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视觉作业台灯技术要求研究(多图)

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  一、视觉作业台灯及其相关概念


  台灯是安置在桌面上的可移式灯具。按照视觉作业特性,台灯可分为读写视觉作业台灯、VDT(视觉显示终端)视觉作业台灯、其他台灯三类。


  1、视觉作业台灯是为读写视觉作业或VDT(视觉显示终端)视觉作业提供照明的台灯。


  2、读写视觉作业台灯是为阅读或书写提供照明的台灯。读写视觉作业台灯照亮的工作面本身是不发光的。读写视觉作业台灯提供水平照度。


  3、VDT视觉作业台灯除了可以用作读写视觉作业台灯以外,更主要的是工作面(视觉显示终端)是发光的。VDT视觉作业台灯既要提供水平照度又要提供垂直照度。


  4、其他台灯是指该台灯没有设计成视觉作业用途。如用于床头柜,提供垂直照度的台灯。


  二、视觉作业台灯需关注的要素


  1、光度学性能


  a) 我国国家标准


  GB/T 9473-2008《读写作业台灯性能要求》在光度学要求方面主要有遮光性与照度及其均匀度的要求。


  1)遮光性


  遮光性要求:眼睛距读写桌面的高度400mm,离光源中心的水平距离600mm处,朝灯看去,应看不到反射器内壁及光源。


  遮光性试验如图1所示。



图1 GB/T 9473遮光性试验示意图


  眼睛距读写桌面的高度400mm是基于成人的高度。孩童的眼睛距读写桌面的高度可能更低一些。


  2)照度及其均匀度


  照度要求:以灯具出光口的几何中心的垂直投影点为圆心,位于眼睛的正前方,靠近眼睛一侧的投射范围内,离圆心的半径距离为300mm的三分之一扇形以内,AA级照度应大于500lx,A级照度应大于250lx;离圆心的半径距离为500mm的三分之一扇形被前面的扇形截下的区域以内,AA级照度应大于300lx,A级照度应大于 150lx。每个区域内的照度均匀度(最大值/最小值)不得大于3。照度及其均匀度的要求如表1所示。


  表1 GB/T 9473照度及其均匀度的要求



  照度试验:以灯具出光口的几何中心的垂直投影点为圆心,位于眼睛的正前方,在灯具的投射范围内,离圆心的半径距离为500mm的三分之一扇形内,以30°为间隔,在半径线上进行照度测量,测试间隔为100mm,包括圆心。照度试验如图2所示。



图2 GB/T 9473照度试验的布点


  由图2可知,GB/T 9473-2008要求台灯照亮的是120°的扇形区域。


  b) 美国IESNA推荐的台灯照亮面积、照度及其均匀度的要求


  美国对家庭读写作业照明的作业面的面积要求,IESNA规定如下:主要作业面面积为360mm×310mm(如图3所示);次要作业面面积为610mm×910mm。



图3 IESNA有关家庭读写作业面的照亮面积示意图


  任何时候作业面维持的照度推荐值:①主要作业面-短时间读或写-200 lx、300 lx或500 lx;②次要作业面-长时间学习和困难作业-500 lx、750 lx或1000 lx;③主要作业面的最大照度与最小照度之比不应超过3;④次要作业面-1/2主要作业面照度值,但不应小于200 lx。


  c) 日本工业标准


  1)遮光性


  日本正在对工业标准JIS C8112:2008《荧光台灯(学习/读书用)》进行修订,JIS C8112:00000000《LED台灯/荧光台灯(学习/读书用)》覆盖的光源既包括荧光灯,又包括LED,新的JIS C8112在光度学要求方面主要有遮光性与照度的要求。


  遮光性要求:荧光灯台灯的遮光性,应不能看见荧光灯。LED台灯的遮光性,应不能看见LED模组亮度在2000cd/㎡以上的部分。


  遮光性试验如图4所示。



图4 JIS C8112的遮光性确认位置


  由于孩童的眼睛距读写桌面的高度一般低于400mm,坐着抬头可能看得见光源,所以需要对亮度加以限制。屏幕亮度以200cd/㎡作为限值,对LED模组亮度则限定在2000cd/㎡,LED模组亮度是屏幕亮度的十倍,十倍亮度比的照明效果才认为是舒适的。


