CIE发布有关照明频闪的定义和测量的技术备注

2017-09-21  jptworld

文/李晓妮,覃汝军,黄艳,李倩

(杭州远方光电信息股份有限公司,浙江省杭州市310053)


近期,国际照明委员会发布了技术备注文件CIE TN 006:2016 Visual Aspects of Time -Modulated Lighting Systems-Definitions and Measurement Models (时间调制的照明系统的视觉方面——定义及测量模型)。此文件由CIE TC1-83技术委员会起草,反映了当前CIE在这一领域的知识和经验。作为技术备注,此文件为资料性文件,并非强制执行。


固态照明光源的响应速度非常快,输入电流的波动在几个纳秒内就可反映到其光输出波动上,因而固态照明可实现灵活多变的光色调控,并迅速掀起照明应用的变革。但是,由光源的驱动器、调光器引起的电调制波动引起的光输出时间调制,会使观察者对环境的视觉感知发生变化,这种感知变化往往是不期望发生的,甚至是有害的,它会严重影响光品质;此外,光波动还可能导致视觉性能的下降,引起视觉疲劳甚至如癫痫、偏头痛等严重的健康问题。对此,CIE成立了专门的技术委员会TC1-83 Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems,由来自荷兰飞利浦照明的Dragan Sekulovski博士作为主席,?该TC于最近发布了技术备注文件CIE TN 006,下文将予以介绍。


1、几个重要的名词术语

时间调制光会产生多种不同的视觉感知现象,然而,在目前使用的名词术语中并没有详细说明。虽然,CIE在2011年将“flicker(闪烁)”重新定义为“亮度或光谱分布随时间波动的光刺激所引起的视觉感知的不稳定性表现”,表明了“闪烁”是一种感知效应,但却没有涉及到观察者和周围环境作用的影响。鉴于以上问题,该TN引入了新的名词“Temporal ligh artefacts(TLA)”,并对原有的“闪烁”定义进行了修订。以下对相关的几个重要名词术语进行简单介绍:


TLA(temporal light artefacts):在具体环境中,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起观察者视觉感知的变化。下文的闪烁(flicker)、频闪效应(Stroboscopic effect)和幻影效应(The phantom array effect)都是TLA的不同类型体现。


闪烁(Flicker):对于静态环境中的静态观察者,亮度或光谱分布随时间波动的光刺激引起的视觉不稳定性感知。与过去我们提到的“闪烁(flicker)”(“亮度随时间的波动”)不同,这里的环境和观察者都处于静态。


频闪效应(Stroboscopic effect):对于非静态环境中的静态观察者,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对运动感知的变化。例如,在方波周期波动的亮度下,连续运动目标会被感知成不连续的移动;如果亮度波动周期与目标转动周期一致,则目标会被看作是静止的。


幻影效应(Phantom array effect):又称鬼影,对于静态环境中的非静态观察者,亮度或光谱随时间波动的光刺激引起的对物体形状或空间位置布的感知变化。例如,当扫视以方波周期波动的小光源时,光源会被看成一系列空间延展的光点。


图1:频闪效应示意图


图2:扫视汽车尾灯出现的幻影现象


2、相关文献综述

CIE TN006分别从基础研究和模型以及现有标准两个方面对于评价TLA的方法和指标进行了综述。


对于TLA的研究早在1936年就已经展开了。对于80Hz以下的闪烁(flicker)研究文献较多,科学家们也建立了相应模型。而对于100Hz以上的频闪效应(stroboscopic effect)的研究则相对较少,频闪效应与频率、调制深度、占空比、波形、目标与背景的对比度以及移动速度都密切相关,2014年,TC1-83技术委员会的专家Perz等人提出了一个新的表征方法,即频闪效应可视方法(stroboscopic effect visibility measure ,SVM),而对幻影效应的研究则从2013年才开始。


在现有标准中,IES定义了闪烁指数(Flicker index,FI)和闪烁百分比(Flicker Percent,PF)


闪烁指数的计算公式如下,IES推荐FI在0.1以下,以保证良好的照明:


式中,A1和A2分别为一个周期内,光信号输出平均值以上和以下的面积。


图3:闪烁参数计算示意图


闪烁百分比与调制深度(Modulation depth,MD)的定义相同:


其中,分别为周期信号的最大值、最小值和平均值。


CIE TN 006认为,以上FI和PF参数都只是在信号的单个周期内进行的时域分析,并没有考虑到波形和频率的影响。


IEC提出了用于光源闪烁视见性评价的短期闪烁指数Pst,考量电源端电压波动对照明光源光输出波动的影响。标准采用时间对比敏感度函数(TCSF,temporal contrast sensitivity function)模拟人眼脑对闪烁光的视觉响应系统。


