Part I 前篇事情起源於一次偶然的事件, 某日家裡廚房的頂燈突然不亮了。打開燈罩，裡面的環形熒光燈管已經嚴重老化（黑化），燈座也已經脆化，手輕輕一掰就碎掉了。這個燈整體已經不能用了。想想如果還是換成熒光燈，功率大不說，價格也不低，每次點亮都會噼里啪啦的閃上好幾次才會亮，也挺煩的。現在不是全民LED了嘛，乾脆趕趕潮流吧。家裡還有一個螺口的燈座，簡單的把燈座擰上天花板，先找了個節能燈頂著， 同時網上下單買了個15W的玉米燈。燈很快就到了， 擰上後一打開開關， 這個亮堂吶。心裡一百個高興，趕緊拍照曬微信, 給5星好評。當掏出相機對準廚房的時候，手機顯示屏上一條條閃爍的黑條給了我沉重的一擊。這是什麼情況？LED燈不是號稱無頻閃么？
▲肉眼看到的效果
▲手機攝像頭拍到的效果看來是時候該做一些功課了。Part II 功課何為頻閃？這個倒很好理解， 因為交流電的50Hz頻率特性，一些光源會在此基礎上產生光強度的周期變化。比如白熾燈，鎮流器日光燈等等,通常是100Hz閃爍頻率。一般而言,人眼對50HZ以上的頻率不敏感, 所以這種100Hz的燈光頻閃, 大多數人是感覺不到的.手機為何能拍到頻閃？現在手機攝像頭都是cmos類型, 其成像過程是逐行掃描成像, 這就是造成手機會拍到果凍效應和頻閃效應的根源。正好找這個機會研究一下當前手機攝像頭電子快門的掃描速度。首先從最簡單的地方著手，找一個有明確頻閃特性的光源。那就從白熾燈入手。找來一個白熾燈，白熾燈的頻閃特性是100Hz的亮度周期性變化，把手機快門調到1/500秒，其他參數自動。在純白熾燈光下對著一張白紙拍攝，拍到一張如下的圖案。
▲40W白熾燈頻閃效應實測圖結果還是很明顯的， 可以看到3個半周期的明暗交替， 也就是說得到這張圖像， 相機總共用了3.5X0.01=0.035s的時間。 換算成相機上快門速度就是約等於1/28的快門速度。雖然這次拍攝設置快門是1/500s, 對於單個像素成像時間確實是1/500s, 但是因為cmos逐行掃描的成像特性, 整個畫面仍然花費了1/28s的時間。簡單說下, 此次使用手機是mate8, 可以手動設置快門時間, 如果設置成自動模式, 相機會自動規避50Hz的頻閃周期, 拍不出光源的頻閃特性.蘋果手機有專門app可以自由設置快門, 或者設置到慢動作攝影模式也能達到預覽效果.數碼相機, 微單, 單反, 如果有電子快門功能也能達到測試效果.Part III 專用測試設備好了, 手機可以用來定性識別光源的頻閃特性. 那光源的其他特性如何呢?此次租借了2個專用設備, 一台fluke TI110熱成像儀和遠方SPIC-200B光譜分析儀.熱成像儀:熱成像儀用來測試光源的發熱情況. 我們知道白熾燈這種熱光源是會正常發熱, 發熱不影響它的壽命, 相反正是發熱才導致其發光. 但是像LED這種冷光源, 發熱是會嚴重影響它的壽命和光源特性的. 一個LED燈的好壞, 其散熱設計很重要, 直接關於燈的壽命和光衰特性.
▲15W玉米燈的熱成像圖. 其燈珠最高溫度達到了85℃.光譜分析儀:光譜分析儀可以分析的指標太多了, 光源的色溫, 顯色指數, 光譜特性, 照度, 這些都是一般人眼不可量化但是確實影響使用感受的指標.色溫: 簡單說就是光源的冷暖特性. 暖光色溫低, 冷光色溫高. 太陽光直射色溫是5500K左右,屬於最中性的光源. 白熾燈光源則屬於暖光,色溫在3000K以下.光譜特性: 指的是一個光源在各個波長上光強的分布.顯色性是指一個光源的色彩還原能力, 顯色性越好, 色彩還原能力越強. 太陽光的顯色性是100.照度就是光照強度, 通俗說就是燈亮不亮的一個指標.
