近期，國(guó)際照明委員會(huì)發(fā)布了技術(shù)備注文件CIE TN 006：2016 Visual Aspects of Time -Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models (時(shí)間調(diào)制的照明系統(tǒng)的視覺(jué)方面——定義及測(cè)量模型)。此文件由CIE TC1-83技術(shù)委員會(huì)起草，反映了當(dāng)前CIE在這一領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。作為技術(shù)備注，此文件為資料性文件，并非強(qiáng)制執(zhí)行。
固態(tài)照明光源的響應(yīng)速度非?？?，輸入電流的波動(dòng)在幾個(gè)納秒內(nèi)就可反映到其光輸出波動(dòng)上，因而固態(tài)照明可實(shí)現(xiàn)靈活多變的光色調(diào)控，并迅速掀起照明應(yīng)用的變革。但是，由光源的驅(qū)動(dòng)器、調(diào)光器引起的電調(diào)制波動(dòng)引起的光輸出時(shí)間調(diào)制，會(huì)使觀察者對(duì)環(huán)境的視覺(jué)感知發(fā)生變化，這種感知變化往往是不期望發(fā)生的，甚至是有害的，它會(huì)嚴(yán)重影響光品質(zhì);此外，光波動(dòng)還可能導(dǎo)致視覺(jué)性能的下降，引起視覺(jué)疲勞甚至如癲癇、偏頭痛等嚴(yán)重的健康問(wèn)題。對(duì)此，CIE成立了專門的技術(shù)委員會(huì)TC1-83 Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems，由來(lái)自荷蘭飛利浦照明的Dragan Sekulovski博士作為主席，?該TC于最近發(fā)布了技術(shù)備注文件CIE TN 006，下文將予以介紹。
1、幾個(gè)重要的名詞術(shù)語(yǔ)
時(shí)間調(diào)制光會(huì)產(chǎn)生多種不同的視覺(jué)感知現(xiàn)象，然而，在目前使用的名詞術(shù)語(yǔ)中并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。雖然，CIE在2011年將“flicker(閃爍)”重新定義為“亮度或光譜分布隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激所引起的視覺(jué)感知的不穩(wěn)定性表現(xiàn)”，表明了“閃爍”是一種感知效應(yīng)，但卻沒(méi)有涉及到觀察者和周圍環(huán)境作用的影響。鑒于以上問(wèn)題，該TN引入了新的名詞“Temporal ligh artefacts(TLA)”，并對(duì)原有的“閃爍”定義進(jìn)行了修訂。以下對(duì)相關(guān)的幾個(gè)重要名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：
TLA(temporal light artefacts)：在具體環(huán)境中，亮度或光譜隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起觀察者視覺(jué)感知的變化。下文的閃爍(flicker)、頻閃效應(yīng)(Stroboscopic effect)和幻影效應(yīng)(The phantom array effect)都是TLA的不同類型體現(xiàn)。
閃爍(Flicker)：對(duì)于靜態(tài)環(huán)境中的靜態(tài)觀察者，亮度或光譜分布隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起的視覺(jué)不穩(wěn)定性感知。與過(guò)去我們提到的“閃爍(flicker)”(“亮度隨時(shí)間的波動(dòng)”)不同，這里的環(huán)境和觀察者都處于靜態(tài)。
頻閃效應(yīng)(Stroboscopic effect)：對(duì)于非靜態(tài)環(huán)境中的靜態(tài)觀察者，亮度或光譜隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起的對(duì)運(yùn)動(dòng)感知的變化。例如，在方波周期波動(dòng)的亮度下，連續(xù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)被感知成不連續(xù)的移動(dòng);如果亮度波動(dòng)周期與目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致，則目標(biāo)會(huì)被看作是靜止的。
幻影效應(yīng)(Phantom array effect)：又稱鬼影，對(duì)于靜態(tài)環(huán)境中的非靜態(tài)觀察者，亮度或光譜隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激引起的對(duì)物體形狀或空間位置布的感知變化。例如，當(dāng)掃視以方波周期波動(dòng)的小光源時(shí)，光源會(huì)被看成一系列空間延展的光點(diǎn)。
圖1：頻閃效應(yīng)示意圖
圖2：掃視汽車尾燈出現(xiàn)的幻影現(xiàn)象
2、相關(guān)文獻(xiàn)綜述