现有标准中,并没有规定频闪效应和幻影效应的评估方法。


3、TLA的可见性定量分析

3.1波形采集要求


LED的光响应非常快,且受驱动、调光器等的影响,波动幅度以及频率差异较大,准确捕捉光输出-时间波形对于测量来说是一项挑战。测量仪器至少需要满足以下性能要求:


1)线性和灵敏度:测量范围内,光探测器、放大器以及数字转换器组成的系统应与光强波动成线性响应;而且由于光度波动的同时,光源的光谱也会发生波动,因此使用光谱响应度与CIE光视效率函数V(λ)相匹配标准的光度探测器。


2)采样频率和持续时间:对于闪烁(flicker),仪器的采样频率和持续时间应遵循IEC标准(IEC,2015)要求,即采样频率为2kHz以上,或者信号带宽的2倍以上;频闪效应(stroboscopic effect)和幻影效应(phantom array effect)推荐最小采样频率和持续时间则分别为20kHz和1s,且持续时间必须波形周期的整数倍。


3)测量分辨率:推荐使用至少12位的模拟-数字转换器,可在整个测量范围内提供0.025%的分辨率。此外,探测器和放大器的噪声应足够小以保证测量的稳定性。


4)数据的归一化:分析计算前对波形进行归一化处理。


3.2 闪烁(flicker)的量化


闪烁(flicker)有周期性波动,也有非周期性的波动,前者可以从时域或者频域上进行分析,后者一般只能在时域上进行分析,时域和频域分析方法的区别在于模拟计算,需要硬件和软件的配合,采集波形,并进行滤波,计算短期内信号的方差并进行统计分析,可通过专业的测量分析软件完成。CIE TN 006以IEC的短期闪烁指数Pst为例进行计算评价,覆盖频率为0.05Hz-80Hz,Pst =1作为限值,它表示在标准实验条件下,50%的试验者(概率)刚好感觉到闪烁现象。


3.3 频闪效应(stroboscopic effect)的量化


CIE TN-006技术备注推荐在频域内对频闪效应(stroboscopic effect)进行分析量化,采用SVM指数对频闪效应进行表征,覆盖频段80Hz-2000Hz,即在频域空间,利用人眼的频率响应函数对频域信号进行归一化,并采用Minkowski公式统计计算SVM值,见下式,并以此判断频闪效应的视见性:SVM=1时,刚好可见;SVM<1时,不可见;SVM>1时,可见。


其中,为第m阶傅里叶分量的幅值;在第m阶傅里叶分量的频率处波形频闪效应的可见阈值;n为Minkowski标准参数。


图4:人眼频率响应函数


目前,对于幻影效应(Phantom array effect)的研究虽然没有闪烁(Flicker)和频闪效应(Stroboscopic effect)多,但CIE TC 1-83指出幻影效应也应在频域进行分析评价,并给出了典型汽车照明产品的幻影效应分析灵敏度曲线示例,如图5所示。CIE TC 1-83将进一步对幻影效应进行详细研究,以补充完善评价模型。


图5:幻影效应分析灵敏度曲线示例


4、未来的工作

针对光源频闪,TC 1-83推荐使用术语TLA,并建议使用基于频域分析的方法对频闪效应和幻影效应进行量化,基于时域分析的方法量化闪烁,此外,SVM和IEC短期闪变严重程度Pst被分别推荐用于频闪效应和闪烁的量化。虽然,对于TLA,目前已经取得了一定的成果,但是还存在一些问题有待解决,如幻影效应的量化模型完善,量化方法的可靠性和重复性验证,已有量化模型的适用范围等,因此,未来的工作需着重在这些方面进行研究,而且CIE分部2也将成立新的TC对频闪量化方法的可靠性和重复性进行分析研究。


5. TLA各类参数的典型测量方案

综上所述,要完成TLA各类参数的测量,并进行可见性判断,对仪器的各项性能要求都很高。针对此问题,远方光电提出了一种专业性测量方案—光源闪烁分析仪,可满足上述TLA参数测量要求,不仅适用于实验室测量,又可广泛应用于各种现场测量中。

采样速率高达100kHz;

具有7个数量级的宽动态范围;

可定制国家标准级光度探头;

自带的软件支持时域以及频域分析方法,对PF、FI、Pst以及SVM 等各类量值进行准确测量和分析,并根据相应标准对产品进行分级;

大容量内存,且采样与传输同时进行,一定条件下可实现无限采样;

搭载平板电脑,可实现远程无线操控和数据传输。

图6: TLA参数测量方案及典型测试界面



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