台灯照度及照度均匀度的现状分析

宋洁琼，庄晓波，姜丽丽

(国家灯具质量监督检验中心、国家电光源质量监督检验中心(上海)、上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114)

引言

台灯是生活中常见的照明产品，可用于读写作业照明或者房间的过渡照明等。其中读写作业用的台灯因为使用者大多为视力正处于发育期的孩子而备受关注。用于评价台灯产品质量的指标很多，如频闪、照度及照度均匀度、遮光性、显色指数和光生物危害等。其中频闪的存在可能对眼睛产生危害，这备受消费者的重视。但随着台灯产品性能和设计水平的提升，确保产品无频闪已非难事。上海市质监局2018年读写作业台灯产品抽查结果显示，所有抽检批次台灯的频闪结果均为无显著影响。而评价台灯照明效果优劣另外一个非常重要的指标——照度及照度均匀度，却很少受到大家的关注。本文将从照度及照度均匀度指标的重要性谈起，结合台灯产品实测数据，对该指标进行分析。

1 台灯主要评价指标

台灯的应用范围很广，除了最常见的读写作业台灯，还包括在床头提供垂直照度的台灯以及在酒店房间内提供过渡照明的台灯。但后两类产品的应用场合对视觉作业要求不高，因而产品要求简单。而针对读写作业台灯，国家标准提出了完整的评价指标和测试方法，主要从产品性能一致性、产品安全角度及对人体产生的危害等角度来评价产品。GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能要求》适用范围为家庭、教室和类似场所作为读写照明用的台灯和宣称“护眼”的台灯[1]。与此同时，中国质量认证中心(CQC)也推出读写作业台灯认证业务，发布了CQC 16-465316—2018《读写作业台灯性能认证规则》。参照以上标准和要求，评价台灯的指标主要包括：①光色特性——照度及照度均匀度、遮光性、色品容差、显色指数、闪烁；②安全方面——视网膜蓝光危害、电磁辐射、噪声、可移式灯具安全；③电特性和其他——输入功率、功率因数、外观和标志。

产品质量检测首先要确保产品安全，其次是功能性评价，即能否配合不同的使用目的，提供舒适高效的视觉作业环境。产品光色特性相关指标中，色品容差是对产品光品质和一致性方面的评价，而显色指数是对光照在物体上的颜色还原程度进行评价。此外由于一般产品选择出光口面在40 cm，与标准要求的检测位置大体一致，因此很少有产品会出现遮光性不合格的情况。台灯的闪烁特性由于产品制造工艺水平的提升，其合格率不断上升。而照度及照度均匀度作为评价台灯光性能的主要指标却经常被忽视。

2 标准对照度及照度均匀度的要求及其测试方法

视觉作业台灯的照明任务是提供舒适合理的照明环境，帮助人们高效且舒适地完成读写等视觉任务。研究发现，各种环境因素中，人看清物体的能力(视度)主要由物体大小(视角)、照度和对比度(物体与背景之间的亮度比)三个因素决定。因此视觉任务一旦确定，物体的尺寸大小和等效对比度这两个因素就确定不变，而照度即成为影响视觉作业工效的主要因素。参考每个视觉任务的重要程度，结合相关视觉作业对象的尺寸和等效对比度特性，可以确定需要的照度标准值。照度除了影响视觉工效，对视疲劳也有影响[2]。因此，照度水平对改善人的视觉作业工效、舒适性、用眼疲劳程度都非常重要的影响。鉴于书本字体尺寸，读写作业是人生活中非常重要且较精细的一种视觉作业，按照GB 50034—2013《建筑照明设计标准》中的规定，与读写任务相关的不同场所要求的照度限值为300～500 lx。

除了照度的高低水平影响视觉疲劳，照度分布的均匀程度对视觉疲劳也有直接影响。研究表明，相同照度水平下，照度均匀度好有助于减轻视觉疲劳。当明暗对比达到3∶1时，人眼就会明显感觉到明暗的变化[3]。这主要是由于阅读写字时如果视线范围内照度不均匀，人眼在亮暗环境中就需要频繁地来回调节瞳孔大小以适应不同的明暗环境，因此容易引起视觉的疲劳[4]。

