摘　要：本文定義了表征光源光輸出波動的三個參數：波動深度、閃爍指數和調制深度。比較了線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計探頭和光電倍增管四種探測器用于測量光波動的優缺，發現照度傳感器能滿足測量要求，而在簡單測量時可以采用光敏二極管。用照度傳感器對各種常用光源的波動深度進行測量，發現鎢絲燈的波動深度為6%～31%，隨功率的增大而下降。對熒光燈，電感鎮流時波動深度高達42%～48%;使用高質量的電子鎮流器時波動深度可以<10%。方波電子鎮流的金屬鹵化物燈光波動<3% ，小于電感鎮流的1/20。分析了光源瞬時功率波形與光波動的相關性，發現要使光波動深度小，要求熒光燈電子鎮流器的直流母線要平滑，高強度氣體放電燈瞬時功率的過零時間越短越好。

　　關鍵詞：光波動;波動深度;閃爍指數;調制深度;過零時間

　　Measurement Methods and Impact Factors for Light Output　Fluctuation of Light Sources

　　Zhuang Xiaobo 　Zhu Shaolong　Zhang Shanduan

　　( Institude for Electric Light Sources , Fudan Univer sity , Shanghai　200433)

　　Abstract

　　Fluctuation depth (FD) , flicker index and modulation depth were defined to characterize the light variations　of light s ources. F our detectors were compared , including linear illuminance sens or (LIS) , photodiode ,　conventional illuminance detector and photomultiplier. The results show LIS is the best detector for flicker　measurement and photodiode may als o be used in simple measurement . The FD and flicker index of generally 2　used light s ources were measured with LIS. The FD of tungsten filament lamps is 6 %～31 % and decreases with　increasing power. F or fluorescent lamps driven by magnetic ballast , the FD is 42 %～48 %; and < 10 % by high　quality electronic ballast . The FD of metal halide lamps driven by electronic ballast with rectangular waveform is　< 3 % , which is lower than 1?20 of that driven by magnetic ballast . The relationship between the power waveform　and light flicker is analyzed. F or electronic ballast of fluorescent lamps , in order to reduce the FD the 50 Hz　modulation has to be smooth , and for that of high intensity discharge lamps the zero passage at current reverse　needs to be as shot as possible.

　　Key words : light fluctuation ; fluctuation depth ; flicker index ; modulation depth ; zero passage time

　　1　 引言

　　光輸出波動是指光源在交流或脈動直流電源的驅動下, 隨著電流幅值的周期性變化，光通量、照度或亮度發生相應的變化，在人的視覺上表現為頻率100 Hz的光的周期性閃爍，簡稱為光波動，俗稱頻閃。光源的快速閃爍并不一定被人眼所感知，但Eysel等人的研究表明光波動對中樞神經系統有影響[1]，長時間在低頻閃爍的燈光 (如電感鎮流熒光燈) 下工作或生活會產生視覺疲勞甚至是頭痛等癥狀[2]。熒光燈光波動對視覺功能的影響引起了人們的廣泛關注[3-6]。

　　如何對各種光源的光波動進行準確測量和分析[7，8]研究，國外已有一些報道。國內提到光波動的[9，10]測量時多語焉不詳，或使用了響應速度不夠快[11]的探測器導致測出的光波動偏小。我國是光源生產大國，隨著直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高強度氣體放電燈的大規模推廣應用，需要對現有光源的光波動進行評估。這對提高生產、學習效率和生活質量有很大的意義。

　　本文總結了表征光源光波動的三個參數的定義式，比較了快速線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計探頭和光電倍增管用于光波動測量的優缺點，用照度傳感器和光敏二極管對各種常用光源的光波動進行了測量，分析了光源的電壓、電流和功率波形對光波動的影響。

　　2　 光源光波動的表征

　　表征光源光波動的參數有波動深度 (Fluctuation　depth)[12] 、閃爍指數 (Flicker index) [13]以及調制深度(Modulation depth)[14]。圖 1 為用某種光源在空間某點產生的瞬時照度示意圖，其中 Emax，Emax2，Emin ,Eav為照度的最大值、次大值、最小值和平均值，T為一個周期，陰影部分的面積 A1為大于平均照度的所有照度信號與平均照度的差值的總和，A2為小于平均照度的所有照度信號的總和。根據圖1，波動深度定義為

