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CIE發布有關照明頻閃的定義和測量的技術備注


添加時間:2016-10-26 | 返回首頁
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  近期,國際照明委員會發布了技術備注文件CIE TN 006:2016 Visual Aspects of Time -Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models (時間調制的照明系統的視覺方面——定義及測量模型)。此文件由CIE TC1-83技術委員會起草,反映了當前CIE在這一領域的知識和經驗。作為技術備注,此文件為資料性文件,并非強制執行。
 
  固態照明光源的響應速度非常快,輸入電流的波動在幾個納秒內就可反映到其光輸出波動上,因而固態照明可實現靈活多變的光色調控,并迅速掀起照明應用的變革。但是,由光源的驅動器、調光器引起的電調制波動引起的光輸出時間調制,會使觀察者對環境的視覺感知發生變化,這種感知變化往往是不期望發生的,甚至是有害的,它會嚴重影響光品質;此外,光波動還可能導致視覺性能的下降,引起視覺疲勞甚至如癲癇、偏頭痛等嚴重的健康問題。對此,CIE成立了專門的技術委員會TC1-83 Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems,由來自荷蘭飛利浦照明的Dragan Sekulovski博士作為主席,?該TC于最近發布了技術備注文件CIE TN 006,下文將予以介紹。
 
  1、幾個重要的名詞術語
 
  時間調制光會產生多種不同的視覺感知現象,然而,在目前使用的名詞術語中并沒有詳細說明。雖然,CIE在2011年將“flicker(閃爍)”重新定義為“亮度或光譜分布隨時間波動的光刺激所引起的視覺感知的不穩定性表現”,表明了“閃爍”是一種感知效應,但卻沒有涉及到觀察者和周圍環境作用的影響。鑒于以上問題,該TN引入了新的名詞“Temporal ligh artefacts(TLA)”,并對原有的“閃爍”定義進行了修訂。以下對相關的幾個重要名詞術語進行簡單介紹:
 
  TLA(temporal light artefacts):在具體環境中,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起觀察者視覺感知的變化。下文的閃爍(flicker)、頻閃效應(Stroboscopic effect)和幻影效應(The phantom array effect)都是TLA的不同類型體現。
 
  閃爍(Flicker):對于靜態環境中的靜態觀察者,亮度或光譜分布隨時間波動的光刺激引起的視覺不穩定性感知。與過去我們提到的“閃爍(flicker)”(“亮度隨時間的波動”)不同,這里的環境和觀察者都處于靜態。
 
  頻閃效應(Stroboscopic effect):對于非靜態環境中的靜態觀察者,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起的對運動感知的變化。例如,在方波周期波動的亮度下,連續運動目標會被感知成不連續的移動;如果亮度波動周期與目標轉動周期一致,則目標會被看作是靜止的。
 
  幻影效應(Phantom array effect):又稱鬼影,對于靜態環境中的非靜態觀察者,亮度或光譜隨時間波動的光刺激引起的對物體形狀或空間位置布的感知變化。例如,當掃視以方波周期波動的小光源時,光源會被看成一系列空間延展的光點。
 
 
 
圖1:頻閃效應示意圖
 
 
 
圖2:掃視汽車尾燈出現的幻影現象
 
  2、相關文獻綜述
 
  CIE TN006分別從基礎研究和模型以及現有標準兩個方面對于評價TLA的方法和指標進行了綜述。
 
  對于TLA的研究早在1936年就已經展開了。對于80Hz以下的閃爍(flicker)研究文獻較多,科學家們也建立了相應模型。而對于100Hz以上的頻閃效應(stroboscopic effect)的研究則相對較少,頻閃效應與頻率、調制深度、占空比、波形、目標與背景的對比度以及移動速度都密切相關,2014年,TC1-83技術委員會的專家Perz等人提出了一個新的表征方法,即頻閃效應可視方法(stroboscopic effect visibility measure ,SVM),而對幻影效應的研究則從2013年才開始。
 
  在現有標準中,IES定義了閃爍指數(Flicker index,FI)和閃爍百分比(Flicker Percent,PF)。
 
  閃爍指數的計算公式如下,IES推薦FI在0.1以下,以保證良好的照明:
 
 
 
  式中,A1和A2分別為一個周期內,光信號輸出平均值以上和以下的面積。
 
 
 
圖3:閃爍參數計算示意圖
 
  閃爍百分比與調制深度(Modulation depth,MD)的定義相同:
 
 
 
  其中,
 
 
 
  和
 
 
 
  分別為周期信號的最大值、最小值和平均值。
 
  CIE TN 006認為,以上FI和PF參數都只是在信號的單個周期內進行的時域分析,并沒有考慮到波形和頻率的影響。
 
  IEC提出了用于光源閃爍視見性評價的短期閃爍指數Pst,考量電源端電壓波動對照明光源光輸出波動的影響。標準采用時間對比敏感度函數(TCSF,temporal contrast sensitivity function)模擬人眼腦對閃爍光的視覺響應系統。
 