CIE TN006分別從基礎(chǔ)研究和模型以及現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面對(duì)于評(píng)價(jià)TLA的方法和指標(biāo)進(jìn)行了綜述。
對(duì)于TLA的研究早在1936年就已經(jīng)展開了。對(duì)于80Hz以下的閃爍(flicker)研究文獻(xiàn)較多，科學(xué)家們也建立了相應(yīng)模型。而對(duì)于100Hz以上的頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)的研究則相對(duì)較少，頻閃效應(yīng)與頻率、調(diào)制深度、占空比、波形、目標(biāo)與背景的對(duì)比度以及移動(dòng)速度都密切相關(guān)，2014年，TC1-83技術(shù)委員會(huì)的專家Perz等人提出了一個(gè)新的表征方法，即頻閃效應(yīng)可視方法(stroboscopic effect visibility measure ，SVM)，而對(duì)幻影效應(yīng)的研究則從2013年才開始。
在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，IES定義了閃爍指數(shù)(Flicker index，F(xiàn)I)和閃爍百分比(Flicker Percent，PF)。
閃爍指數(shù)的計(jì)算公式如下，IES推薦FI在0.1以下，以保證良好的照明：
式中，A1和A2分別為一個(gè)周期內(nèi)，光信號(hào)輸出平均值以上和以下的面積。
圖3：閃爍參數(shù)計(jì)算示意圖
閃爍百分比與調(diào)制深度(Modulation depth，MD)的定義相同：
其中，
和
分別為周期信號(hào)的最大值、最小值和平均值。
CIE TN 006認(rèn)為，以上FI和PF參數(shù)都只是在信號(hào)的單個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行的時(shí)域分析，并沒(méi)有考慮到波形和頻率的影響。
IEC提出了用于光源閃爍視見(jiàn)性評(píng)價(jià)的短期閃爍指數(shù)Pst，考量電源端電壓波動(dòng)對(duì)照明光源光輸出波動(dòng)的影響。標(biāo)準(zhǔn)采用時(shí)間對(duì)比敏感度函數(shù)(TCSF，temporal contrast sensitivity function)模擬人眼腦對(duì)閃爍光的視覺(jué)響應(yīng)系統(tǒng)。
現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，并沒(méi)有規(guī)定頻閃效應(yīng)和幻影效應(yīng)的評(píng)估方法。
3、TLA的可見(jiàn)性定量分析
3.1波形采集要求
LED的光響應(yīng)非?？欤沂茯?qū)動(dòng)、調(diào)光器等的影響，波動(dòng)幅度以及頻率差異較大，準(zhǔn)確捕捉光輸出-時(shí)間波形對(duì)于測(cè)量來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。測(cè)量?jī)x器至少需要滿足以下性能要求：
1)線性和靈敏度：測(cè)量范圍內(nèi)，光探測(cè)器、放大器以及數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成的系統(tǒng)應(yīng)與光強(qiáng)波動(dòng)成線性響應(yīng);而且由于光度波動(dòng)的同時(shí)，光源的光譜也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，因此使用光譜響應(yīng)度與CIE光視效率函數(shù)V(λ)相匹配標(biāo)準(zhǔn)的光度探測(cè)器。
2)采樣頻率和持續(xù)時(shí)間：對(duì)于閃爍(flicker)，儀器的采樣頻率和持續(xù)時(shí)間應(yīng)遵循IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC，2015)要求，即采樣頻率為2kHz以上，或者信號(hào)帶寬的2倍以上;頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)和幻影效應(yīng)(phantom array effect)推薦最小采樣頻率和持續(xù)時(shí)間則分別為20kHz和1s，且持續(xù)時(shí)間必須波形周期的整數(shù)倍。
3)測(cè)量分辨率：推薦使用至少12位的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)提供0.025%的分辨率。此外，探測(cè)器和放大器的噪聲應(yīng)足夠小以保證測(cè)量的穩(wěn)定性。
4)數(shù)據(jù)的歸一化：分析計(jì)算前對(duì)波形進(jìn)行歸一化處理。
3.2 閃爍(flicker)的量化
