ar虚拟:光源光输出波动的准确测量及其影响因素

（刊登于《照明工程学报》2009年3月 第20卷  第1期  12-19页）

庄晓波　 朱绍龙　 张善端
(复旦大学电光源研究所 , 上海 　200433)

　　摘　要：本文定义了表征光源光输出波动的三个参数：波动深度、闪烁指数和调制深度。比较了线性照度传感器、光敏二极管、普通照度计探头和光电倍增管四种探测器用于测量光波动的优缺，发现照度传感器能满足测量要求，而在简单测量时可以采用光敏二极管。用照度传感器对各种常用光源的波动深度进行测量，发现钨丝灯的波动深度为6%～31%，随功率的增大而下降。对荧光灯，电感镇流时波动深度高达42%～48%；使用高质量的电子镇流器时波动深度可以<10%。方波电子镇流的金属卤化物灯光波动<3% ，小于电感镇流的1/20。分析了光源瞬时功率波形与光波动的相关性，发现要使光波动深度小，要求荧光灯电子镇流器的直流母线要平滑，高强度气体放电灯瞬时功率的过零时间越短越好。

　　关键词：光波动；波动深度；闪烁指数；调制深度；过零时间

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

　　光输出波动是指光源在交流或脉动直流电源的驱动下, 随着电流幅值的周期性变化，光通量、照度或亮度发生相应的变化，在人的视觉上表现为频率100 Hz的光的周期性闪烁，简称为光波动，俗称频闪。光源的快速闪烁并不一定被人眼所感知，但Eysel等人的研究表明光波动对中枢神经系统有影响[1]，长时间在低频闪烁的灯光 (如电感镇流荧光灯) 下工作或生活会产生视觉疲劳甚至是头痛等症状[2]。荧光灯光波动对视觉功能的影响引起了人们的广泛关注[3-6]。

　　如何对各种光源的光波动进行准确测量和分析[7，8]研究，国外已有一些报道。国内提到光波动的[9，10]测量时多语焉不详，或使用了响应速度不够快[11]的探测器导致测出的光波动偏小。我国是光源生产大国，随着直管荧光灯、紧凑型荧光灯和高强度气体放电灯的大规模推广应用，需要对现有光源的光波动进行评估。这对提高生产、学习效率和生活质量有很大的意义。

　　本文总结了表征光源光波动的三个参数的定义式，比较了快速线性照度传感器、光敏二极管、普通照度计探头和光电倍增管用于光波动测量的优缺点，用照度传感器和光敏二极管对各种常用光源的光波动进行了测量，分析了光源的电压、电流和功率波形对光波动的影响。

　　2　 光源光波动的表征

　　表征光源光波动的参数有波动深度 (Fluctuation　depth)[12] 、闪烁指数 (Flicker index) [13]以及调制深度(Modulation depth)[14]。图 1 为用某种光源在空间某点产生的瞬时照度示意图，其中 Emax，Emax2，Emin ,Eav为照度的最大值、次大值、最小值和平均值，T为一个周期，阴影部分的面积 A1为大于平均照度的所有照度信号与平均照度的差值的总和，A2为小于平均照度的所有照度信号的总和。根据图1，波动深度定义为

　　在无纹波直流燃点时，光源的波动深度和闪烁指数均为0。调制深度

　　一般情况下，光源瞬时照度的相邻峰值的差别很小，调制深度接近于0。

　　为提高测量精度，测量光波动时取200ms的时间长度，这对50 Hz工作的灯等于10个电压电流周期，对频率25kHz和50kHz的电子镇流器分别包含5000和10000个周期。50Hz时功率和光波动频率均为100Hz。高频下电压、电流、功率波形的包络频率为100Hz，光信号的主频率也为100 Hz。