　　在無紋波直流燃點時，光源的波動深度和閃爍指數均為0。調制深度

　　一般情況下，光源瞬時照度的相鄰峰值的差別很小，調制深度接近于0。

　　為提高測量精度，測量光波動時取200ms的時間長度，這對50 Hz工作的燈等于10個電壓電流周期，對頻率25kHz和50kHz的電子鎮流器分別包含5000和10000個周期。50Hz時功率和光波動頻率均為100Hz。高頻下電壓、電流、功率波形的包絡頻率為100Hz，光信號的主頻率也為100 Hz。

　　3　 測量方法比較

　　為了準確測量光源的光波動，對探測器有三個要求: (1) 帶視見函數 V (λ) 修正; (2) 能響應頻率為 100 Hz 的波動光信號; (3) 線性響應范圍寬。本節分別使用了快速線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計探頭和光電倍增管結合數字存儲示波器對電感鎮流的36 W T8熒光燈的光波動進行了測量。示波器為 LDS Nicolet Sigma 60，10 bit，采樣精度0.5 %，采樣時間 20μs。為減小噪聲，四種測量線路1中，接示波器的信號線必須用 BNC 同軸電纜接頭。

　　照度傳感器為杭州遠方光電信息有限公司研制 ,探頭V(λ)修正水平達到國家一級水平要求，照度測量范圍100～106lx，光度線性優于 1 %，響應頻率DC～1.5 kHz。照度傳感器用9V干電池驅動，輸出電壓0～4V。測量時照度傳感器探頭放置于燈的正下方，用示波器記錄200 ms的信號。調節燈與探頭之間的距離，使示波器測量的最大值小于4V。暗室條件下測量照度傳感器的背景噪聲，在計算波動深度、閃爍指數時扣除。

　　光敏二極管測量線路如圖2所示。光敏二極管型號為2CU5S，峰值波長940nm，響應時間15ns，響應角度15。直流電源9V，負載電阻1M Ω, 接示波器。整個線路封閉在一個接地的鋁盒內，以減小噪聲。測量時調整光敏二極管與燈的距離，使示波器測量的光信號的最大值小于1V，然后記錄200ms的信號。在暗室下測得光敏二極管的背景噪聲，在計算時扣除。

　　普通照度計探頭的測量方法同照度傳感器。

　　光電倍增管選用響應曲線峰值位于可見區的型號，用直流高壓電源供電。倍增管封在銅盒內，銅盒小孔光闌的直徑為0.18mm。取電感鎮流的 36 W T8 熒光燈為樣燈，分別用四種探測器進行測量，光信號波形如圖3所示。為便于比較，信號幅度已歸一化。由圖3(c)可見，普通照度計探頭測得的信號變化幅度很小，這是因為其響應時間只有10ms量級，相當于對100Hz 的光信號進行了濾波，使振幅很大的波形平滑了。因此，普通照度計探頭無法用于光源光波動的測量。由圖3(a，b，d) 可見，三者的光信號波形差不多，說明響應速度都足夠快?！?/P>

　　表 1為四種探測器的性能比較和測得的光波動參數。表1顯示，普通照度計探頭測得電感鎮流 T8熒光燈的波動深度只有7.1 %，只有其他探測器測得值的1/6～1/7。光電倍增管與光敏二極管的響應時間為 ns量級，遠小于普通電子鎮流器的周期 (> 20μs) 。倍增管的波動深度仍然比光敏二極管大6%，原因是兩者的光譜響應曲線不同，倍增管的響應峰值在可見區，而光敏二極管的響應峰值在近紅外區。倍增管雖然響應時間最快，但由于它需要高壓電源供電，且強光下容易疲勞，不便于用來測光源光波動。從原理上來說，準確測量光波動需要用線性照度傳感器。光敏二極管價格低廉、操作簡單,可在一般測量時選用。因此，第4節的實驗中均采用照度傳感器和光敏二極管來測量。

　　4　 各種光源的波動深度和閃爍指數

　　用照度傳感器和光敏二極管測量了白熾燈、鹵鎢燈、直管熒光燈、緊湊型熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和LED臺燈的波動深度和閃爍指數，實驗時每種燈取 5個樣品進行統計平均。

