臺燈照度及照度均勻度的現狀分析

宋潔瓊，莊曉波，姜麗麗

(國家燈具質量監督檢驗中心、國家電光源質量監督檢驗中心(上海)、上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114)

引言

臺燈是生活中常見的照明產品，可用于讀寫作業照明或者房間的過渡照明等。其中讀寫作業用的臺燈因為使用者大多為視力正處于發育期的孩子而備受關注。用于評價臺燈產品質量的指標很多，如頻閃、照度及照度均勻度、遮光性、顯色指數和光生物危害等。其中頻閃的存在可能對眼睛產生危害，這備受消費者的重視。但隨著臺燈產品性能和設計水平的提升，確保產品無頻閃已非難事。上海市質監局2018年讀寫作業臺燈產品抽查結果顯示，所有抽檢批次臺燈的頻閃結果均為無顯著影響。而評價臺燈照明效果優劣另外一個非常重要的指標——照度及照度均勻度，卻很少受到大家的關注。本文將從照度及照度均勻度指標的重要性談起，結合臺燈產品實測數據，對該指標進行分析。

1 臺燈主要評價指標

臺燈的應用范圍很廣，除了最常見的讀寫作業臺燈，還包括在床頭提供垂直照度的臺燈以及在酒店房間內提供過渡照明的臺燈。但后兩類產品的應用場合對視覺作業要求不高，因而產品要求簡單。而針對讀寫作業臺燈，國家標準提出了完整的評價指標和測試方法，主要從產品性能一致性、產品安全角度及對人體產生的危害等角度來評價產品。GB/T 9473—2017《讀寫作業臺燈性能要求》適用范圍為家庭、教室和類似場所作為讀寫照明用的臺燈和宣稱“護眼”的臺燈[1]。與此同時，中國質量認證中心(CQC)也推出讀寫作業臺燈認證業務，發布了CQC 16-465316—2018《讀寫作業臺燈性能認證規則》。參照以上標準和要求，評價臺燈的指標主要包括：①光色特性——照度及照度均勻度、遮光性、色品容差、顯色指數、閃爍；②安全方面——視網膜藍光危害、電磁輻射、噪聲、可移式燈具安全；③電特性和其他——輸入功率、功率因數、外觀和標志。

產品質量檢測首先要確保產品安全，其次是功能性評價，即能否配合不同的使用目的，提供舒適高效的視覺作業環境。產品光色特性相關指標中，色品容差是對產品光品質和一致性方面的評價，而顯色指數是對光照在物體上的顏色還原程度進行評價。此外由于一般產品選擇出光口面在40 cm，與標準要求的檢測位置大體一致，因此很少有產品會出現遮光性不合格的情況。臺燈的閃爍特性由于產品制造工藝水平的提升，其合格率不斷上升。而照度及照度均勻度作為評價臺燈光性能的主要指標卻經常被忽視。

2 標準對照度及照度均勻度的要求及其測試方法

視覺作業臺燈的照明任務是提供舒適合理的照明環境，幫助人們高效且舒適地完成讀寫等視覺任務。研究發現，各種環境因素中，人看清物體的能力(視度)主要由物體大小(視角)、照度和對比度(物體與背景之間的亮度比)三個因素決定。因此視覺任務一旦確定，物體的尺寸大小和等效對比度這兩個因素就確定不變，而照度即成為影響視覺作業工效的主要因素。參考每個視覺任務的重要程度，結合相關視覺作業對象的尺寸和等效對比度特性，可以確定需要的照度標準值。照度除了影響視覺工效，對視疲勞也有影響[2]。因此，照度水平對改善人的視覺作業工效、舒適性、用眼疲勞程度都非常重要的影響。鑒于書本字體尺寸，讀寫作業是人生活中非常重要且較精細的一種視覺作業，按照GB 50034—2013《建筑照明設計標準》中的規定，與讀寫任務相關的不同場所要求的照度限值為300～500 lx。

除了照度的高低水平影響視覺疲勞，照度分布的均勻程度對視覺疲勞也有直接影響。研究表明，相同照度水平下，照度均勻度好有助于減輕視覺疲勞。當明暗對比達到3∶1時，人眼就會明顯感覺到明暗的變化[3]。這主要是由于閱讀寫字時如果視線范圍內照度不均勻，人眼在亮暗環境中就需要頻繁地來回調節瞳孔大小以適應不同的明暗環境，因此容易引起視覺的疲勞[4]。