　　3　 测量方法比较

　　为了准确测量光源的光波动，对探测器有三个要求: (1) 带视见函数 V (λ) 修正; (2) 能响应频率为 100 Hz 的波动光信号; (3) 线性响应范围宽。本节分别使用了快速线性照度传感器、光敏二极管、普通照度计探头和光电倍增管结合数字存储示波器对电感镇流的36 W T8荧光灯的光波动进行了测量。示波器为 LDS Nicolet Sigma 60，10 bit，采样精度0.5 %，采样时间 20μs。为减小噪声，四种测量线路1中，接示波器的信号线必须用 BNC 同轴电缆接头。

　　照度传感器为杭州远方光电信息有限公司研制 ,探头V(λ)修正水平达到国家一级水平要求，照度测量范围１０0～１０6lx，光度线性优于 1 %，响应频率DC～1.5 kHz。照度传感器用9V干电池驱动，输出电压0～4V。测量时照度传感器探头放置于灯的正下方，用示波器记录200 ms的信号。调节灯与探头之间的距离，使示波器测量的最大值小于4V。暗室条件下测量照度传感器的背景噪声，在计算波动深度、闪烁指数时扣除。

　　光敏二极管测量线路如图2所示。光敏二极管型号为2CU5S，峰值波长940nm，响应时间15ns，响应角度±15°。直流电源9V，负载电阻1M Ω, 接示波器。整个线路封闭在一个接地的铝盒内，以减小噪声。测量时调整光敏二极管与灯的距离，使示波器测量的光信号的最大值小于1V，然后记录200ms的信号。在暗室下测得光敏二极管的背景噪声，在计算时扣除。

　　普通照度计探头的测量方法同照度传感器。

　　光电倍增管选用响应曲线峰值位于可见区的型号，用直流高压电源供电。倍增管封在铜盒内，铜盒小孔光阑的直径为0．18mm。取电感镇流的 36 W T8 荧光灯为样灯，分别用四种探测器进行测量，光信号波形如图3所示。为便于比较，信号幅度已归一化。由图3(c)可见，普通照度计探头测得的信号变化幅度很小，这是因为其响应时间只有10ms量级，相当于对100Hz 的光信号进行了滤波，使振幅很大的波形平滑了。因此，普通照度计探头无法用于光源光波动的测量。由图3(a，b，d) 可见，三者的光信号波形差不多，说明响应速度都足够快。

　　表 1为四种探测器的性能比较和测得的光波动参数。表1显示，普通照度计探头测得电感镇流 T8荧光灯的波动深度只有7.1 %，只有其他探测器测得值的1/6～1/7。光电倍增管与光敏二极管的响应时间为 ns量级，远小于普通电子镇流器的周期 (> 20μs) 。倍增管的波动深度仍然比光敏二极管大6%，原因是两者的光谱响应曲线不同，倍增管的响应峰值在可见区，而光敏二极管的响应峰值在近红外区。倍增管虽然响应时间最快，但由于它需要高压电源供电，且强光下容易疲劳，不便于用来测光源光波动。从原理上来说，准确测量光波动需要用线性照度传感器。光敏二极管价格低廉、操作简单,可在一般测量时选用。因此，第4节的实验中均采用照度传感器和光敏二极管来测量。

　　4　 各种光源的波动深度和闪烁指数

　　用照度传感器和光敏二极管测量了白炽灯、卤钨灯、直管荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯和LED台灯的波动深度和闪烁指数，实验时每种灯取 5个样品进行统计平均。

