- 燈光閃爍的基本概念
- 光源閃爍產(chǎn)生的原因
- 閃爍對(duì)人眼的危害
- 閃爍度的評(píng)價(jià)方法
- 閃爍度的測(cè)量
- 典型光源的閃爍結(jié)果對(duì)比
1.閃爍的基本概念
人們發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期在日光燈下看書(shū)會(huì)感到不舒服，雖然其光亮度與白天無(wú)異。這是為什么呢?經(jīng)過(guò)研究，原來(lái)這是因?yàn)槿展鉄舻墓鈴?qiáng)是隨時(shí)間變化所致。也就是光源的閃爍所致。
那什么是光源閃爍呢?光源閃爍就是光源發(fā)出的光隨時(shí)間呈快速、重復(fù)的變化，使得光源跳動(dòng)和不穩(wěn)定。當(dāng)然人的肉眼并不能很容易地覺(jué)察到光源的閃爍，這主要取決于閃爍的頻率。一般地，在閃爍頻率50Hz以下，人眼都能覺(jué)察到光源的閃爍。而在8.8Hz時(shí)，人眼是最敏感的。同時(shí)，能被覺(jué)察的最大閃爍頻率(臨界閃爍頻率)是隨著光源發(fā)出的光強(qiáng)而變化的，隨著光強(qiáng)增大臨界閃爍頻率也增大，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到最大后逐漸減小后，臨界閃爍頻率也相應(yīng)減小。當(dāng)光強(qiáng)以大于50Hz的頻率變化時(shí)，大多數(shù)人就分辨不出光源是否在閃爍了，此時(shí)的光源就發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光，因?yàn)檫@時(shí)人眼的反映已經(jīng)跟不上光源的變化了。例如，人眼就覺(jué)察不到每秒100次閃爍(100Hz)的熒光燈的閃爍現(xiàn)象。
光源閃爍可以通過(guò)頻閃效應(yīng)被證實(shí)。有時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)一個(gè)物體很快速地運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它們看起來(lái)好像運(yùn)動(dòng)得比他們實(shí)際的速率要慢，甚至當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率跟光源閃爍頻率相同(或是整數(shù)倍關(guān)系)時(shí)，物體好像靜止不動(dòng)。這就是頻閃光產(chǎn)生的原因，它是一種我們?cè)谌粘５恼彰髦胁幌Ｍl(fā)生的現(xiàn)象。事實(shí)上，由于頻閃效應(yīng)，人們產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)，而把一些快速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備看成是緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)著甚至是靜止的是非常危險(xiǎn)的。
光源閃爍有很多種，常見(jiàn)的有以下幾種：
1、照明周期性閃爍：如交流熒光燈的頻閃以及由于電源電壓波動(dòng)引起的光源閃爍;
2、照明非周期性閃爍：如交流熒光燈的啟動(dòng)閃爍，各種故障閃爍;
3、顯示設(shè)備閃爍：如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、電子游戲機(jī)，廣告屏等掃描顯示引起的閃爍;
4、藝術(shù)燈光閃爍：如霓虹燈，彩燈和鐳射等閃爍。
2.光源閃爍產(chǎn)生的原因
光源閃爍實(shí)質(zhì)上是從電壓變動(dòng)——光通量波動(dòng)——眼睛到人腦這個(gè)反應(yīng)鏈的主觀感受。產(chǎn)生頻閃的技術(shù)機(jī)理，既有供電電源的因素，也有電光源性能的因素，以及照明設(shè)計(jì)不合理的因素等等。下面僅就常用電光源技術(shù)性能的角度，進(jìn)行概括性技術(shù)分析。
(1)光源供電頻率低。白熾燈、高壓汞(鈉)燈、直管型(電感式)日光燈。在現(xiàn)階段，絕大多數(shù)由50Hz工頻正弦交流電，直接向電光源的發(fā)光體供電。其頻閃頻率為50Hz*2=100Hz，并且呈正弦波規(guī)律波動(dòng)。