閃爍(flicker)有周期性波動(dòng)，也有非周期性的波動(dòng)，前者可以從時(shí)域或者頻域上進(jìn)行分析，后者一般只能在時(shí)域上進(jìn)行分析，時(shí)域和頻域分析方法的區(qū)別在于模擬計(jì)算，需要硬件和軟件的配合，采集波形，并進(jìn)行濾波，計(jì)算短期內(nèi)信號(hào)的方差并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可通過(guò)專業(yè)的測(cè)量分析軟件完成。CIE TN 006以IEC的短期閃爍指數(shù)Pst為例進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，覆蓋頻率為0.05Hz-80Hz，Pst =1作為限值，它表示在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，50%的試驗(yàn)者(概率)剛好感覺(jué)到閃爍現(xiàn)象。
3.3 頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)的量化
CIE TN-006技術(shù)備注推薦在頻域內(nèi)對(duì)頻閃效應(yīng)(stroboscopic effect)進(jìn)行分析量化，采用SVM指數(shù)對(duì)頻閃效應(yīng)進(jìn)行表征，覆蓋頻段80Hz-2000Hz，即在頻域空間，利用人眼的頻率響應(yīng)函數(shù)對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行歸一化，并采用Minkowski公式統(tǒng)計(jì)計(jì)算SVM值，見(jiàn)下式，并以此判斷頻閃效應(yīng)的視見(jiàn)性：SVM=1時(shí)，剛好可見(jiàn);SVM<1時(shí)，不可見(jiàn);SVM>1時(shí)，可見(jiàn)。
其中，
為第m階傅里葉分量的幅值;
在第m階傅里葉分量的頻率處波形頻閃效應(yīng)的可見(jiàn)閾值;n為Minkowski標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。
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圖4：人眼頻率響應(yīng)函數(shù)
目前，對(duì)于幻影效應(yīng)(Phantom array effect)的研究雖然沒(méi)有閃爍(Flicker)和頻閃效應(yīng)(Stroboscopic effect)多，但CIE TC 1-83指出幻影效應(yīng)也應(yīng)在頻域進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并給出了典型汽車照明產(chǎn)品的幻影效應(yīng)分析靈敏度曲線示例，如圖5所示。CIE TC 1-83將進(jìn)一步對(duì)幻影效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究，以補(bǔ)充完善評(píng)價(jià)模型。
4、未來(lái)的工作
針對(duì)光源頻閃，TC 1-83推薦使用術(shù)語(yǔ)TLA，并建議使用基于頻域分析的方法對(duì)頻閃效應(yīng)和幻影效應(yīng)進(jìn)行量化，基于時(shí)域分析的方法量化閃爍，此外，SVM和IEC短期閃變嚴(yán)重程度Pst被分別推薦用于頻閃效應(yīng)和閃爍的量化。雖然，對(duì)于TLA，目前已經(jīng)取得了一定的成果，但是還存在一些問(wèn)題有待解決，如幻影效應(yīng)的量化模型完善，量化方法的可靠性和重復(fù)性驗(yàn)證，已有量化模型的適用范圍等，因此，未來(lái)的工作需著重在這些方面進(jìn)行研究，而且CIE分部2也將成立新的TC對(duì)頻閃量化方法的可靠性和重復(fù)性進(jìn)行分析研究。
5、TLA各類參數(shù)的典型測(cè)量方案
綜上所述，要完成TLA各類參數(shù)的測(cè)量，并進(jìn)行可見(jiàn)性判斷，對(duì)儀器的各項(xiàng)性能要求都很高。針對(duì)此問(wèn)題，遠(yuǎn)方光電提出了一種專業(yè)性測(cè)量方案—光源閃爍分析儀，可滿足上述TLA參數(shù)測(cè)量要求，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，又可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中。
●采樣速率高達(dá)100kHz;
●具有7個(gè)數(shù)量級(jí)的寬動(dòng)態(tài)范圍;
●可定制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)級(jí)光度探頭;
●自帶的軟件支持時(shí)域以及頻域分析方法，對(duì)PF、FI、Pst以及SVM 等各類量值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析，并根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí);
●大容量?jī)?nèi)存，且采樣與傳輸同時(shí)進(jìn)行，一定條件下可實(shí)現(xiàn)無(wú)限采樣;
●搭載平板電腦，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線操控和數(shù)據(jù)傳輸。
圖6： TLA參數(shù)測(cè)量方案及典型測(cè)試界面
(文章來(lái)源：杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司)
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