　　4.1　 白炽灯

　　磨砂白炽灯和透明白炽灯的波动深度和闪烁指数如图4、图5所示。

　　由图4，5 可见，白炽灯的光波动有几个特点。(1) 随着功率的增加，白炽灯的波动深度和闪烁指数均下降，这与文献 [8] 的结论一致。这是因为大功率白炽灯的灯丝直径增大、长度缩短 单位长度,灯丝的功率密度增加，也即热惯性 (热容量) 增加 ,灯丝温度随电流变化的幅度减小 因此光波动减小。,磨砂灯泡的功率从 25W增加到 60 W, 照度传感器测得的波动深度从29.2%下降到11.7%，闪烁指数从9.3%下降到 3. 9%. (2) 图4、图5还表明，光敏二极1管测得的波动深度和闪烁指数比照度传感器测得的约小30%，这可能与两者不同的光谱响应曲线有关。(3)在相同功率下，磨砂灯泡的光波动要略小于透明灯泡。以40W为例，照度传感器测得的磨砂灯泡的波动深度和闪烁指数分别为16.9%和15.4%，而透明灯泡则为17.3%和5.6%. (4) 灯功率大于60W后，随功率的增加光波动减小的趋势变缓。

　　4.2　 卤钨灯

　　双插脚和反射型卤钨灯的波动深度和闪烁指数如图6、图7所示。图6、图7表明，随着卤钨灯功率的增加，波动深度和闪烁指数都下降。其原因与白炽灯类似，即功率增大后，单位长度功率密度增加使灯丝温度随电流的波动减小。同样功率下，双插脚卤钨灯 (G9灯头) 的光波动要略小于反射型卤钨灯 (GU10灯头)，卤钨灯的光波动又略小于白炽灯，这可能是因为卤钨灯的灯丝比白炽灯更紧凑。还是以40W为例，照度传感器测得的G9卤钨灯的波动深度和闪烁指数分别为 15.0 %和 4.8 %，小于40W透明白炽灯的17.3%和5.6%。

　　4.3　 直管荧光灯

　　测量了用电感或电子镇流的白光(色温6700K)T5，T8，T10和 T12，以及单色T5直管荧光灯，结果如表2所示。从表2可以看出，电子镇流直管荧光灯的光波动要远小于电感镇流。以36W的T8荧光灯为例，采用电子镇流时照度传感器的波动深度和闪烁指数分别为 5.7 %和 1.6 %，而电感镇流则为42.3 %和 11.7 %，二者相差超过7倍。对比图4和表2，我们发现与白炽灯相反，通过照度传感器测得的荧光灯的光波动参数要小于光敏二极管，这与荧光灯的光谱和两种探头的响应曲线有关，光敏二极管在红光部分有较高的响应，而照度计探头在绿光部分有较好的响应。在T8和T10使用同一个电感或电子镇流器时，粗管径的T10灯的光波动要略大于细管径的T8灯，这与文献[7]的结论一致。

　　表2中，电子镇流器的参数不同，所以光波动也不同。采用无源滤波电路时，电子镇流器的工作频率和滤波电容的容量对光波动影响很大[12] 。单色T5 14W灯用同一个电子镇流器燃点，波动深度不同是由荧光粉的余辉时间决定，绿粉的余辉时间最长，光波动最小; 蓝粉的余辉时间最短，光波动最大。T5 32W灯的光波动只有单色 T5 14W的1/2～1/3，这因三基色粉对光波动有三重平滑作用。

　　4.4　 紧凑型荧光灯

　　紧凑型荧光灯的光波动如表3所示, 均<10% ,这是由于紧凑型荧光灯是高频驱动的缘故。相对于白炽灯和电感镇流的直管荧光灯，紧凑型荧光灯使用的是电子镇流器, 对电网电压波动不敏感，适用于电压不稳的地区[15] 。

　　4.5　 高压钠灯

　　电感镇流的高压钠灯的光波动如表4所示。由于高压钠灯的光谱集中在黄光区域，为钠原子直接发光，所以光波动很大，基本和输入功率的波动一致。

　　4.6　 金属卤化物灯

　　电感和电子镇流的金属卤化物灯的光波动如表5所示。从表5同样可以看出，电子镇流的金卤灯的光波动远小于电感镇流。以150 W为例，采用电子镇流时照度传感器的波动深度和闪烁指数分别为2.3%和0.4%，而电感镇流则为54.8 %和16.6% ,二者相差20倍以上。金卤灯的电子镇流器由于采用了140Hz低频方波恒功率输出线路，所以其光波动很小。