▲太陽光的光譜曲線和特徵值:可以看到太陽光是連續的光譜, 顯色性是100, 紫外線是有的.
▲一個節能燈的光譜曲線和特徵值波長小於380nm的屬於紫外線了, 波長大於760nm的屬於紅外線了.在租用測試設備的時候, 順手測試了一下辦公室的光源, 公司辦公室在去年全面更換了成了LED照明燈管, 測試時儀器放在距離地面75cm的高度.
▲辦公室LED燈管照明環境照度276lx--屬於中等明亮程度.比之去年更換以前的飛利浦日光燈管(170+lx)已經亮了很多顯色指數85.3--這個指數在LED燈中還算不錯了色溫5877K--屬於正白光.用手機瞄了瞄, 沒有發現可察覺的頻閃.電力監測儀最後, 壓箱底翻出一個北電的電力監測儀, 用來測試電器(包括燈)的實際工作功率, 看看標稱功率和實際功率的差異.來一張測試設備的合影.
▲從左到右依次是1. 光譜分析儀; 2.mate8手機; 3.電力監測儀;4.熱成像儀.Part IV 實測對比準備工作做了一大堆, 終於到 了重頭戲部分, 把手上能收集到的各種燈進行一次盡量全面的對比測試.首先來秀一下被測對象的合影.
分別涵蓋了:40W白熾燈, 11W節能燈, 5W的LED球泡燈和5W的LED玉米燈, 選這幾個燈的目的:1. 在照度上接近, 可以用來進行節能對比.2. 暖光LED和白光LED燈的光譜對比3. 高低價位的LED燈性能對比.手頭素材仍然有限, 迄今沒有買過LED吸頂燈, LED護眼檯燈, 各種遙控可調光亮度等新潮燈具, 未能對這些光源進行測試, 留待以後慢慢補充吧. 此次也僅僅限於螺口可更換燈泡式光源對比.直接上數據和實測截圖.表1: 被測樣品指標描述
表2: 光譜/頻閃/發熱等特性對比
▲局部放大圖. 測試條件備註:1. 交流220V, 50Hz; 室溫20℃.2. 照度測試條件為同一檯燈, 燈座距離桌面高度約30cm, 同一測試點位測試光譜特性3. 玉米燈的頻閃特性測試中白紙面出現的六條放射狀亮條是由於燈罩對玉米燈6個燈面的反光導致.4. 發熱情況是在自由空間的燈座中(如實物圖所示)穩定工作15分鐘後再成像取值.實際在燈罩中工作情況可能更惡劣.數據和圖像都在表中, 高低好壞一目了然.Part V 寫在後面測試結束了, 可是想表達的卻還有很多.話題1: 頻閃白熾燈和節能燈, 另外還有鎮流器日光燈管等等, 因為發光原理, 頻閃不可避免. 但是直流發光的LED燈 ,先天可以避免頻閃的, 各個淘寶天貓店家廣為宣傳的無頻閃的燈具, 卻也檢查出了頻閃, 而最糟糕的燈具其頻閃特性達到了不忍直視的境界.來看一個實例, 是一盞標稱8W的front玉米燈. 因為功率關係沒有放在上面的對比中, 但是其誇張的頻閃特性迫使我把它拿出來曬一曬.首先是頻閃特性, 基本上是亮度從0到100%的脈衝變化.
▲某LED玉米燈頻閃效應實測圖其次, 對其進行拆解, 發現裡面使用了低成本的阻容降壓限流電路. 這種電路根本沒有恆流特性, 其電流波形也呈現脈衝狀, 是導致LED燈頻閃的根本原因.
