教室照明中的光源频闪研究

蔡培凯

厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361100

0 引言

当前，我国各年龄段学生视力的视觉健康形势不断恶化，近视率逐年攀升并呈低龄化倾向。中小学教室照明是影响儿童、青少年视觉发育和健康的重要因素。随着LED光源逐步替代荧光灯使用在教室照明中，人们对教室照明中光源的频闪问题越来越重视。光源的频闪对人的视觉系统有刺激作用，对人眼的损伤是个缓慢的过程。为此，文章对教室照明中的光源频闪问题进行了相关研究。

1 光源频闪的定义及其评价指标

光源频闪是指光源的强度随时间的变化而变化，通常是不稳定跳动的。人眼对于光源的频闪情况一般很难察觉，这主要取决于光源的闪烁频率。国际照明委员会CIE将频闪定义为由于光源光强或光谱随时间变化而波动引起观察者视觉感知变化的现象[1]。对于照明灯具而言，光源工作时电流会随着电压的变化而变化。荧光灯使用电子镇流器时其频率在20～30 kHz，频闪较小。LED灯具是通过将交流电转化成直流进行驱动，可以通过电路设计降低照明频闪。但是，LED照明产品存在为了节约成本使用劣质驱动电源而导致频闪更加严重的情况。

光源频闪本质上是照明光源随着电压波动而引起的光强变化，观察者通过人眼给大脑反馈光强的波动，是光源电压的波动导致光源的频闪。科学家通过大量人员对于频率不同的电压灵敏度测试，用统计学方法处理得到视觉敏感系数曲线，如图1所示。从图1可以看出，闪烁频率在50 Hz以下，人眼能察觉光源的频闪情况；在闪烁频率8.8 Hz时，人眼的敏感度最强。视觉敏感系数曲线是视觉的光度敏感性对电压频率波动的响应。

根据图1，在市电交流频率50 Hz下，大部分人分辨不出光源是否闪烁，光源波动不在观察者的视觉感知内，但其波动确实存在，会持续对人的视觉神经系统产生影响。国内外的很多研究表明，光源的频闪对人视觉系统的生理健康有严重影响[2]。

图1 视觉敏感系数曲线

美国电气与电子工程师协会的标准IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High Brightness LEDs for Modulating Health Risks to Viewers（IEEE Std 1789-2015）

中定义了波动深度，即波动深度指光输出波形单周期内光输出峰值和谷值的差与两者之和的比。波动深度定义图如图2所示。IEEE将波动深度限值与闪烁频率结合，当闪烁频率越大时，波动深度限值越高。标准中将光源对观察者影响分为可察觉频闪和不可察觉频闪两类，并规定波动深度的无显著影响和低风险限值。无显著影响区域和低风险区域的上限呈线性变化，低风险区域的上限为闪烁频率×0.08，为无显著影响区域上限的2.5[3]，如图3所示。

图2 波动深度定义图

图3 闪烁频率和波动深度函数关系

2 光源频闪的危害

在生活中可以发现，有的物体运动的速率好像比实际的慢，甚至好像静止不动，这是由于物体运动频率与光源频闪频率一致或者是其整数倍时，由光源频闪产生的结果。光源频闪主要分为以下4类。

（1）照明设备频闪：交流电压下，LED光源、荧光灯等由于电源波动引起的频闪。

（2）显示设备频闪：电视、电脑、LED显示屏等由于扫描引起的频闪。（3）夜景灯光频闪：广告照明、装饰灯具、激光等的频闪。（4）非周频闪：交流荧光灯的启动频闪，或照明显示设备故障频闪。

这些照明显示的频闪刺激观察者视觉系统，会让人眼感觉不舒适。如果人长期处于有频闪的光线下，还可能对视觉系统的生理卫生和心理卫生产生影响。随着现代科技的发展，手机和电脑的普及，人们无时无刻使用着电子设备，以及各种各样的夜景照明，导致光源频闪对于视觉系统的影响问题日益突出。对于中小学教室的照明，中小学生一天有60%的时间是在教室内，光源的频闪问题很容易伤害学生的眼睛，导致学生近视，因此必须重视教室照明中光源的频闪问题。

3 中小学教室光源频闪试验

根据《照明测量方法》（GB/T 5700—2008）对教室进行2 m×2 m中心点布点，测量高度为课桌面高度，选取光源频闪测量点最严重的点作为这间教室的测量结果，检测现场如图4所示。使用设备为光源频闪测试仪，型号为LFA-3000。

图4 教室照明测试现场（LED灯管）

考虑到中小学教室灯具型号和灯具布置情况基本相同，随机选取3所学校的各2间教室进行测试。3所学校教室照明使用照明灯具各不相同，分别为LED面板灯、LED灯管、荧光灯管。

本次测试依据IEEE Std 1789-2015中闪烁频率和波动深度函数关系对教室光源频闪情况进行判定。3所学校中采用LED灯管和LED面板灯的教室检测结果都为无风险，而采用光源为荧光灯管的检测结果为高风险，详细数据如表1所示。

表1 3所学校的光源频闪检测结果

测试结果表明，所测试的教室照明中荧光灯管使用的配套电源质量较差，在市电电压下，其电压引起的波动影响过大，导致频闪问题严重，达不到无风险等级，而LED灯由于正向伏安特性，在相同的交流电源或脉冲驱动下，输出光的闪烁现象优于荧光灯[4-6]。

4 结论

在现场测试中荧光灯的频闪问题体现在采用的电子镇流器对于频闪的控制不理想，会影响中小学生的视力健康。对于中小学教室照明灯具的选择，需严格把控光源的质量。虽然本次LED光源的检测结果没有出现不合格情况，但如果LED驱动电源设计不合格，将会引起的频闪问题，对中小学生的视力将产生更为严重的影响。