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尋找看不見的光源頻閃

在昨天央視頻道和國家部分合力舉辦的 《3.15 晚會》上,期間有一個環節是主持人和兩位實驗員一起測試現在市面上流行的 LED 護眼小檯燈。雖然肉眼上看不出大區別,但實際上其中一盞檯燈是合符規定無頻閃的 LED 檯燈,而另一盞則是頻閃嚴重的 LED 檯燈。

固然我們沒辦法做到隨身攜帶專業的檢測設備去選購檯燈,但是實驗人員告訴我們一個簡單的小技巧:通過手機攝像頭來檢查檯燈頻閃的情況,如果取景畫面沒有出現頻繁閃動的情況,則可以基本判定這個燈源沒有頻閃問題。

如昨天錯過 《3.15 晚會》 上的這一段內容,可以觀看下面的視頻回顧。

測試小技巧一公佈,在社交網路上就立馬出現不少消費者對自己家裡面的 LED 燈源逐一檢查的結果。這個小技巧確實可以很直觀簡單地區檢測 LED 頻閃的問題,但是在節目裡面實驗人員和主持人都沒有對 LED 頻閃這個情況作出更多詳細的解析。也許是礙於篇幅,也不方便電視機前的觀眾理解。

其實頻閃這個現象,遠不止 LED 光源會出現。頻閃事實上無處不在,除了電燈之外,我們日常的電腦、手機螢幕都會有頻閃,只是我們更習慣把螢幕頻閃叫作刷新率。這種光源頻閃是指光源發出來的光線隨著時間而呈現出快速和重複的明暗變化,使得光源表現出跳動的狀態。

那為什麼有些光源頻閃憑著肉眼就能看到,而有些頻閃則不容易看到?這個情況主要與光源閃爍的頻率有關,如果光源的閃爍頻率在 50Hz 以下,人類依靠肉眼仔細觀察就能大概覺察到光源在閃爍跳動。如果光源閃動的頻率越低,自然也越容易靠肉眼察覺。50Hz 是什麼意思?我們可以大概理解為這個光源在一秒的時間內閃動 50 次。

而根據實驗室研究證明,人類肉眼的感光系統最高可以區分出每秒 48 次的光源閃爍,如果超過這個頻率基本上人類肉眼就沒辦法分辨明暗轉換之間的閃動。所以光源頻率高於 50Hz ,我們基本就感受不到光源在閃爍了。

那光源閃動的頻率是怎麼來的呢?就以我們日常最常見的電燈為例,我國交流電為 50Hz,所以理論上直接使用交流電的電燈頻閃都是 100Hz。但是一些電源電壓波動或者故障等因素而有所變化,閃動的頻率可能會降低,頻率降低後我們的肉眼就更容易察覺到光源的閃動。

以央視 315 晚會的檯燈舉例,兩盞檯燈在肉眼觀察下都沒法分辨出哪一盞頻閃比較嚴重,那就是因為兩盞檯燈的光源頻率都在 100Hz 左右,肉眼已經沒辦法分辨光源的閃動。

這裡又引申出另一個問題,為什麼同樣是用攝像頭拍攝,央視使用攝像機拍攝出來的畫面看不到檯燈頻閃,但是用手機的攝像頭卻能夠看見頻閃?

這個情況則是涉及鏡頭拍攝快門的問題了,央視的攝像機要兼顧拍攝整個大環境的畫面,自然在快門速度上會有所限制,不會把攝像機的快門速度設置為自動調節,考慮到在電視或其他媒體上播放,基本也得讓鏡頭快門速度維持在 1/30 秒或以上。

而手機攝像頭則是採用自動模式,如果把手機攝像頭靠近 LED 光源,因為光線非常充足,為了不讓畫面過曝,手機就會自動調快攝像頭的快門速度,可能會達到 1/100 秒或以上的快門速度。

正如我們用肉眼沒法看清楚光源閃動的原理一樣,如果攝像機的快門速度比 LED 閃動的速度要慢,自然就沒辦法捕捉到 LED 的頻閃情況。但是使用自動模式的手機攝像頭在太靠近光源的情況下相應就提升了快門速度,而這個鏡頭快門速度要比檯燈閃動的速度還要高,自然就可以捕捉到光源頻閃的情況。

下面用兩張照片來做演示,左邊的照片是使用自動模式拍攝,因為靠近光源,中央測光的關係會讓手機自動降低 ISO 和提升快門速度,此時快門為 1/730 秒,我們能夠從燈罩中看到閃動的藍黃色橫紋。而右邊的則是固定了快門速度拍攝的照片,1/50 秒的快門速度要慢於電燈閃動的頻率 (100Hz) 所以自然不會再看到頻閃的現象。

閃動的光源確實對人類視覺系統有刺激作用,會產生不舒服的感覺。如果長期在頻閃比較明顯的光源頻閃環境下工作和生活,眼球負擔會相當厲害,更容易導致近視、疲勞和偏頭痛。

所以現在大部分生產護眼檯燈的燈具公司會採用變頻電子鎮流器來提升 LED 燈源的閃動的頻率,大幅提升至每秒閃動上萬次,在這種頻閃速度下對眼睛的負擔相應就會低很多。但是閃得快並不代表不閃動,而且提高交流電頻率之後電輻射也會相對提高很多。

真正做到無頻閃的,應該是採用直流電工作的 LED 檯燈。通過直流鎮流器把交流電轉變為直流電,這樣 LED 就能發出自然均勻的光線。因為不需要提升電頻率自然也不需要擔心輻射的問題,LED 光源也會更加穩定,不會受到其他電磁干擾。不過直流電的生產工藝難度更大,成本自然比起使用變頻器的 LED 高頻燈要貴很多。

所以央視直接通過使用手機攝像頭查看頻閃來判定這盞檯燈是不是無頻閃檯燈並不是很嚴謹,只不過對於普通消費者而言,起碼能夠簡單分辨出頻閃嚴重的劣質檯燈。除了依靠這個辦法之外,也可以通過查看這盞檯燈是否使用直流電形式來直接判斷。

畢竟 100Hz 的光源頻閃環境也不算很舒適,但是因為國家電網頻率的限制,目前主流的電燈都只能維持在這個階段。就算我們感受不到,也並不意味著對我們沒有傷害。在選購燈具時,為了自己和家人的安全,多留個心眼也是好事。

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