  2)照度


  照度要求如表2所示。JIS C8112没有照度均匀度的要求。


  表2 JIS C8112的照度要求



  照度试验如图5所示。由图5可知,JIS C8112要求台灯照亮的也是120°的扇形区域,与我国GB/T 9473-2008照亮区域相同。



图5 JIS C8112的桌面照度测定范围‖


  d)《视觉作业台灯技术要求》


  1)照度及其均匀度


  照度应符合GB/T 9473第5.8.2条中A级或AA级照度要求,测量方法按照GB/T 9473第6.8.2条。


  均匀度应符合GB/T 9473第5.8.2条要求,测量方法按照GB/T 9473第6.8.2条。


  2)遮光性


  符合GB/T 9473第5.8.1条要求,测量方法按照GB/T 9473第6.8.1条。


  对于使用LED作为光源的台灯,在距读写桌面的高度400mm,离光源中心的水平距离600mm,向灯看去,应看不到2000cd/m2以上的光源及反射器内壁或透光结构。


  3)灯罩边发光亮度


  VDT视觉作业台灯在正常工作位置的出光口面高度低于750mm时,人采用坐姿从任何正常使用的位置上看,有上射光线的VDT视觉作业台灯其灯罩侧面的透亮面积应不小于10cm2,透亮表面的亮度应在510 cd/m2和170 cd/m2之间。


  VDT视觉作业台灯还要有相当数量的上射光通量,上射光通量至少达到总光通量的50%。假定上射光通量为总光通量的50%,下射光通量根据图6算得97.8×2=195.6 lm,灯具总光通量为97.8×4=391.2 lm,上射光通量为195.6 lm。



图6 读写视觉作业面的面积与照度示意图


  2、频闪


  a) 我国国家标准


  GB/T 26692-2011《管形荧光灯用无频闪电子镇流器性能要求》在频闪方面的主要有灯的工作电流波形和镇流器工作时的输出电流频率的要求。


  1)灯的工作电流波形


  a) 在每个连续的半周之内,在电源电压通过零相之后的同一时间,灯电流的包迹波形的差异应不超过4%。


  b) 对于单独的高频波峰系数,峰值与有效值的最大比值不应超过1.7。


  在电源频率下发生高频调制时,对于已调制的包迹线,镇流器输出给灯的最大电流峰值和与灯最小电流低谷值之比应不大于1.15。


  注:高频电流的波峰系数等于已被调制或未被调制的包迹波峰值电流除以实际有效值电流。


  2)镇流器工作时的输出电流频率


  镇流器与额定规格的灯管配套工作时,输出给灯电流的频率应在40kHz~50KHz范围内。


  b) 美国IESNA有关“闪烁和频闪效应”的描述


  在交流下工作的所有光源都会产生闪烁。闪烁的程度是可以观测到的。取决于交流电流的频率,光源产生的光的持续性和观察条件。


  闪烁对在观察范围内的移动物体作用显著。在闪烁的照明下物体可能出现离散而不是连续,这种效应被称为频闪效应。频闪效应的级别取决于闪烁的速度和幅度,以及物体运动的速率和观察状态。


  闪烁指数已被公认是在给定功率频率下各种源的输出循环变化的可靠相对测量(值)。闪烁指数考虑到光输出的波形和幅度。该数值由一个单个曲线的光输出平均值线以上的面积除以光输出曲线以下的所有面积计算得出(见图7)。如果光输出是会变化的周期峰值,图7中面积2可能接近0。


  闪烁指数值假设从0到1,其中0为稳态光输出。指数值越高,表明可以察觉的频闪效应和灯闪烁的可能性增加。



图7 闪烁指数和闪烁百分数的定义图,来自IES第十版手册



  c) IEEE风险评估草案《LED照明闪烁的潜在健康影响》


  闪烁存在的潜在的不利影响主要包括以下五个方面:


  光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫发作;


  频闪效应和相关的明显减慢或者停止旋转机械;


  偏头痛或严重的头痛常伴恶心、视觉紊乱;


  在自闭症人之间增加重复行为;


  包括应变疲劳、眼睛疲劳、视力模糊,和传统的头痛、视力和在视觉相关作业上性能下降。



图8 低风险和不可察觉到的影响水平的闪烁频率和波动深度函数关系


  低风险和不可察觉到的影响水平的闪烁频率和波动深度函数关系用图8表示,图8中无影响区域用绿色表示,低风险区域用橙色表示。低风险区域的上限是波动深度线,<闪烁频率×0.08,相当于无影响边缘的2.5。


  闪烁百分数,也被称为峰-峰值对比、迈克尔逊对比、调制、或波动深度,闪烁百分数定义为:


  闪烁百分数=100(最大-最小)/(最大+最小)=100(A-B)/(A+B)


  波动深度为光输出的最大值和最小值的差异占光输出最大值和最小值之和的比例,以百分比表示。


  d) 欧洲照明标准的要求


  EN 12464-1:2002《光和照明-工作场所照明-第1部分:室内工作场所》中有关“闪烁和频闪效应”的描述和要求:


  闪烁会引起注意力分散,并且可能产生生理反应,例如头疼。


  频闪效应可能由于改变观测的旋转运动或往复机械而导致危险情况发生。


  照明系统应设计成避免闪烁和频闪效应。


  注:通常可以达到的例子如:白炽灯用直流电源,或白炽灯或气体放电灯在高频(30kHz附近)下工作。


  e)《视觉作业台灯技术要求》


  采用了IEEE风险评估草案《LED照明闪烁的潜在健康影响》的评估方案。


  台灯在其额定电压下工作时,其光输出波形的波动深度应不大于以下限值:


  - 光输出波形频率≤9Hz, 0.288%;


  - 9Hz<光输出波形频率≤3125 Hz,光输出波形频率×0.08/2.5(%);


  光输出波形频率>3125 Hz,免除考核。


  《视觉作业台灯认证技术规范》的频闪要求考虑了无影响区域的限值。‖


  3、光生物安全性


  台灯的蓝光危害应符合IEC/TR 62778的要求,在200mm(0.011弧度测量)处的蓝光危害类别不应超过RG1。


  台灯的紫外辐射安全应符合GB 7000.1第4.24条要求。


  000014、人体的电磁辐射


  对人体的电磁辐射应符合IEC 62493的要求。


  5、安全要求


  台灯产品的安全要求应符合GB 7000.204和GB 7000.1的规定。


  6、电磁兼容性


  00002    1) 无线电骚扰特性


  无线电骚扰特性应符合GB 17743的要求。


  00003    2) 谐波电流限值


  谐波电流应符合GB 17625.1的要求。


  7、噪声


  台灯在正常工作时,其噪声不得大于25dB(A)。


  噪声试验的环境和方法应符合GB/T 6882及以下规定。


  将台灯处于工作状态放在厚度不大于15mm的层压木质板上,在离台灯底座中心轴上前方45℃斜线100mm处测定噪声,如图9所示。在灯罩附近安装灯的控制装置等噪声源的情况下,离灯罩前方下缘中心100mm水平距离处进行测定,如图10所示。



  三、LED视觉作业台灯需要关注的问题


  除关注本文所阐述的视觉作业台灯需关注的要素,还需要关注如下的问题:


  1、LED台灯的遮光性。


  根据正在修订中的JISC8112《LED台灯/荧光台灯(学习/读书用)》标准6.2.5.1 进行遮光性试验时,应不能看见LED模组亮度在2000cd/㎡以上的部分。


  2、相关色温应不高于4000K。


  该条要求主要是考虑到蓝光对司辰节律的影响。蓝光的波长在450nm 左右,正好与人体的司辰视觉有关,它有较强的使人分泌褪黑色素抑制剂的能力。褪黑色素的减少会使人兴奋,不入眠。长此下去会影响人的免疫机制。