综合考虑以上因素，在评价台灯提供的照明环境质量时，照度和照度均匀度是两个基本且重要的检测指标。GB/T 9473—2017《读写作业台灯性能》要求中将两项要求合并为一个指标，对测试结果分类为AA级、A级和不满足A级三个等级，要求依次下降。标准要求见表1，测试布点方法如图1所示。其中测量时以灯具出光口的几何中心的垂直投影点为圆心，靠近眼睛一侧的投射范围内，按照离中心点距离定义了两个检测区域。标准中定义的该测试项目实际包含最小照度和照度均匀度这两个指标，即需要每个区域内两个条件同时满足要求才算该项目测试合格。

表1 照度及照度均匀度的标准要求

图1 照度及照度均匀度试验布点方式Fig.1 Test point distribution for illuminance and illuminance uniformity

从国家标准对阅读写作相关区域场所的照度要求以及对台灯照明区域的照度要求限值可知，只有离测试中心点300 mm的内圈范围的台灯照度要求限值能够达到国家标准对阅读写作区域场所的照度要求限值。而台灯测试区域的外圈内照度最小值的AA级要求为250 lx，低于国标对阅读写作环境要求限值(300～500 lx)。因此在读写作业过程中，单独使用台灯时桌面照度偏低，我们建议需同时打开室内主照明。这样做有三个好处：一是可以增加作业面照度；二是桌面各个区域得到的光线相比于单独使用台灯时有所增加，也有助于提高作业面照度均匀度，三是打开屋顶主照明光源有助于减少背景环境与作业面之间的对比度，减少视觉疲劳。

3 台灯产品照度及照度均匀度的现状分析

我们统计了2017年和2018年两年的台灯测试结果，并剔除其中重叠的数据。在2017年的45批测试产品中，有10个产品采用荧光灯。而2018年的34个产品中，没有采用荧光灯。因此本文不讨论以荧光灯作为光源的产品，只讨论以LED为光源的台灯产品。而2017年产品中剔除以荧光灯作为光源的产品和与2018年产品重复的样品，最终确定2017年测试样品数目为33个。

3.1 产品测试结果统计分析

将2017年和2018年台灯产品测试结果的照度及照度均匀度合格情况进行汇总，如图2所示。可知，产品不合格数显著下降，但2018年仍有35.2%的不合格率，且大部分合格产品仅满足A级的要求。

图2 2017年和2018年测试样品照度及照度均匀度等级分布Fig.2 Illuminance and illuminance uniformity lever distribution of test samples in 2017 and 2018

照度及照度均匀度指标也可以分解为照度最小值和照度均匀度两个指标进行分析。对两年所有不合格产品综合统计时发现，70%的产品均无法满足两个子指标，剩下各有15%的样品只能满足其中一个指标。2017年83.3%的单项不合格产品集中体现为照度不合格，而2018年单项不合格产品全部为照度均匀度不合格。由此可见，在产品设计时，两项指标的设计难度相当。

如果按照测试区域来区分，则该指标可按照内外两圈合格性进行统计。内圈部分是距离测试中心点300 mm的120°扇形区域，外圈是距离中心点300～500 mm的120°角内包含的弧形区域。37个不合格产品中，有11个产品可以满足内圈的照度及照度均匀度相关要求，而没有一个产品满足外圈的设计要求。由此可知，受台灯产品发光面积及角度的限制，内圈核心区域相比外圈较容易满足标准要求。

3.2 发光部件的影响

由于台灯距离工作面的距离较低，属于近距离照明，因此发光部件的形状与大小对被测工作面的照明效果影响很大。发光面与被测面形状越接近，面积越大，达到照度均匀性要求会更容易。因此本文依照发光部件发光边缘形状分类进行统计，环形与圆形为一类，而发光边缘呈长条状分布为另一类。2017年33个测试产品中，75%采用长条形作为发光部件的外形，而2018年这个比例为50%，见表2，发光部件形状为圆形/环状的灯，其不合格率普遍低于长条形的产品。由此看来，台灯产品设计逐渐偏向采用圆形/环形来设计发光部件。

