2017年315晚会上，央视曝光了部分打着“护眼灯”旗号的LED灯泡，存在严重的频闪问题，并给出了一个简单的用普通手机摄像头检测频闪的方法。消息一出不到5分钟，立刻就有用户发来了微信，说我用手机看了，怎么这智能灯也有频闪呀！
赶快回看315晚会，果然，央视继续秉承一贯的“为了大众的认知能力，不能把科学讲太深”的精神，把大家的恐慌煽动起来后就撤了。是时候把央视没讲出来的部分写出来了。
什么是频闪(Flicker)，哪些灯具会有频闪，哪些没有？
大家都知道，咱们的市电是50Hz的交流电，也就是说，在一秒钟之内，会交替变化50个周期，就像下面的图那样。
不仅仅瞬时电压是波动的，相应的瞬时电流和瞬时功率，都是以50Hz波动的。正因为这个50Hz的交流电，导致几乎所有插在市电上的电子设备，都或多或少带有一些50Hz的印记。
（315合格灯具，依然可见微小的波动）
日光灯：说到频闪，最典型的是需要用启辉器的日光灯管。这类灯管，是通过电流激发管里的气体，产生光线。电流无论正反流动，都能激发发光，只有电流接近和经过零点的时候，才不发光（但仍有辉光），因此，这类灯管会产生两倍于电流频率的频闪，在市电下就是100Hz（美国就是120Hz）。
白炽灯、卤素灯：这类灯具都是靠热来发光的，虽然灯丝的瞬时功率是波动的，但是其温度的变化是非常缓慢的，因此其光线是持续无频闪的。
节能灯：所谓节能灯，其实是指采用电子镇流器的荧光灯，发光原理和日光灯相同，但电子镇流器会把50Hz的市电先转换成直流，再转换成频率高达20k-60kHz的高频交流来驱动灯管。因此它也有“频闪”，只是频率高了近3个数量级。
LED：它是有潜力实现没有频闪的光源。LED灯具中，50Hz市电首先转换成直流，再转换成恒定的电流和电压，直接以直流驱动LED发光器件，因此几乎没有频闪。同时，LED也是目前量产商用的效率最高的光源。
很遗憾的是，一些无良LED厂商为了降低成本，并不用上述这种市电->直流驱动的方式，而是直接用简单整流后的市电来驱动LED器件。这样，LED就和日光灯一样，会产生100Hz的频闪。在（Wilkins-2010）中，记载有如下会产生频闪的简化LED驱动方式。事实上，我曾经在某个办公室看到过采用这种方案的灯泡。某宝上的1.9包邮的LED灯泡，大家就自己掂量着买吧。
（简化LED驱动图，摘自Wilkins-2010）
频闪对健康是否有影响？
频闪，是“频”和“闪”两件事组成的。离开频率谈频闪对健康的影响，是不科学的。遗憾的是，直到电子镇流器之前，人们对频闪的讨论都只集中在了50-60Hz工频，以及其倍频100-120Hz。
频闪对人的影响，大致有两类：
第一类：可见的频闪（Visible Flicker），大约3-70Hz。这类闪烁可以被人直接看到。短期暴露在这种环境中，就有可能产生癫痫（IEEE-Std-P1789,2010）。事实上，曾经有动画片中出现闪烁过于强烈的画面，就导致很多看电视的儿童发生癫痫。
第二类：不可见的频闪（Invisible Flicker），大约70-160Hz。这类闪烁虽然人不能感觉到，但是却实际上会被视网膜捕捉到（Veitch-1995），反馈在“视网膜电图”上（ERG，类似脑电图、心电图吧）。这类闪烁会导致人用眼疲劳、头疼、视觉能力下降等副作用。
比160Hz更高的频率，就超出了视网膜反映的速度，因而也没有在ERG中检出。这意味着，160Hz以上的频闪，已经超出了对人体产生影响的范围。也正因此，采用电子镇流器的节能灯虽然也有频闪，但对人是没有影响的。
除了频率，频闪的深度（最暗和最亮照度的比例关系），也对人有一定影响。根据（Bullough-2013）：
- 1000Hz 100%频闪，要优于100Hz 25%频闪，这说明远超过人体感觉能力的频率，哪怕频闪强烈，也比低频率的微弱频闪要好；
- 100Hz 25%频闪，要优于100Hz 100%频闪，这说明相同的低频率下，更浅的频闪更好。
回忆一下，自己的童年貌似是在学校的老式日光灯管下度过的，怪不得眼睛疲劳学习效率低下呢。。
用手机摄像头测频闪，靠谱吗？
手机目前多采用的是CMOS摄像头，其显著的特点就是“滚动快门（Rolling Shutter）”，相信爱好者对这个现象都非常熟悉。正是利用这个原理，CMOS摄像头可以用来探测人眼看不到的闪烁。
（螺旋桨的Rolling Shutter效果，摘自（Cole））
CMOS摄像头每一行的采样速度通常在5-10微秒量级，因此可以捕捉到高达20-50kHz的闪烁。如果要在拍出的照片中表现出来，那么需要经过一系列软件对图像的滤波和处理。保守估计，这样最高仍然可以拍到5000Hz的闪烁。
因此，CMOS摄像头可以让你看到50-5000Hz的频闪，然而记住，只有160Hz以下的频闪才能真正影响人，而有证据的影响人健康的频闪，是更低的频率。
智能家居厂商的躺枪