綜合考慮以上因素，在評價臺燈提供的照明環境質量時，照度和照度均勻度是兩個基本且重要的檢測指標。GB/T 9473—2017《讀寫作業臺燈性能》要求中將兩項要求合并為一個指標，對測試結果分類為AA級、A級和不滿足A級三個等級，要求依次下降。標準要求見表1，測試布點方法如圖1所示。其中測量時以燈具出光口的幾何中心的垂直投影點為圓心，靠近眼睛一側的投射范圍內，按照離中心點距離定義了兩個檢測區域。標準中定義的該測試項目實際包含最小照度和照度均勻度這兩個指標，即需要每個區域內兩個條件同時滿足要求才算該項目測試合格。

表1 照度及照度均勻度的標準要求

圖1 照度及照度均勻度試驗布點方式Fig.1 Test point distribution for illuminance and illuminance uniformity

從國家標準對閱讀寫作相關區域場所的照度要求以及對臺燈照明區域的照度要求限值可知，只有離測試中心點300 mm的內圈范圍的臺燈照度要求限值能夠達到國家標準對閱讀寫作區域場所的照度要求限值。而臺燈測試區域的外圈內照度最小值的AA級要求為250 lx，低于國標對閱讀寫作環境要求限值(300～500 lx)。因此在讀寫作業過程中，單獨使用臺燈時桌面照度偏低，我們建議需同時打開室內主照明。這樣做有三個好處：一是可以增加作業面照度；二是桌面各個區域得到的光線相比于單獨使用臺燈時有所增加，也有助于提高作業面照度均勻度，三是打開屋頂主照明光源有助于減少背景環境與作業面之間的對比度，減少視覺疲勞。

3 臺燈產品照度及照度均勻度的現狀分析

我們統計了2017年和2018年兩年的臺燈測試結果，并剔除其中重疊的數據。在2017年的45批測試產品中，有10個產品采用熒光燈。而2018年的34個產品中，沒有采用熒光燈。因此本文不討論以熒光燈作為光源的產品，只討論以LED為光源的臺燈產品。而2017年產品中剔除以熒光燈作為光源的產品和與2018年產品重復的樣品，最終確定2017年測試樣品數目為33個。

3.1 產品測試結果統計分析

將2017年和2018年臺燈產品測試結果的照度及照度均勻度合格情況進行匯總，如圖2所示?？芍a品不合格數顯著下降，但2018年仍有35.2%的不合格率，且大部分合格產品僅滿足A級的要求。

圖2 2017年和2018年測試樣品照度及照度均勻度等級分布Fig.2 Illuminance and illuminance uniformity lever distribution of test samples in 2017 and 2018

照度及照度均勻度指標也可以分解為照度最小值和照度均勻度兩個指標進行分析。對兩年所有不合格產品綜合統計時發現，70%的產品均無法滿足兩個子指標，剩下各有15%的樣品只能滿足其中一個指標。2017年83.3%的單項不合格產品集中體現為照度不合格，而2018年單項不合格產品全部為照度均勻度不合格。由此可見，在產品設計時，兩項指標的設計難度相當。

如果按照測試區域來區分，則該指標可按照內外兩圈合格性進行統計。內圈部分是距離測試中心點300 mm的120°扇形區域，外圈是距離中心點300～500 mm的120°角內包含的弧形區域。37個不合格產品中，有11個產品可以滿足內圈的照度及照度均勻度相關要求，而沒有一個產品滿足外圈的設計要求。由此可知，受臺燈產品發光面積及角度的限制，內圈核心區域相比外圈較容易滿足標準要求。

3.2 發光部件的影響

由于臺燈距離工作面的距離較低，屬于近距離照明，因此發光部件的形狀與大小對被測工作面的照明效果影響很大。發光面與被測面形狀越接近，面積越大，達到照度均勻性要求會更容易。因此本文依照發光部件發光邊緣形狀分類進行統計，環形與圓形為一類，而發光邊緣呈長條狀分布為另一類。2017年33個測試產品中，75%采用長條形作為發光部件的外形，而2018年這個比例為50%，見表2，發光部件形狀為圓形/環狀的燈，其不合格率普遍低于長條形的產品。由此看來，臺燈產品設計逐漸偏向采用圓形/環形來設計發光部件。

