EyeComfort白皮书科学背景-飞利浦

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EyeComfort 白皮书 1
目前，照明领域中一个关键性的差异化特征就是光的品质。光品质通常是指光的视觉属性，以及光与人和环境之间的交互和相关性。LED 的出现及大规模替换为我们在光品质差异化方面提供了无限可能，尤其是在光的空间分布、光谱分布以及时域分布这三个领域，这也迫使我们在光品质的评价方式上做出一些改变。飞利浦照明一直在持续地优化自己的产品，并不断地把我们对用户需求、照明应用和科学洞察力的深入理解融入其中通过遴选相关的照明技术参数，我们建立了 EyeComfort 商标。这些技术参数包括：闪烁、频闪效应、光生物安全性、眩光、调光、调色、显色性和听觉噪声。
我们的 LED 灯和 LED 灯具产品系列将会用这些参数进行评价。这份白皮书会对这些参数进行释义，并同时解释优化照明的重要性。
科学背景
飞利浦的 EyeComfort LED 涵盖了前文所提及的技术参数：
1. 闪烁和频闪效应
闪烁和频闪效应属于光的时域视觉幻象（Temporal Light Artifacts），简称“TLA”。TLA 是指在某个给定的环境中，由光刺激、亮度或光谱分布随时间波动而引起的人类观察者的视觉变化。闪烁（Flicker）是指对静态观察者而言，在静态环境中由光刺激、亮度或光谱分布随时间波动所引起的视觉不稳定状态。换言之，即室内光的快速扰动。
频闪效应（Stroboscopic effect）与闪烁有所不同，它同样是针对静态观察者而言，但是在非静态环境中由光刺激、亮度或光谱分布随时间波动所引起的动态视觉变化。也就是说，频闪效应会将快速移动物体的运动 “定格”，使其呈现出静止的状态。
LED 的特性之一是其对输入信号变化的快速响应，因此输入信号的波动就会如实地反应在 LED 光的输出上，这也就是导致 TLA 形成的潜在原因。输入信号的波动来源多种多样，包括电源的扰动、与控制器的交互作用（如调光器）、外部电源对输入信号的扰动（如微波炉）、以及电子驱动器所自带的设计波动等等。有很多已知的方法可以在 LED 的光输出中抑制此类波动的产生，或者降低 TLA 的程度。但是，采用这些方法则意味着 LED 的产品架构需要更大的物理空间，也意味着成本的增加和效率的降低，而产品的寿命也会缩短。
目前用于评价闪烁可见度和频闪效应的指标主要包括调制深度（Modulation Depth）和闪烁指数（Flicker Index），但这些指标都不适合用来预测人们实际的视觉感知或感受。闪烁可见度和频闪效应会受到调制深度、频率、波形和占空比的影响，但是上述指标并没有考虑到这些参数。我们日常的视觉感知是基于人类视觉系统实现的，它是神经系统的一部分。基于人类视觉系统建立了新的科学模型，提出了新的 TLA 评价指标，即用 Pst LM 来评价闪烁，用 SVM 来评价频闪效应
[1,2]。这两个指标得到了 Lighting Europe [3] 和 NEMA [4] 的支持，我们也会用它们来评价飞利浦的EyeComfort LED 照明产品。
为什么我们会关注闪烁和频闪效应？
表现出闪烁或频闪效应的照明产品被认为是低质量的照明产品 [5-14]。TLA 不仅会让人觉得烦躁，
也会影响人的视觉舒适度、整体舒适度和整体表现。具体而言， TLA 对人们带来的不良影响包括
降低视觉作业表现、引起眼部不适（视疲劳）、增加头痛发生率、造成烦躁等。很多研究表明，
在某些情形下，肉眼可见的闪烁会导致癫痫发作 [5-14]。考虑到上述这些影响，飞利浦照明的
EyeComfort LED 产品，在设计时都会尽可能地将可见的闪烁和频闪效应降到最低。
2. 光生物安全性
蓝光危害
蓝光危害是一种视网膜的光化学损伤，它受到的光谱组成、强度和眼部曝光时长的影响。国际电工委员会（IEC）建立了一套评价光生物安全的标准 [16]，光源被分成 4 个风险组别（0 = 无风
险，3 = 高风险）。
- 风险组 0：无光生物危害
- 风险组 1：在正常行为条件下，无光生物危害
- 风险组 2：由于对强光或热不适引起的厌恶反应，不会造成危害
- 风险组 3：瞬时曝光也会造成危害