(2)光源電壓波動(dòng)大。我國(guó)現(xiàn)階段工頻交流電源，瞬時(shí)電壓值波動(dòng)幅度在10%~20%之間，大大加重了頻率為100Hz，呈正弦波規(guī)律波動(dòng)的頻閃深度。
(3)電光源性能。白熾燈為燈絲直接加熱發(fā)光的熱輻射性光源，發(fā)光體的發(fā)光功率，必然隨供電電源的頻率，呈正弦波規(guī)律波動(dòng)。高壓汞(鈉)燈，直管型(電感式)日光燈，雖然是氣體放電發(fā)光的電光源。但由于其啟動(dòng)與點(diǎn)燃均采用電感式鎮(zhèn)流器(不具備AC-DC-AC變頻功能)。所以，氣體放電發(fā)光體的放電功率，必然也隨供電電源的頻率波動(dòng)而波動(dòng)。
電壓變動(dòng)產(chǎn)生的影響，可以用視覺(jué)敏感系數(shù)曲線和閃變電壓限值曲線兩個(gè)概念來(lái)量化。
可以被人眼感知的光源閃爍，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)測(cè)得人眼的對(duì)光源閃爍的感覺(jué)特性。圖1是人眼對(duì)不同頻率的電壓波動(dòng)引起的視覺(jué)敏感系數(shù)曲線。從曲線上可以看出最敏感的頻率是8.8Hz，偏離該頻率后，敏感度隨頻率而降低。當(dāng)閃爍頻率40Hz以上時(shí)，感覺(jué)就不靈敏;50Hz以上的閃爍就完全沒(méi)有感覺(jué)。
圖2是IEC給出的閃變電壓限值曲線。它和視覺(jué)敏感系數(shù)曲線互為映象，視覺(jué)敏感頻率為8.8Hz，這時(shí)電壓變動(dòng)d最小，是0.29%。該曲線是在周期性矩形(或階躍)電壓作用下得到的。
其中電壓變動(dòng)d表示相鄰兩個(gè)極值電壓之差，以百分?jǐn)?shù)形式給出;電壓變動(dòng)頻率r表示單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)，單位min-1。
二.閃爍對(duì)人眼的危害
光源閃爍對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)有刺激作用，會(huì)產(chǎn)生不舒適的感覺(jué)。人們長(zhǎng)期在閃爍的光線下工作或生活，還可能影響視覺(jué)系統(tǒng)的生理衛(wèi)生和心理衛(wèi)生。這種刺激作用或影響的嚴(yán)重程度與光源閃爍的強(qiáng)度、頻率、持續(xù)作用時(shí)間以及長(zhǎng)期性有關(guān)。這種影響往往是緩慢的，因此長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有引起人們的重視。然而隨著電子化的高速發(fā)展，人們白天在交流熒光燈下和顯示器熒光屏前工作;晚上又在交流熒光燈下和電視機(jī)熒光屏前生活，甚至伴以眼花潦亂的藝術(shù)燈光，因此光源閃爍對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的影響問(wèn)題日益突出。
尤其是電光源的頻閃效應(yīng)，給人類生產(chǎn)、日常生活、身心健康造成了嚴(yán)重危害。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、錯(cuò)覺(jué)引發(fā)工傷事故：在電光源的頻閃頻率，與運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))物體的速度(轉(zhuǎn)速)成整倍數(shù)關(guān)系時(shí)。運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))物體的運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生靜止、倒轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))速度緩慢，以及上述三種狀態(tài)周期性重復(fù)的錯(cuò)誤視覺(jué)，引發(fā)工傷事故。例如，機(jī)加工行業(yè)機(jī)床操作工，對(duì)正向旋轉(zhuǎn)的車刀，錯(cuò)覺(jué)為倒轉(zhuǎn)。而進(jìn)行緊急換向操作，損壞工件、刀具，甚者造成人員傷亡。