  現有標準中,并沒有規定頻閃效應和幻影效應的評估方法。
 
  3、TLA的可見性定量分析
 
  3.1波形采集要求
 
  LED的光響應非常快,且受驅動、調光器等的影響,波動幅度以及頻率差異較大,準確捕捉光輸出-時間波形對于測量來說是一項挑戰。測量儀器至少需要滿足以下性能要求:
 
  1)線性和靈敏度:測量范圍內,光探測器、放大器以及數字轉換器組成的系統應與光強波動成線性響應;而且由于光度波動的同時,光源的光譜也會發生波動,因此使用光譜響應度與CIE光視效率函數V(λ)相匹配標準的光度探測器。
 
  2)采樣頻率和持續時間:對于閃爍(flicker),儀器的采樣頻率和持續時間應遵循IEC標準(IEC,2015)要求,即采樣頻率為2kHz以上,或者信號帶寬的2倍以上;頻閃效應(stroboscopic effect)和幻影效應(phantom array effect)推薦最小采樣頻率和持續時間則分別為20kHz和1s,且持續時間必須波形周期的整數倍。
 
  3)測量分辨率:推薦使用至少12位的模擬-數字轉換器,可在整個測量范圍內提供0.025%的分辨率。此外,探測器和放大器的噪聲應足夠小以保證測量的穩定性。
 
  4)數據的歸一化:分析計算前對波形進行歸一化處理。
 
  3.2 閃爍(flicker)的量化
 
  閃爍(flicker)有周期性波動,也有非周期性的波動,前者可以從時域或者頻域上進行分析,后者一般只能在時域上進行分析,時域和頻域分析方法的區別在于模擬計算,需要硬件和軟件的配合,采集波形,并進行濾波,計算短期內信號的方差并進行統計分析,可通過專業的測量分析軟件完成。CIE TN 006以IEC的短期閃爍指數Pst為例進行計算評價,覆蓋頻率為0.05Hz-80Hz,Pst =1作為限值,它表示在標準實驗條件下,50%的試驗者(概率)剛好感覺到閃爍現象。
 
  3.3 頻閃效應(stroboscopic effect)的量化
 
  CIE TN-006技術備注推薦在頻域內對頻閃效應(stroboscopic effect)進行分析量化,采用SVM指數對頻閃效應進行表征,覆蓋頻段80Hz-2000Hz,即在頻域空間,利用人眼的頻率響應函數對頻域信號進行歸一化,并采用Minkowski公式統計計算SVM值,見下式,并以此判斷頻閃效應的視見性:SVM=1時,剛好可見;SVM<1時,不可見;SVM>1時,可見。
 
 
 
  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的可見閾值;n為Minkowski標準參數。
 
 
 
圖4:人眼頻率響應函數
 
  目前,對于幻影效應(Phantom array effect)的研究雖然沒有閃爍(Flicker)和頻閃效應(Stroboscopic effect)多,但CIE TC 1-83指出幻影效應也應在頻域進行分析評價,并給出了典型汽車照明產品的幻影效應分析靈敏度曲線示例,如圖5所示。CIE TC 1-83將進一步對幻影效應進行詳細研究,以補充完善評價模型。
 
 
 
圖5:幻影效應分析靈敏度曲線示例
 
  4、未來的工作
 
  針對光源頻閃,TC 1-83推薦使用術語TLA,并建議使用基于頻域分析的方法對頻閃效應和幻影效應進行量化,基于時域分析的方法量化閃爍,此外,SVM和IEC短期閃變嚴重程度Pst被分別推薦用于頻閃效應和閃爍的量化。雖然,對于TLA,目前已經取得了一定的成果,但是還存在一些問題有待解決,如幻影效應的量化模型完善,量化方法的可靠性和重復性驗證,已有量化模型的適用范圍等,因此,未來的工作需著重在這些方面進行研究,而且CIE分部2也將成立新的TC對頻閃量化方法的可靠性和重復性進行分析研究。
 
  5、TLA各類參數的典型測量方案
 
  綜上所述,要完成TLA各類參數的測量,并進行可見性判斷,對儀器的各項性能要求都很高。針對此問題,遠方光電提出了一種專業性測量方案—光源閃爍分析儀,可滿足上述TLA參數測量要求,不僅適用于實驗室測量,又可廣泛應用于各種現場測量中。
 
  ●采樣速率高達100kHz;
 
  ●具有7個數量級的寬動態范圍;
 
  ●可定制國家標準級光度探頭;
 
  ●自帶的軟件支持時域以及頻域分析方法,對PF、FI、Pst以及SVM 等各類量值進行準確測量和分析,并根據相應標準對產品進行分級;
 
  ●大容量內存,且采樣與傳輸同時進行,一定條件下可實現無限采樣;
 
  ●搭載平板電腦,可實現遠程無線操控和數據傳輸。
 
 
圖6: TLA參數測量方案及典型測試界面
 
  (文章來源:杭州遠方光電信息股份有限公司)

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