关于蓝光危害，媒体经常出现一种误读，即 LED 照明光谱包含更高比例的蓝光成分，因此更容易产生蓝光危害。对此，全球照明协会（Global Lighting Association）开展了全面深入的研究和测量，将不同照明技术所产生的光谱组成与上述标准进行比对，并集合了很多科学家的意见 [15]。
主要结论如下：
- 关于蓝光危害，LED 灯和传统照明（如白炽灯、荧光灯）并无差别。在相同色温下，LED照明的蓝光成分占比与其他照明技术亦无差别。
- LED 光源与被替换的传统光源相比，两者之间的风险等级非常接近，而且完全在低风险或无风险的范围以内。
- 根据 IEC 标准，满足风险组 0 或风险组 1 要求的 LED 光源（灯或系统）和灯具都可以被普通消费者使用。
紫外光
消费者所使用的 LED 光源，其光谱中不包含任何紫外成分，因此即使对紫外光高度敏感的人群，也不会造成伤害。
红外光
和白炽灯或卤素灯相比，LED 几乎不发射任何红外光（IR）。LED 的红外辐射强度很低，因此对消费者而言 LED 光源没有红外危害。
光学安全在国际标准和准则中都有所描述 [16, 17]。飞利浦的 EyeComfort LED 产品全部都属于风险组 0 或风险组 1（RG0 / RG1），这意味着在正常情形下使用这些 LED 产品不会产生光生物危害。
也就是说，这些灯没有光生物危害。
3. 眩光
眩光是与舒适照明相关的最显著的不满意因素之一。眩光分为失能眩光和不舒适眩光。失能眩光，是指由视场范围内的眩光源所造成的视觉表现下降；不舒适眩光，是指由高亮度光源所造成
的视觉不舒适感受。不舒适的感受取决于诸多因素，如光源亮度、光源面积、光源在视场中的位置、背景光环境、活动类型以及在高亮度光源下的曝光时间。数年来，研究人员都试图将视觉不舒适进行量化。在室内工作环境（办公环境）中，眩光评价一般使用 UGR（Unified Glare Rating，统一眩光指数）指标，该指标是基于远场光强分布的平均亮度水平进行计算的。而在 LED 照明解决方案中，我们经常会看到非均匀的或者像素化的亮度分布，这些分布具有很高的亮度对比度。研究表明，当平均亮度相同时（这也意味着 UGR 数值相同），像素化亮度分布的灯具和均匀亮度分布的灯具相比，会造成更严重的不舒适眩光 [19-35]。这也就是说，当前使用的 UGR 数值对非均匀亮度分布的灯具并不完全适用。
对 UGR 适用性及改进的探究，和对不舒适眩光新评价方法的探索，是相当重要的研究课题。对UGR 的改进主要包括以下一些内容：通过将视场角相关性纳入考虑，校正 UGR 公式中的位置因子；校正平均亮度；校正可观测到的发光表面面积；通过增加一个额外的截距常数，来整体校正眩光源内部的亮度对比度 [36-44]。同时，也有一些不舒适眩光评价方式的新提议，它们都是基于对人类视觉系统（HVS）的建模，并应用该模型来映射到室内亮度分布 [34]。这种方法与我们对
TLA 指标的建模相同，都基于人类视觉系统。
对消费者灯具（家居照明）而言，目前并没有可用的眩光指标来进行量化评定。而且，灯泡的可见眩光通常取决于其具体应用，例如，一个放在桌面上和人眼高度相当的裸灯泡与一个房间角落里装在灯罩内的灯泡相比，前者的眩光显然更加严重。一般来说，眩光是由高亮度、高对比度和光源尺寸共同造成的。防眩光措施应当至少解决以下因素之一：降低亮度，降低对比度，或者减小光源尺寸。在飞利浦的 LED 照明产品系列中，我们对是否进行眩光控制进行了区分。带有眩光控制的灯（如使用了扩散材料，或者灯泡表面上安装了像素化格栅）与不带任何眩光控制的灯相比，在相同的光通量和相同的背景适应亮度条件下，其不舒适眩光明显降低。目前，尚未有可用的灯泡眩光评价指标，而这也是未来的一个研究课题。
4. 调光（即亮度调节）
LED 照明产品的调光特性是指用户可以根据自己的喜好来调节光强。LED 产品的调光特性使用户可以在任何环境下营造完美的氛围照明或作业照明。人们希望能够对人工照明光进行亮暗调节，主要由以下几个原因：首先，大家希望有能力改变环境的氛围（朦胧而温馨，明亮而充满活力）；其次，调光特性可以根据不同的活动类型或者室外亮度水平，来提供不同水平的光通量，例如，晚间你可能会调暗室内灯光以降低室内外的亮度对比度，同时降低 LED 灯可能产生的眩光；最后，调光特性有利于节能。