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2、危害身體健康，影響工作：頻閃效應(yīng)會(huì)引發(fā)視覺(jué)疲勞、偏頭痛。特別是機(jī)械行業(yè)采用高壓汞(鈉)燈，和輕工、食品、印刷、電子、紡織等行業(yè)，普遍采用直管型(電感式)日光燈的照明場(chǎng)合尤為明顯。例如，流水線上的插件操作工，容易因視覺(jué)疲勞、眼花，引起偏頭痛。產(chǎn)生定位困難情形，生產(chǎn)效率低下。
3、傷害青少年的眼睛，造成近視。在我國(guó)80年代以后，直管型(電感式)日光燈，普遍應(yīng)用于家庭、學(xué)校、圖書(shū)館等，成長(zhǎng)中的中小學(xué)生受害極大，視力下降明顯，近視眼顯著增多。
三.閃爍度的評(píng)價(jià)方法
表征光源閃爍強(qiáng)度的參數(shù)波動(dòng)深度、閃爍指數(shù)、閃爍百分比，圖3為典型閃爍波形。圖中，Φm為閃爍波峰值，Φn為閃爍波谷值，Φ0為平均光通量，Q1為Φ0以上部分曲線下的面積，Q2為Φ0以下部分曲線下的面積，T為周期。
光通量波動(dòng)深度是對(duì)光源閃爍幅度的量化。光源閃爍是光通量波動(dòng)的外在體現(xiàn)，光通量波動(dòng)是光源閃爍的直接原因。
四.閃爍度的測(cè)量
在本文的實(shí)驗(yàn)中，我們采用瞬態(tài)光度計(jì)PR-110來(lái)測(cè)量各種光源發(fā)出的光通量，計(jì)算波動(dòng)深度來(lái)比較各種光源的閃爍強(qiáng)度。
PR-110是連續(xù)快速采樣的瞬態(tài)光度計(jì)，與不同結(jié)構(gòu)的光度測(cè)量裝置結(jié)合，可測(cè)量瞬時(shí)光照度、亮度、光通量或光強(qiáng)等光度參數(shù)。
為了精確測(cè)量光通量，把光源放在積分球中。經(jīng)過(guò)V(λ)校準(zhǔn)的光電探測(cè)器接受光信號(hào)，其輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大轉(zhuǎn)換電路，將光電探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號(hào)，利用AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。由于單片機(jī)讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速度較慢，故而采用了雙口RAM和地址發(fā)生電路，使得光度計(jì)能夠在采用時(shí)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。單片機(jī)則在所有采樣過(guò)程執(zhí)行完畢后，再?gòu)碾p口RAM內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給微機(jī)顯示處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物連接圖如下。
五.典型光源的閃爍結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)中，我們利用瞬態(tài)光度計(jì)對(duì)26W螺旋型電子節(jié)能燈，60W普通直管型日光燈，60W普通白熾燈，單個(gè)紅色LED等四種典型的照明光源測(cè)量其光通量的變化波形，計(jì)算波動(dòng)深度。在PR110中，我們?cè)O(shè)定采樣間隔為0.1ms，所有燈都采用50Hz交流電供電，測(cè)量結(jié)果如表1。
表1各種光源閃爍參數(shù)
根據(jù)波動(dòng)深度，上述光源的閃爍度由弱到強(qiáng)分別為節(jié)能燈，白熾燈，LED燈杯，日光燈，單個(gè)LED。波動(dòng)深度在25%以下時(shí)不會(huì)有明顯的閃爍，所以從這個(gè)角度出發(fā)電子節(jié)能燈和白熾燈是比較健康的光源。另外，我們發(fā)現(xiàn)，由于LED響應(yīng)很快，單個(gè)的LED燈波動(dòng)深度很大，但有多個(gè)LED燈管組成的LED燈杯波動(dòng)深度明顯降低，也是一種比較健康的光源。普通的日光燈波動(dòng)深度較大，長(zhǎng)時(shí)間在其照射下工作，對(duì)人體有一定危害。