　　4.1　 白熾燈

　　磨砂白熾燈和透明白熾燈的波動深度和閃爍指數如圖4、圖5所示。

　　由圖4，5 可見，白熾燈的光波動有幾個特點。(1) 隨著功率的增加，白熾燈的波動深度和閃爍指數均下降，這與文獻 [8] 的結論一致。這是因為大功率白熾燈的燈絲直徑增大、長度縮短 單位長度,燈絲的功率密度增加，也即熱慣性 (熱容量) 增加 ,燈絲溫度隨電流變化的幅度減小 因此光波動減小。,磨砂燈泡的功率從 25W增加到 60 W, 照度傳感器測得的波動深度從29.2%下降到11.7%，閃爍指數從9.3%下降到 3. 9%. (2) 圖4、圖5還表明，光敏二極1管測得的波動深度和閃爍指數比照度傳感器測得的約小30%，這可能與兩者不同的光譜響應曲線有關。(3)在相同功率下，磨砂燈泡的光波動要略小于透明燈泡。以40W為例，照度傳感器測得的磨砂燈泡的波動深度和閃爍指數分別為16.9%和15.4%，而透明燈泡則為17.3%和5.6%. (4) 燈功率大于60W后，隨功率的增加光波動減小的趨勢變緩。

　　4.2　 鹵鎢燈

　　雙插腳和反射型鹵鎢燈的波動深度和閃爍指數如圖6、圖7所示。圖6、圖7表明，隨著鹵鎢燈功率的增加，波動深度和閃爍指數都下降。其原因與白熾燈類似，即功率增大后，單位長度功率密度增加使燈絲溫度隨電流的波動減小。同樣功率下，雙插腳鹵鎢燈 (G9燈頭) 的光波動要略小于反射型鹵鎢燈 (GU10燈頭)，鹵鎢燈的光波動又略小于白熾燈，這可能是因為鹵鎢燈的燈絲比白熾燈更緊湊。還是以40W為例，照度傳感器測得的G9鹵鎢燈的波動深度和閃爍指數分別為 15.0 %和 4.8 %，小于40W透明白熾燈的17.3%和5.6%。

　　4.3　 直管熒光燈

　　測量了用電感或電子鎮流的白光(色溫6700K)T5，T8，T10和 T12，以及單色T5直管熒光燈，結果如表2所示。從表2可以看出，電子鎮流直管熒光燈的光波動要遠小于電感鎮流。以36W的T8熒光燈為例，采用電子鎮流時照度傳感器的波動深度和閃爍指數分別為 5.7 %和 1.6 %，而電感鎮流則為42.3 %和 11.7 %，二者相差超過7倍。對比圖4和表2，我們發現與白熾燈相反，通過照度傳感器測得的熒光燈的光波動參數要小于光敏二極管，這與熒光燈的光譜和兩種探頭的響應曲線有關，光敏二極管在紅光部分有較高的響應，而照度計探頭在綠光部分有較好的響應。在T8和T10使用同一個電感或電子鎮流器時，粗管徑的T10燈的光波動要略大于細管徑的T8燈，這與文獻[7]的結論一致。

　　表2中，電子鎮流器的參數不同，所以光波動也不同。采用無源濾波電路時，電子鎮流器的工作頻率和濾波電容的容量對光波動影響很大[12] 。單色T5 14W燈用同一個電子鎮流器燃點，波動深度不同是由熒光粉的余輝時間決定，綠粉的余輝時間最長，光波動最小; 藍粉的余輝時間最短，光波動最大。T5 32W燈的光波動只有單色 T5 14W的1/2～1/3，這因三基色粉對光波動有三重平滑作用。

　　4.4　 緊湊型熒光燈

　　緊湊型熒光燈的光波動如表3所示, 均<10% ,這是由于緊湊型熒光燈是高頻驅動的緣故。相對于白熾燈和電感鎮流的直管熒光燈，緊湊型熒光燈使用的是電子鎮流器, 對電網電壓波動不敏感，適用于電壓不穩的地區[15] 。

　　4.5　 高壓鈉燈

　　電感鎮流的高壓鈉燈的光波動如表4所示。由于高壓鈉燈的光譜集中在黃光區域，為鈉原子直接發光，所以光波動很大，基本和輸入功率的波動一致。

　　4.6　 金屬鹵化物燈

　　電感和電子鎮流的金屬鹵化物燈的光波動如表5所示。從表5同樣可以看出，電子鎮流的金鹵燈的光波動遠小于電感鎮流。以150 W為例，采用電子鎮流時照度傳感器的波動深度和閃爍指數分別為2.3%和0.4%，而電感鎮流則為54.8 %和16.6% ,二者相差20倍以上。金鹵燈的電子鎮流器由于采用了140Hz低頻方波恒功率輸出線路，所以其光波動很小。