▲某LED玉米燈拆解圖先不去衡量考慮頻閃對人眼的危害性, 直觀理解, 頻閃沒有總比有要好總沒有錯. 何況LED的恆流驅動特性特別適合做出無頻閃的光源.不要迷信商家的廣告, 我在購買這些燈的時候, 頁面宣傳上是有類似的恆流啊, 無閃爍啊的廣告詞, 買到後測試下來是另外一回事.結合第四部分的對比測試, 有一句千古名言提醒各位要牢記:一分錢一分貨. 便宜沒好貨。話題2 藍光有害論大多數的照明LED都是藍色發光然後激活熒光粉發出紅黃光,使得整體的光變為白色或者暖白色. 通過第四部分的對比可以看到, 白光LED光譜中藍光的佔比要高一些. 而暖白光LED光譜中, 藍光的佔比要低一些.藍光是不是真的有害, 我不清楚. 但是我知道, 高照度的光線肯定是會損害人眼的. 同樣照度(比如1000lx)的LED燈, 暖白色燈的藍光強度肯定要低於正白色燈的藍光強度.而對於舒適性而言, 長期在一個特別高色溫的LED光源下用眼是很容易疲勞的. 比如下面這個光譜是一個免費贈送的小檯燈的光譜圖, 色溫超過了10000K, 藍光的比例高的很.
▲某LED小檯燈光譜曲線圖和特徵值話題3. 顯色指數Ra這個指標沒有太深入研究過, 總體是越高越好. 根據第四部分的對比測試, 2款品牌暖光等要比2款玉米燈的顯色性要好. 但是也不絕對是暖色一定比正白好. 手頭也測到過暖色的LED燈珠顯色指數不到70的.另一個顯色指數是CRI, 有待進一步做功課學習.話題4. 護眼檯燈網上搜索, 護眼檯燈一大把. 什麼是護眼檯燈, 怎麼樣的檯燈才是好檯燈.我的理解, 既然是檯燈, 肯定要在燈下看書寫字. 那麼好的檯燈要有如下特點:1. 發光面積要大,裸燈泡的肯定沒有加了燈罩的好; 一個燈珠的肯定沒有點陣式燈珠的效果好. 不加柔光罩的肯定沒有加柔光罩的好. 有導光板的同理(看看筆記本屏幕就知道導光板的效果了).2. 不能有頻閃.這個很簡單, 拿手機出來晃一下就知道了, 操作方法見第二部分3. 亮度可調,方向可調.還是那句話, 太高的亮度對眼睛是有損害的. 把亮度調到合適的區間是對眼睛最好的保護.4. 色溫可調,錦上添花.同樣的照度, 高色溫的感覺會更亮一點, 因為人眼對藍光要敏感一點, 但是藍光的顯色特性不好, 所以作為閱讀燈, 色溫還是偏低一點好.話題5. 燈的壽命最近幾年先後買了幾個LED燈泡, 品牌就在此次測試列表中, 其中一個用了不到一星期就掛掉了(幾塊錢的那種), 還有一個用了1年掛掉了(十幾塊錢的那種). 更有幾個用下來光衰厲害, 亮度下降很多. 雖然led燈宣稱工作時長可達十數年,多少多少萬小時云云. 驅動電路的壽命是個門檻. 優質的燈價格高, 劣質的燈雖然價格便宜, 初用感覺好, 但是壽命堪憂. 往往貪了前面的便宜, 吃了後面的苦頭.話題6. 燈的瓦數的選擇.通過第四部分對比, 目前40W白熾燈≈10+W節能燈≈5W LED燈. 可見LED確實有節能效果. 老式住宅的燈具用螺口燈的偏多, 可以參照這個對比關係更換燈泡. 而新的傢具已經全面進入LED照明時代, 各種可調光, 遙控燈琳琅滿目, 倒也不太因此而煩惱, 不夠亮了調高, 太亮了調低就行了.http://blog.sina.com.cn/s/blog_53a811100102wmmd.html
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