表2 不同发光部件形状的产品合格率

长条形发光产品普遍合格率偏低，这与产品发光面积普遍偏小有关。图3和图4分别统计了两类发光部件发光面积和照度及照度均匀度等级之间的关系。可知，圆形/环形发光的产品发光面积普遍大于长条形产品。由于圆形/环形发光面积大，光学设计相对容易，不需要增加二次配光设计，但产品合格等级则严重受发光面积大小的影响，发光面积在100 cm2以下的产品多数会表现为照度及照度均匀度不合格。而长条形发光产品，除了发光面积普遍偏小外，长轴短轴方向尺寸比例相差很大,因此在这两个方向上难以做到相同的照明覆盖面积。以上两个因素决定了长条形产品依靠芯片自身配光特性很难做到照度及照度均匀度合格，设计难度增加，因此不合格率上升。由此可见，产品照度及照度均匀度合格等级与发光面积之间没有必然的关联。

图3 环形/圆形产品合格等级与面积关系Fig.3 Relationship between qualification lever and area of test sample with the circle or ring shape

图4 长条形产品合格等级与面积关系Fig.4 Relationship between qualification lever and area of test samples with the rectangular shape

3.3 配光的影响

选取5款有代表性的产品，对其配光等数据进行比较，见表3。图5列出主要的两种配光类型， A型近似于芯片原始配光形状，而B型则针对产品用途，加入了二次光学设计。发光部件为圆形和环形的产品，由于发光面积普遍较大，容易达到标准要求，因此基本属于A型配光。圆形产品主要靠一圈芯片装在发光体圆周侧壁，然后通过圆形导光板和导光板底部的反光材料将光导向外侧。而环形产品则直接在芯片外加一层透光罩，即完成发光部件设计。长条形产品有部分是芯片加透光罩的直射形式，配光类型为A型，这类产品发光面积特性决定了这样的光学设计难以满足照度及照度均匀度的标准要求。另外一类长条形发光的产品则通过光源腔内部的光学部件和透光部件，改变了产品配光特性，如产品5加入偏光设计，因而能做到照度及照度均匀度指标合格，同时偏光设计将光线集中在使用者一侧，也有利于作业面照度的提高。

产品2的发光部件是圆形，光束角明显小于其他产品。从产品外观可知，产品发光面积小且光源内陷，外侧有遮光部件，形成一定的遮光角，有助于减少眩光，但却限制了出光面的发光角度，因此使得桌面照度和照度均匀度两项指标都未满足标准要求。

表3 5款典型台灯产品信息列表

此外，配光测试都是远场测试，可以把发光面当做一个点。但台灯实际使用时发光面与被照明表面之间距离较近，就不能忽略发光体的尺寸。因此台灯配光图只能作为一个参考，不能像其他照明产品一样，作为点光源利用配光数据做照度计算。实际桌面的照度及照度均匀度情况是受产品功率、光学部件(如发光形状、发光面积、反射罩和透光罩材料等)和配光设计等几个因素共同影响的结果。其中功率与光学部件和配光设计共同决定了测试区域内最小照度值情况，而照度均匀度则主要受产品光学部件和配光设计的影响。

对于消费者而言，需要了解的是部分台灯产品配光上会有特殊的设计。使用这类产品时，如果摆放位置不正确，照度及照度均匀度的结果会截然不同。以其中一款发光部件为长条形发光的产品为例，改变摆放位置进行测试，结果见表4。读写作业时从使用者视线角度看到的台灯摆放位置如图6所示。其中位置I为说明书要求摆放位置满足标准对照度及照度均匀度的要求，而位置II和位置III不满足要求。因此我们建议消费者在使用台灯前，一定要仔细阅读说明书，按照说明书规定的位置摆放。从数据结果可知，不遵照产品说明书要求摆放，使用者一侧的桌面照度均匀度就从合格变为不合格，没有发挥出产品应有的配光设计优势。