表2 不同發光部件形狀的產品合格率

長條形發光產品普遍合格率偏低，這與產品發光面積普遍偏小有關。圖3和圖4分別統計了兩類發光部件發光面積和照度及照度均勻度等級之間的關系?？芍?，圓形/環形發光的產品發光面積普遍大于長條形產品。由于圓形/環形發光面積大，光學設計相對容易，不需要增加二次配光設計，但產品合格等級則嚴重受發光面積大小的影響，發光面積在100 cm2以下的產品多數會表現為照度及照度均勻度不合格。而長條形發光產品，除了發光面積普遍偏小外，長軸短軸方向尺寸比例相差很大,因此在這兩個方向上難以做到相同的照明覆蓋面積。以上兩個因素決定了長條形產品依靠芯片自身配光特性很難做到照度及照度均勻度合格，設計難度增加，因此不合格率上升。由此可見，產品照度及照度均勻度合格等級與發光面積之間沒有必然的關聯。

圖3 環形/圓形產品合格等級與面積關系Fig.3 Relationship between qualification lever and area of test sample with the circle or ring shape

圖4 長條形產品合格等級與面積關系Fig.4 Relationship between qualification lever and area of test samples with the rectangular shape

3.3 配光的影響

選取5款有代表性的產品，對其配光等數據進行比較，見表3。圖5列出主要的兩種配光類型， A型近似于芯片原始配光形狀，而B型則針對產品用途，加入了二次光學設計。發光部件為圓形和環形的產品，由于發光面積普遍較大，容易達到標準要求，因此基本屬于A型配光。圓形產品主要靠一圈芯片裝在發光體圓周側壁，然后通過圓形導光板和導光板底部的反光材料將光導向外側。而環形產品則直接在芯片外加一層透光罩，即完成發光部件設計。長條形產品有部分是芯片加透光罩的直射形式，配光類型為A型，這類產品發光面積特性決定了這樣的光學設計難以滿足照度及照度均勻度的標準要求。另外一類長條形發光的產品則通過光源腔內部的光學部件和透光部件，改變了產品配光特性，如產品5加入偏光設計，因而能做到照度及照度均勻度指標合格，同時偏光設計將光線集中在使用者一側，也有利于作業面照度的提高。

產品2的發光部件是圓形，光束角明顯小于其他產品。從產品外觀可知，產品發光面積小且光源內陷，外側有遮光部件，形成一定的遮光角，有助于減少眩光，但卻限制了出光面的發光角度，因此使得桌面照度和照度均勻度兩項指標都未滿足標準要求。

表3 5款典型臺燈產品信息列表

此外，配光測試都是遠場測試，可以把發光面當做一個點。但臺燈實際使用時發光面與被照明表面之間距離較近，就不能忽略發光體的尺寸。因此臺燈配光圖只能作為一個參考，不能像其他照明產品一樣，作為點光源利用配光數據做照度計算。實際桌面的照度及照度均勻度情況是受產品功率、光學部件(如發光形狀、發光面積、反射罩和透光罩材料等)和配光設計等幾個因素共同影響的結果。其中功率與光學部件和配光設計共同決定了測試區域內最小照度值情況，而照度均勻度則主要受產品光學部件和配光設計的影響。

對于消費者而言，需要了解的是部分臺燈產品配光上會有特殊的設計。使用這類產品時，如果擺放位置不正確，照度及照度均勻度的結果會截然不同。以其中一款發光部件為長條形發光的產品為例，改變擺放位置進行測試，結果見表4。讀寫作業時從使用者視線角度看到的臺燈擺放位置如圖6所示。其中位置I為說明書要求擺放位置滿足標準對照度及照度均勻度的要求，而位置II和位置III不滿足要求。因此我們建議消費者在使用臺燈前，一定要仔細閱讀說明書，按照說明書規定的位置擺放。從數據結果可知，不遵照產品說明書要求擺放，使用者一側的桌面照度均勻度就從合格變為不合格，沒有發揮出產品應有的配光設計優勢。