这是我手头的测试设备：除了自家的幻腾Nova，还有飞利浦Hue（不小心摔碎了外壳），飞利浦LivingColor，飞利浦灯带，小米YeeLight灯泡，小米网关小夜灯。
（全家福，上排左起：飞利浦LivingColor，小米YeeLight，幻腾Nova，飞利浦Hue（破损版），小米网关夜灯；下排：飞利浦灯带）
如果把亮度开到100%，用手机摄像头查看，所有产品都“一片祥和”。
（从左到右：Nova，YeeLight，亮度100%，一片祥和。至于Hue，因为我把飞利浦网关搞丢了，所以没法演示100%亮度时候的祥和了。。。）
（从左到右：Nova，YeeLight，Hue，小米网关夜灯，亮度低于100%时，均由于PWM产生无害的高频频闪）
（从左到右：Nova，YeeLight，Hue，小米网关夜灯，亮度和上一张图相同，远看一片祥和）
但如果亮度不是100%，所有产品都会出现明显的频闪条纹！难道智能灯们都会影响健康吗？其实不然。
产生频闪条纹是因为，目前LED的数字调光方案，几乎全部是使用“脉宽调制（Pulse-width Modulation, PWM）”来实现的。通俗来讲，就是通过高频率地开关发光器件，实现对亮度地调节。再通俗来讲，就是通过频闪来实现调光。因此，其产生频闪本身是设计所致。
注意到，飞利浦Hue的调光频率是500Hz，YeeLight和幻腾Nova的调光频率都是1000Hz，远高于上面所说的可以对ERG产生影响的160Hz，完全不会对人产生任何影响。也正因此，业界一直采用高频率的PWM进行调光，这已经是LED数字调光的规范。
如果把智能灯调到100%亮度，则不再需要用PWM进行调光，则LED的驱动就是直流，完全没有频闪。
接着，我又试着把手头的一个Nova的PWM频率调到了10000Hz（10kHz），用手机摄像头就看不出任何频闪条纹了。当然，因为Nova的驱动性能非常好，在10kHz的调光频率下仍然可以工作自如，最低可调亮度仍然可以低至千分之4。
（幻腾Nova更新固件，把频率调至10kHz后，用手机无法看到频闪现象了。）
对于其它一些功率更大的驱动电源，如果调光频率过高，可能导致效率降低，或在低亮度情况下不稳定的情况。这就是为什么大部分厂商选择500-1000Hz的调光频率。
究竟怎么判断哪些频闪是有影响的？
还是手机。其实，咱们可以大致通过手机拍摄的条纹宽度，来估计频闪的频率。
（晚会展示的手机图像）
手机摄像头的帧率大约30帧/秒（随手机品牌不同可能不同），即整帧的刷新率是30Hz。因此，如果一幅照片中可以看到大约3个条纹，我们就可以估计，实际闪烁的频率大约是30Hz*3 约 100Hz。
从上面实验用的智能灯照片也可以看出，频率在500Hz-1000Hz的时候，条纹是非常密实的，并不像晚会中展示的那种，一副画面只有3个条纹。
总之，手机看到条纹很宽，闪烁很明显的，那就是工频（100Hz）左右的频闪，是不好的；手机看到条纹很窄很密的，那就是高频（500Hz以上）调光信号，对人没有任何影响。
参考文献
Arnold Wilkins, Jennifer Veitch, Brad Lehman, LED lighting flicker and potential health concerns: IEEE standard PAR1789 update, Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE
IEEE Standard P1789, A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker, 2010 IEEE
Veitch, J.A., McColl, S.L., Modulation of fluorescent light: flicker rate and light source effects on visual performance and visual comfort, Lighting Research and Technology, Vol. 27 No. 4, 1995, pp243-256
John D. Bullough, Nicholas P. Skinner, Kathryn Sweater Hickcox, Visual Task Performance and Perceptions of Lighting Quality Under Flickering Illumination, Journal of Light & Visual Engironment, Vol. 37, No. 4, 2013, pp189-193
Jason Cole, The Math Behind the Rolling Shutter Phenomenon, https://petapixel.com/2014/10/13/math-behind-rolling-shutter-phenomenon/