图5 测试样品配光类型示意图Fig.5 light distribution type for test samples

表4 长条形产品不同摆放位置照度及照度均匀度测试结果

图6 台灯测试摆放位置图示Fig.6 Test placement of table lamp

4 问题与建议

4.1 关于可调光产品

2018年测试的34个样品都带有调光或调色功能，其中15个为亮度可调且色温可调，16个仅可调亮度，还有3个是仅可调色温。部分产品设计为3档亮度调节，测试所有状态并不繁琐。但如果产品亮度设计为无极调节，有时还会增加一个色温的调节维度，那么这两种调节方式排列组合能得到的不同使用模式会呈指数上升。多种模式变化，必然很难保证所有模式都满足标准要求，如果要全面衡量产品的合格性，测试次数也会随之增加。对于企业而言，这意味着增加了产品检测认证的繁琐程度和经济负担。因此企业一般会选择特定模式，如最大功率最大色温状态为读写作业模式进行测试。对于企业和检测机构而言，这是省时省力的方法，但对于消费者而言这不是最优的解决方案，调光过程中的照度及照度均匀度合格范围不明确，会导致追求照明体验的消费者只能使用一个特定的模式，无法体现产品可调的优势。设计多变的产品功能来满足人们多样化的需求是未来的发展趋势。因此企业设计产品时需改变思路，增加对能够满足照度及照度均匀度的可调光范围的定义。

对于企业而言，如何确定满足标准要求的调光范围是个难点。因此我们首先分析亮度和色温调节对台灯照度及照度均匀度测试结果的影响，以此为出发点，讨论如何确定产品满足照度及照度均匀度的可调光范围。

如果色温不变，仅调节亮度，一般设计是通过调节芯片电流或者占空比来改变芯片总光通量[5]，不涉及光学设计的改变，因而灯具配光形式是确定不变，而测试区域内照度值会成比例增减。因此亮度调节会影响测试区域内的照度最小值，但对照度均匀度的影响很小。而色温改变通常通过调节不同色温芯片的功率配比形成需要的色温[5]，会涉及产品功率变化而改变照度最小值。且不同色温的芯片排布多变，对照度均匀度的影响尚无法明确。为简化问题，本文仅讨论亮度调节对照度及照度均匀度的影响。

根据上述分析，对于仅调节亮度的产品，只要确定该产品能满足照度及照度均匀度的功率下限，再通过实测进行微调验证，就可以基本确定该产品满足标准的可调光范围。实际操作时需要参照合格产品在最大亮度下测试获得的最小照度数据与A级中最小照度要求的限值之比，作为计算调节产品功率满足照度及照度均匀度要求所允许的功率可调下限的理论百分比数值。本文统计了2018年22个测试合格产品的功率可调的理论百分比下限，如图7所示，图中平均值为该照度及照度均匀度等级中所有产品功率仍满足A级要求的功率可调的理论百分比下限。误差线上下显示该类产品中功率可调下限的最大和最小百分比。对于照度及照度均匀度等级较高的AA级产品，功率可调节的范围普遍较大，其中一款产品理论计算甚至可以最低调节至34.8%，而A级产品功率可调节范围的下限为70%以上。

图7 满足A级要求产品的功率可调百分比下限Fig.7 Theoretical lowest percentage of power drop within the A grade requirement

由此可知，产品如果要增加可用于读写作业模式的调光调色功能，则不适合做成0～100%范围的无级调光，相反需要设计可调光下限，对满足照度及照度均匀度的可调光范围进行明确标示。这对于适用于读写作业场合且可调范围大的产品来说，可以成为产品的一个亮点，同时也会给客户带来更优的使用体验。而不满足照度及照度均匀度的低功率状态也可以设计为小夜灯或休闲模式等。不同调光范围适用不同的场合，进行区分标示，则可以发挥各自的作用。

