不動(dòng)，這是由于物體運(yùn)動(dòng)頻率與光源頻閃頻率一致或者是其整數(shù)倍時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(huì)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(duì)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(jī)和電腦的普及，人們無時(shí)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(duì)于視覺系統(tǒng)的影響問題日益突出。對(duì)于中小學(xué)教室的照明，中小學(xué)生一天有60%的時(shí)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(yàn)

根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700—2008）對(duì)教室進(jìn)行2 m×2 m中心點(diǎn)布點(diǎn)，測(cè)量高度為課桌面高度，選取光源頻閃測(cè)量點(diǎn)最嚴(yán)重的點(diǎn)作為這間教室的測(cè)量結(jié)果，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。使用設(shè)備為光源頻閃測(cè)試儀，型號(hào)為LFA-3000。

圖4 教室照明測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)（LED燈管）

考慮到中小學(xué)教室燈具型號(hào)和燈具布置情況基本相同，隨機(jī)選取3所學(xué)校的各2間教室進(jìn)行測(cè)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(cè)試依據(jù)IEEE Std 1789-2015中閃爍頻率和波動(dòng)深度函數(shù)關(guān)系對(duì)教室光源頻閃情況進(jìn)行判定。3所學(xué)校中采用LED燈管和LED面板燈的教室檢測(cè)結(jié)果都為無風(fēng)險(xiǎn)，而采用光源為熒光燈管的檢測(cè)結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3所學(xué)校的光源頻閃檢測(cè)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，所測(cè)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(dòng)影響過大，導(dǎo)致頻閃問題嚴(yán)重，達(dá)不到無風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，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(dòng)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(chǎng)測(cè)試中熒光燈的頻閃問題體現(xiàn)在采用的電子鎮(zhèn)流器對(duì)于頻閃的控制不理想，會(huì)影響中小學(xué)生的視力健康。對(duì)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(cè)結(jié)果沒有出現(xiàn)不合格情況，但如果LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)不合格，將會(huì)引起的頻閃問題，對(duì)中小學(xué)生的視力將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的影響。