　　4.7　LED臺燈

　　LED臺燈的光波動如表6所示。由于LED采用直流恒流驅動，直流紋波可以做得很小，所以能夠實現光波動<1%，可以認為此時消除了光波動。白光LED內涂有熒光粉把部分藍光轉換為黃光，熒光粉的余輝效應對降低光波動也有一定的作用。

　　5　 影響光源光波動的因素

　　有很多因素會影響光源的光波動，如電網電壓的波動、鎮流器的種類 (工作頻率、輸出的電壓電流波形)、燈絲的形狀、氣體的成分、熒光粉的組分等。

　　對于白熾燈，除去電壓的波動，燈絲的形狀、單位長度的功率密度、燈的發射光譜、泡殼的材質(磨砂/透明) 都對光波動有影響。

　　對于同樣色溫的熒光燈，充氣種類 (如氬或氪)對光波動幾乎沒有影響[7]。熒光燈的瞬時電壓、電流和功率如圖8、圖9所示。由于燈電壓接近方波，因此燈的功率波形基本由電流波形決定。電感鎮流器頻率為50Hz，電子鎮流器的頻率為48kHz。

　　鎮流器的輸出功率波形 (近似為電流波形) 對光波動影響很大。定義功率下降到1/e的時刻和上升到1/e的時刻之間的間隔為過零時間。50Hz工作時的過零時間為1.72 ms，相對熒光粉的余輝時間(～1ms)不可忽略，所以光波動大。48 kHz工作時過零時間為1.72μs，遠小于熒光粉的余輝時間，所以對光波動沒有影響，這就是熒光燈高頻工作時光波動小的原因。不過電子鎮流器的直流波形不是平的，也即直流母線仍然有100 Hz的紋波，如圖9所示，導致高頻振蕩帶有100Hz的包絡，因此直流母線的波形影響熒光燈的光波動。同時，熒光粉的種類對光波動也有影響，余輝時間長的熒光粉光波動小。

　　金鹵燈的瞬時電壓、電流和功率如圖10、圖11所示。由于金鹵燈是氣體原子(或分子)直接發光，光子弛豫時間只有～1μs，遠小于50Hz下功率的過零時間 (～2 ms)，所以電感鎮流時光波動深度高達50%。金鹵燈電子鎮流器的頻率為140Hz，輸出電壓為方波，所以燈電壓也接近方波，功率過零時間<10μs，這樣電子鎮流時金鹵燈的光波動就很小對HID燈，只要帶電粒子濃度的過零時間比燈功率過零時間長，光波動就會較小。

　　6　 結論

　　波動深度和閃爍指數這兩個量能夠明顯地表征光源的光輸出波動。線性照度傳感器帶有 V (λ)修正且響應夠快，是最合適的測量光波動的探測器。光敏二極管由于簡便易用，可用在一般測量場合。電感鎮流時，由于功率的過零時間較長，光波動大。高頻下光波動小，主要與電子鎮流器的直流母線的紋波大小相關。金鹵燈采用低頻方波驅動時，功率接近恒定，光波動<3%。

　　還有一些后續工作值得展開:

　　(1) 在人體功效學方面，光波動對視覺和生理學的影響。波動深度小于多少可以認為對人體沒有影響，5 %或 3 % ? 有無需要建立相關標準 ?

　　(2) 燈功率的紋波系數與波動深度之間的關系。對熱輻射光源，可以測量燈絲溫度隨時間的變化;對 HID燈，需測定電弧溫度隨時間的變化。對光源瞬時發光行為的理解，有助于更好地理解光波動隨輸入功率的變化。

　　致謝　　萊茵技術監督服務 (廣東) 有限公司提供了鹵鎢燈，浙江陽光集團股份有限公司提供了T5熒光燈和緊湊型熒光燈，飛利浦公司提供了T8熒光燈和高壓鈉燈，福建源光亞明電器有限公司提供了金屬鹵化物燈，廈門通仕達照明有限公司提供了LED臺燈，在此一并表示感謝。

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