  图11给出富蓝LED白光光谱曲线与昼夜节律灵明度曲线。图11中人的明视觉灵敏度曲线主要是在光谱的绿色和黄色部分,用细实线描绘;与人体昼夜节律相关的人体退黑色素抑制剂的分泌随光谱的影响用虚线表示,它的460nm最敏感波长与氮化镓基的LED的蓝光波长基本吻合;一个典型的5500K富蓝 LED白光发射的光的颜色是用粗线描绘,该光源发出光的最大光谱能量在460nm区域,正好与昼夜节律曲线波形相吻合,将影响人体正常的日出而作、日落而息的司辰节律,因此必需限制500nm以下的蓝光能量,从而减少对人的司辰节律的影响,如图11中的阴影部分所示。



图11富蓝LED白光光谱曲线与昼夜节律灵明度曲线相混合


  高色温的LED灯具会影响人体正常的司晨节律,所以夜晚使用高色温LED台灯是不适宜的,尤其是处于生长发育关键时期的中小学生。因为中小学生的眼睛尚未发育完成,视觉通道的通透性比成人好许多,更易遭受视觉危害,加上视网膜黄斑区的任何疾病退化后都不可再生,而且台灯照度通常在500lx或更高,且使用时间较长,因此人们尤其是青少年晚间不宜使用高色温的LED台灯。


  3、一般显色指数不应低于80。


  四、视觉作业台灯使用时需关注的要素


  1、台灯的摆放位置。


  应注意不能放在人的正前方,以免在纸上产生反射眩光(台灯位于正前方的摆放位置的例子见图12)。台灯的摆放位置还应注意避开手的遮影(如右手写字,台灯宜放在左侧,见图13)。



图12 台灯位于正前方的摆放位置的例子



  2、桌面材料及其颜色。


  采用反射比在30%-70%的淡色无光泽材料的制成(桌子不宜用黑色或深色且不宜有光泽)。


  台灯放置的桌面应是淡色的,与阅读材料颜色相近,不能是玻璃桌面。


  作业-背景亮度比取决于正常的作业面与背景工作面之间的亮度差。对于长期的纸面工作并改善视觉疲劳,中等-亮的色调的亚光工作面(如图14所示)能提供柔软、舒适的背景。



  黑暗的工作面,第一印象引人注目,纸作业面与工作表面的背景之间形成强烈地亮度比。长期纸面工作很可能会视觉疲劳(如图15所示)。


  有光泽的工作面将灯具、天花板和墙的亮度反射回使用者,可能产生光幕反射,反射眩光会使人分心或讨厌(如图16所示)。



图16 有光泽的工作面可产生光幕反射


  3、作业面与周围以及环境的亮度比。


  为营造舒适的照明环境,台灯工作时,IESNA推荐周围和作业照明方案:在桌子的前面或侧面使用直接照明/间接照明的壁灯或低亮度天花板安装式灯具。


  办公室读写作业照明环境下VDT工作站推荐的最大亮度比见图17。



图17 VDT工作站推荐的最大亮度比


  (各表面之间用线条连接的数值表示推荐的最大亮度比)


  提供舒适的视觉作业照明不能仅靠一盏台灯,还与作业周围的照明环境密切相关,包括,作业周围照度以及作业/周围/环境亮度之比等要素。视觉作业台灯是对小面积局域的加强照明,为长时间持续的读写作业或VDT作业提供重点照明。考虑到台灯的发光源距离人眼较近,应要求提供照明的同时避免台灯的高亮度光源造成人眼的不舒适。在台灯标准中,这种要求体现在对台灯遮光性、光源亮度控制和灯罩边发光亮度的限制这三项要求。作业面上照度的均匀程度是舒适视觉作业照明的重要指标,眼睛长时间、目不转睛、集中精神地注视存在不舒适因素的区域会造成眼睛明显的疲劳或不易察觉的伤害。在台灯标准中规定了在一定的作业范围内的照度水平和照度均匀度。

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