　　4.7　LED台灯

　　LED台灯的光波动如表6所示。由于LED采用直流恒流驱动，直流纹波可以做得很小，所以能够实现光波动<1%，可以认为此时消除了光波动。白光LED内涂有荧光粉把部分蓝光转换为黄光，荧光粉的余辉效应对降低光波动也有一定的作用。

　　5　 影响光源光波动的因素

　　有很多因素会影响光源的光波动，如电网电压的波动、镇流器的种类 (工作频率、输出的电压电流波形)、灯丝的形状、气体的成分、荧光粉的组分等。

　　对于白炽灯，除去电压的波动，灯丝的形状、单位长度的功率密度、灯的发射光谱、泡壳的材质(磨砂/透明) 都对光波动有影响。

　　对于同样色温的荧光灯，充气种类 (如氩或氪)对光波动几乎没有影响[7]。荧光灯的瞬时电压、电流和功率如图8、图9所示。由于灯电压接近方波，因此灯的功率波形基本由电流波形决定。电感镇流器频率为50Hz，电子镇流器的频率为48kHz。

　　镇流器的输出功率波形 (近似为电流波形) 对光波动影响很大。定义功率下降到1/e的时刻和上升到1/e的时刻之间的间隔为过零时间。50Hz工作时的过零时间为1.72 ms，相对荧光粉的余辉时间(～1ms)不可忽略，所以光波动大。48 kHz工作时过零时间为1.72μs，远小于荧光粉的余辉时间，所以对光波动没有影响，这就是荧光灯高频工作时光波动小的原因。不过电子镇流器的直流波形不是平的，也即直流母线仍然有100 Hz的纹波，如图9所示，导致高频振荡带有100Hz的包络，因此直流母线的波形影响荧光灯的光波动。同时，荧光粉的种类对光波动也有影响，余辉时间长的荧光粉光波动小。

　　金卤灯的瞬时电压、电流和功率如图10、图11所示。由于金卤灯是气体原子(或分子)直接发光，光子弛豫时间只有～1μs，远小于50Hz下功率的过零时间 (～2 ms)，所以电感镇流时光波动深度高达50%。金卤灯电子镇流器的频率为140Hz，输出电压为方波，所以灯电压也接近方波，功率过零时间<10μs，这样电子镇流时金卤灯的光波动就很小对HID灯，只要带电粒子浓度的过零时间比灯功率过零时间长，光波动就会较小。

　　6　 结论

　　波动深度和闪烁指数这两个量能够明显地表征光源的光输出波动。线性照度传感器带有 V (λ)修正且响应够快，是最合适的测量光波动的探测器。光敏二极管由于简便易用，可用在一般测量场合。电感镇流时，由于功率的过零时间较长，光波动大。高频下光波动小，主要与电子镇流器的直流母线的纹波大小相关。金卤灯采用低频方波驱动时，功率接近恒定，光波动<3%。

　　还有一些后续工作值得展开:

　　(1) 在人体功效学方面，光波动对视觉和生理学的影响。波动深度小于多少可以认为对人体没有影响，5 %或 3 % ? 有无需要建立相关标准 ?
　　(2) 灯功率的纹波系数与波动深度之间的关系。对热辐射光源，可以测量灯丝温度随时间的变化;对 HID灯，需测定电弧温度随时间的变化。对光源瞬时发光行为的理解，有助于更好地理解光波动随输入功率的变化。

　　致谢　　莱茵技术监督服务 (广东) 有限公司提供了卤钨灯，浙江阳光集团股份有限公司提供了T5荧光灯和紧凑型荧光灯，飞利浦公司提供了T8荧光灯和高压钠灯，福建源光亚明电器有限公司提供了金属卤化物灯，厦门通仕达照明有限公司提供了LED台灯，在此一并表示感谢。

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