调光特性的使用不当也会带来一些不舒适感受或不良影响，如深度调光时出现的闪烁、不稳定过渡、最低亮度过高等等。这些问题的产生都源于 LED 驱动电路，如电源电压的波动、电源负载和调光器交互等。智能电子设计可以解决深度调光的问题，防止持续不断的、异常的光输出波动。可调光的飞利浦 EyeComfort LED 产品提供两种方案，一种是预设分段调光（SceneSwitch），另一种是全范围连续调光。
5. 调色（即调节色温或光色）
可调色的 LED 照明被分为以下三类：
1. 暖色调光：能模仿白炽灯的光色（即在亮度调暗时，相关色温从 2700K 降到 2200K）
2. 白光色温可调：能改变白光的色调（即在 2700K – 6500K 范围内调节白光的相关色温）
3. 彩光光色可调：能改变照明光的颜色（RGB 调光）
与普通的 LED 白光亮度调节相比，白炽灯泡的调光特性提供了不同的照明体验。由于白炽灯自身的发光机理，白炽灯丝在灯光调暗的过程中温度降低，因此会发出更加偏红色的白光（即更低的色温）。与之相对，LED 晶片发出的光色在调光时并不会发生改变。所以白炽灯泡的光强和色温会同时发生变化，而 LED 调光时只改变光强，其色温保持不变。
大家都比较喜欢低亮度环境下的暖色设置，因为其营造出温馨和舒适的氛围 [45]，但这一点也因地而异。飞利浦有一些 EyeComfort LED 产品提供了 WarmGlow 的调光特性。通过两种不同 LED 的组合（2200K 和 2700K）可以模仿白炽灯的调光特性。WarmGlow 调光特性也分为两种，一种是利用 SceneSwitch 的固定设置，另一种则是在 2700K – 2200K 范围内的 WarmGlow 平滑调光。
除了氛围调节之外，亮度调节和色温调节相结合会对人的生理节律带来益处。我们的生物钟告诉我们，什么时候起床，什么时候睡觉。光的强度和作用光谱是控制这些反应的参数之一 [46]。富含蓝光成分的高强度光会让我们感到清醒和警觉，而带有少量蓝光成分的低强度光则会激发人体体内睡眠激素（即褪黑色素）的分泌，从而让我们犯困。研究表明，富含蓝光成分的亮光在清晨时分有利于人们从睡眠中清醒过来，而在晚间则应尽量避免这种光，因为它会抑制人体内褪黑色素的生成，而导致睡眠困难。在晚间，暗淡而暖色的光环境有利于人的生物节律不受干扰 [46]。
飞利浦 EyeComfort LED 产品的 WarmGlow 调光特性同时支持光环境的氛围调节和人体的生物节律调节。
6. 显色性
光色质量与用户在特定的应用环境中的视觉喜好程度有关。白光的光色质量会影响空间、物体和人的外观。对被照空间、物体和人而言，较差的光色质量会导致其视觉辨识度和显色保真度的降低，例如，人的肤色、植物以及食品在低显色度和低饱和度的照明环境中会显得苍白暗淡。白光显色性的定义是，物体在一个照明体照射下所呈现出的色貌，与其在参考照明体照射下所呈现出的色貌之间的对比差异 [47]。一般显色指数（CRI-Ra）被用来衡量和量化白光光源的显色能力，该指数的计算则是基于 CIE 1974 所定义的八个中等饱和度的标准色样（TCS）。CRI 数值等于100 意味着待测光源的显色能力与参考光源的显色能力相同（CCT 低于 5000K 时，以白炽灯作为参考光源）。用户的喜好度与 CRI 数值不直接相关，CRI 数值很高的光源未必是用户更喜欢的。色饱和度（生动性），特别是红色饱和度在用户喜好度上有重要的影响 [48, 49, 50]。一般情况下，人们喜欢偏饱和的颜色，因为物体显得更加色彩鲜艳，但这不适用于对皮肤颜色的喜好。人们对肤色的喜好也受到文化的影响。
在具体应用中，在色保真度（CRI）和色饱和度之间找到一个合适的平衡点非常重要。飞利浦的EyeComfort LED 产品采用高色品质的 LED 光源来追求光色品质和美学上的至臻至善。
7. 噪声
LED 照明产品在深度调光时经常会发出令人厌恶的听觉噪声，其原因在于深度调光所产生的电压和电流会在电子元器件间产生机械共振。噪声的发出令人感到烦躁和不适。这也就是为什么在“能源之星”（Energy Star）标准中对听觉噪声水平有所要求。
根据“能源之星”对听觉噪声的要求，灯所发出的噪声在 1 米的距离不得高于 24 dBA [51]。这个阈值在完全安静的客厅里（约 20 dBA），或与人们非常靠近的灯（阅读灯、床头灯）而言，仍然不够严格。飞利浦所有的 EyeComfort LED 产品都会遵循公开的法规要求。
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