产品测试的难点在于减少测试周期和成本。一方面，可以通过减少测试模式来减少测试周期，降低企业成本。这需要依照产品规律，尽量选取最少最具代表性的调光模式，通过测试几个模式的合格性来评判整体可调光范围的合格性。另一方面，可以尝试开发新的测试方案，减少每次测试过程需要的时间并简化操作流程，也有利于降低测试成本。

4.2 关于标准

现有标准要求以灯具出光口的几何中心在桌面的垂直投影点为照度及照度均匀度测试中心点，但产品测试过程中发现，现有的规定已难以满足现实中多种多样的产品需求，主要体现在以下两个方面：

首先，标准中对灯具出光口的几何中心定义不够明确。有很多产品为了配合自己的独特的外形设计或满足标准要求的照明效果，会将发光部件设计成特殊的形状。对于这类产品，仅依照标准内“几何中心”四个字，没有准确的定义，每个人选取的测试中心点不同会导致截然不同的测试结果。

其次，将出光口几何中心的垂直投影点定为测试中心，有很大的局限性。例如，日本设计的台灯产品利用ForwardBeam技术即利用反射器反射的间接式照明，有助于提高桌面照度均匀度，减少眩光，优化照明体验，如图8所示[6]，该产品在桌面上投影光斑的中心位置明显与标准中规定的测试光中心(产品光中心的垂直投影点)不重合。如果按照标准要求进行测试，数据采样区域必然会严重偏离产品设计时期望覆盖的工作区域，从而导致测试数据不能如实反映该产品的真实照明效果。随着半导体技术的发展LED光效大幅提升，白光LED芯片实验室光效在2014年就已突破300 lm/W[7]，超出了美国能源部发布的固态照明研发计划的预期[8]。这种眩光少、均匀性好的反射式照明有可能成为未来照明产品设计的一个热门方案。

图8 日本采用ForwardBeam技术设计的台灯设计方案Fig.8 Design plan of table lamp with ForwardBeam from Japan

由于产品设计不断迭代创新，有些创新就难免超出现有标准要求的框架。有些新的设计要么标准无法定义，没有测试方法，要么利用传统的标准方法则会获得错误的结果。因而标准的制定与修改需要及时跟进产品创新动向，以更好地为产品发展提供服务。因此针对该项测试，未来应该允许客户自定义测试时的光中心，只需要求设计者在说明书中明确产品使用位置的相关信息即可，这样可以改变按现有标准方法测试时偏离客户设计方案的问题的出现。

5 总结

通过对67个LED台灯产品的照度及照度均匀度的实测数据的统计，我们对目前台灯产品现状以及测试方法等问题进行了探讨，总结如下：

1)从产品设计研发的角度考虑。台灯设计中，要达到标准的照明效果，可以选择光学设计难度较低的圆形和环形来设计发光部件，同时加大发光面积有助于改善桌面照度及照度均匀度情况。而发光部件设计为长条形时，可能就需要再加入特殊配光设计或采用特殊的光学组件，才能达到理想的照明效果。对于可调光的产品，我们建议可以定义成多种调光模式，其中能够满足照度及照度均匀度的读写作业相关模式应设置功率可调的下限，而不满足照度及照度均匀度的调光范围可以设置为其他休闲或小夜灯模式。此外在产品使用说明书中应对满足照度及照度均匀度的设置方式、使用位置，以及不合格的调光范围进行明确提示。

2)从认证检测的角度考虑。标准制定者需从产品行业发展现状考虑，改进标准定义的测试方法及要求，允许生产者自定义光中心位置。同时针对可调光调色产品，检测机构需开发快速准确地测量新方案，降低企业认证测试的成本。这样才能帮助企业发挥可调光调色的优势。

3)从消费者的角度考虑。目前CQC出台了台灯认证业务，消费者可以购买CQC台灯认证合格的产品。实际使用过程中使用者也要严格按照使用说明书提示进行操作，在正确状态下使用才能得到最佳的照明效果，并起到护眼的作用。而在实际应用时我们建议打开室内主照明，而不要单独使用台灯作为读写作业时的照明。