圖5 測試樣品配光類型示意圖Fig.5 light distribution type for test samples

表4 長條形產品不同擺放位置照度及照度均勻度測試結果

圖6 臺燈測試擺放位置圖示Fig.6 Test placement of table lamp

4 問題與建議

4.1 關于可調光產品

2018年測試的34個樣品都帶有調光或調色功能，其中15個為亮度可調且色溫可調，16個僅可調亮度，還有3個是僅可調色溫。部分產品設計為3檔亮度調節，測試所有狀態并不繁瑣。但如果產品亮度設計為無極調節，有時還會增加一個色溫的調節維度，那么這兩種調節方式排列組合能得到的不同使用模式會呈指數上升。多種模式變化，必然很難保證所有模式都滿足標準要求，如果要全面衡量產品的合格性，測試次數也會隨之增加。對于企業而言，這意味著增加了產品檢測認證的繁瑣程度和經濟負擔。因此企業一般會選擇特定模式，如最大功率最大色溫狀態為讀寫作業模式進行測試。對于企業和檢測機構而言，這是省時省力的方法，但對于消費者而言這不是最優的解決方案，調光過程中的照度及照度均勻度合格范圍不明確，會導致追求照明體驗的消費者只能使用一個特定的模式，無法體現產品可調的優勢。設計多變的產品功能來滿足人們多樣化的需求是未來的發展趨勢。因此企業設計產品時需改變思路，增加對能夠滿足照度及照度均勻度的可調光范圍的定義。

對于企業而言，如何確定滿足標準要求的調光范圍是個難點。因此我們首先分析亮度和色溫調節對臺燈照度及照度均勻度測試結果的影響，以此為出發點，討論如何確定產品滿足照度及照度均勻度的可調光范圍。

如果色溫不變，僅調節亮度，一般設計是通過調節芯片電流或者占空比來改變芯片總光通量[5]，不涉及光學設計的改變，因而燈具配光形式是確定不變，而測試區域內照度值會成比例增減。因此亮度調節會影響測試區域內的照度最小值，但對照度均勻度的影響很小。而色溫改變通常通過調節不同色溫芯片的功率配比形成需要的色溫[5]，會涉及產品功率變化而改變照度最小值。且不同色溫的芯片排布多變，對照度均勻度的影響尚無法明確。為簡化問題，本文僅討論亮度調節對照度及照度均勻度的影響。

根據上述分析，對于僅調節亮度的產品，只要確定該產品能滿足照度及照度均勻度的功率下限，再通過實測進行微調驗證，就可以基本確定該產品滿足標準的可調光范圍。實際操作時需要參照合格產品在最大亮度下測試獲得的最小照度數據與A級中最小照度要求的限值之比，作為計算調節產品功率滿足照度及照度均勻度要求所允許的功率可調下限的理論百分比數值。本文統計了2018年22個測試合格產品的功率可調的理論百分比下限，如圖7所示，圖中平均值為該照度及照度均勻度等級中所有產品功率仍滿足A級要求的功率可調的理論百分比下限。誤差線上下顯示該類產品中功率可調下限的最大和最小百分比。對于照度及照度均勻度等級較高的AA級產品，功率可調節的范圍普遍較大，其中一款產品理論計算甚至可以最低調節至34.8%，而A級產品功率可調節范圍的下限為70%以上。

圖7 滿足A級要求產品的功率可調百分比下限Fig.7 Theoretical lowest percentage of power drop within the A grade requirement

由此可知，產品如果要增加可用于讀寫作業模式的調光調色功能，則不適合做成0～100%范圍的無級調光，相反需要設計可調光下限，對滿足照度及照度均勻度的可調光范圍進行明確標示。這對于適用于讀寫作業場合且可調范圍大的產品來說，可以成為產品的一個亮點，同時也會給客戶帶來更優的使用體驗。而不滿足照度及照度均勻度的低功率狀態也可以設計為小夜燈或休閑模式等。不同調光范圍適用不同的場合，進行區分標示，則可以發揮各自的作用。

產品測試的難點在于減少測試周期和成本。一方面，可以通過減少測試模式來減少測試周期，降低企業成本。這需要依照產品規律，盡量選取最少最具代表性的調光模式，通過測試幾個模式的合格性來評判整體可調光范圍的合格性。另一方面，可以嘗試開發新的測試方案，減少每次測試過程需要的時間并簡化操作流程，也有利于降低測試成本。

4.2 關于標準

現有標準要求以燈具出光口的幾何中心在桌面的垂直投影點為照度及照度均勻度測試中心點，但產品測試過程中發現，現有的規定已難以滿足現實中多種多樣的產品需求，主要體現在以下兩個方面：

首先，標準中對燈具出光口的幾何中心定義不夠明確。有很多產品為了配合自己的獨特的外形設計或滿足標準要求的照明效果，會將發光部件設計成特殊的形狀。對于這類產品，僅依照標準內“幾何中心”四個字，沒有準確的定義，每個人選取的測試中心點不同會導致截然不同的測試結果。

其次，將出光口幾何中心的垂直投影點定為測試中心，有很大的局限性。例如，日本設計的臺燈產品利用ForwardBeam技術即利用反射器反射的間接式照明，有助于提高桌面照度均勻度，減少眩光，優化照明體驗，如圖8所示[6]，該產品在桌面上投影光斑的中心位置明顯與標準中規定的測試光中心(產品光中心的垂直投影點)不重合。如果按照標準要求進行測試，數據采樣區域必然會嚴重偏離產品設計時期望覆蓋的工作區域，從而導致測試數據不能如實反映該產品的真實照明效果。隨著半導體技術的發展LED光效大幅提升，白光LED芯片實驗室光效在2014年就已突破300 lm/W[7]，超出了美國能源部發布的固態照明研發計劃的預期[8]。這種眩光少、均勻性好的反射式照明有可能成為未來照明產品設計的一個熱門方案。

圖8 日本采用ForwardBeam技術設計的臺燈設計方案Fig.8 Design plan of table lamp with ForwardBeam from Japan

由于產品設計不斷迭代創新，有些創新就難免超出現有標準要求的框架。有些新的設計要么標準無法定義，沒有測試方法，要么利用傳統的標準方法則會獲得錯誤的結果。因而標準的制定與修改需要及時跟進產品創新動向，以更好地為產品發展提供服務。因此針對該項測試，未來應該允許客戶自定義測試時的光中心，只需要求設計者在說明書中明確產品使用位置的相關信息即可，這樣可以改變按現有標準方法測試時偏離客戶設計方案的問題的出現。

5 總結

通過對67個LED臺燈產品的照度及照度均勻度的實測數據的統計，我們對目前臺燈產品現狀以及測試方法等問題進行了探討，總結如下：

1)從產品設計研發的角度考慮。臺燈設計中，要達到標準的照明效果，可以選擇光學設計難度較低的圓形和環形來設計發光部件，同時加大發光面積有助于改善桌面照度及照度均勻度情況。而發光部件設計為長條形時，可能就需要再加入特殊配光設計或采用特殊的光學組件，才能達到理想的照明效果。對于可調光的產品，我們建議可以定義成多種調光模式，其中能夠滿足照度及照度均勻度的讀寫作業相關模式應設置功率可調的下限，而不滿足照度及照度均勻度的調光范圍可以設置為其他休閑或小夜燈模式。此外在產品使用說明書中應對滿足照度及照度均勻度的設置方式、使用位置，以及不合格的調光范圍進行明確提示。

2)從認證檢測的角度考慮。標準制定者需從產品行業發展現狀考慮，改進標準定義的測試方法及要求，允許生產者自定義光中心位置。同時針對可調光調色產品，檢測機構需開發快速準確地測量新方案，降低企業認證測試的成本。這樣才能幫助企業發揮可調光調色的優勢。

3)從消費者的角度考慮。目前CQC出臺了臺燈認證業務，消費者可以購買CQC臺燈認證合格的產品。實際使用過程中使用者也要嚴格按照使用說明書提示進行操作，在正確狀態下使用才能得到最佳的照明效果，并起到護眼的作用。而在實際應用時我們建議打開室內主照明，而不要單獨使用臺燈作為讀寫作業時的照明。