Hinter den Fortschritten der Technologie: Wie sich Flimmereffekte auf Displays und Beleuchtungsprodukte auswirken
Einführung
Das Hauptziel der Displaytechnologie ist es, einen höheren Sehkomfort und eine genauere Farbwiedergabe zu bieten. Flimmern hat sich zu einem entscheidenden Kriterium für die Bewertung der Qualität von Displays und Beleuchtungsprodukten entwickelt. Flimmern beeinträchtigt nicht nur den Sehkomfort, sondern stellt auch ein potenzielles Risiko für die Effizienz von Sehaufgaben und die Gesundheit dar.
In diesem Artikel befassen wir uns mit den wissenschaftlichen Theorien hinter den Flickereffekten, den Messmethoden und den technischen Herausforderungen, die bei technischen Anwendungen auftreten. Wir werden auch analysieren, wie verschiedene Messstandards zur Verbesserung der Produktqualität eingesetzt werden können.
Dieser Artikel enthält die folgenden Themen:
- Die physikalischen und physiologischen Grundlagen des Flickereffekts
- Auswirkungen von Flimmern auf Sehkraft und Gesundheit
- Messmethoden und Standards für Flickereffekte
- Methoden der Frequenzbereichsanalyse
- uFlicker Software: Die Idea-Lösung für Flicker-Tests
Die physikalischen und physiologischen Grundlagen von Flimmereffekten
Flimmern ist ein Phänomen, das durch zeitliche Schwankungen von Lichtsignalen verursacht wird. Die weitreichenden Auswirkungen werden in erster Linie auf Spannungsschwankungen in Lichtquellentreibern und Dimmtechnologien zurückgeführt. Es lassen sich drei Hauptwirkungen unterscheiden:
- Niederfrequentes sichtbares Flimmern
- Lichtschwankungen mit Frequenzen unter 80 Hz.
- Sie werden von statischen Beobachtern leicht wahrgenommen und führen zu visueller Ermüdung, Kopfschmerzen und sogar nervlicher Anspannung.
- Häufig bei instabilen Stromversorgungen oder LED-Beleuchtung mit niederfrequentem PWM-Dimming.
- Hochfrequenz-Stroboskopeffekt
- Lichtschwankungen mit Frequenzen zwischen 80 Hz und 2 kHz.
- Beeinflusst die Wahrnehmung von sich bewegenden Objekten unter dynamischen Bedingungen, wie z.B. den Wagenrad-Effekt oder Bewegungsunschärfe.
- Tritt häufig bei industrieller Beleuchtung oder Bildschirmen mit hoher Aktualisierungsrate auf und beeinträchtigt die dynamische visuelle Leistung.
- Phantom-Array-Effekt
- Lichtschwankungen mit Frequenzen über 2 kHz, die unter bestimmten Bewegungsbedingungen visuelle Artefakte wie Mehrfachbildspuren erzeugen können.
- Auch wenn es weniger häufig vorkommt, kann es die Benutzererfahrung in Umgebungen mit hoher Bewegungsgeschwindigkeit beeinträchtigen.
Tabelle 1: Klassifizierung von Flicker-Phänomenen
| Flicker Type | Low-Frequency Visible Flicker | High-Frequency Stroboscopic Effect | Phantom Array Effect |
|---|---|---|---|
| Frequency Range | < 80 Hz | 80 Hz - 2 kHz | > 2 kHz |
| Observation Conditions | Observing stationary objects in static environments | Observing moving objects in static environments | Observing stationary objects in dynamic environments |
| Phantom Ray Effect | Flicker | Stroboscopic Effect | Phantom Array Effect |
| Impact and Applications | Can lead to visual fatigue, headaches, and nervous tension. Commonly found in light sources with low-frequency PWM dimming or unstable power supplies. | Impacts the perception of moving objects, such as the wagon-wheel effect or motion blur. Common in industrial lighting or high-refresh-rate display devices. | Can create visual artifacts like multiple image trails, affecting user experience in high-speed motion scenarios. Less common but potentially significant in high-speed applications. |
Stroboskopische Fotografie eines sich drehenden Fahrradreifens.
Auswirkungen von Flimmern auf Sehkraft und Gesundheit
Die menschliche Empfindlichkeit gegenüber Flimmern hängt eng mit dem zeitlichen Auflösungsvermögen der Netzhaut und des Nervensystems zusammen. Studien haben gezeigt, dass niederfrequentes Flimmern, insbesondere im Bereich von 15-20 Hz, am auffälligsten ist und zu den folgenden Problemen führen kann:
- Visuelle Müdigkeit und Kopfschmerzen: Längerer Aufenthalt in Umgebungen mit niederfrequentem Flimmern erhöht die akkommodative Belastung des visuellen Systems.
- Visuelle Interferenz: Flimmern kann die Fähigkeit beeinträchtigen, Text zu lesen und feine Details in Bildern zu erkennen.
- Neurologische und psychologische Auswirkungen: Personen mit lichtempfindlicher Epilepsie können besonders empfindlich auf Flimmerreize reagieren.
Die Wahrnehmung von Flimmern durch das menschliche Auge ist stark frequenzabhängig:
- Unter 70 Hz: Flimmereffekte sind leicht wahrnehmbar und können die visuelle Gesundheit und das Verhalten erheblich beeinträchtigen.
- Über 70 Hz: Flimmereffekte sind in der Regel nicht wahrnehmbar, mit minimalen visuellen Störungen.
Außerdem konzentrieren sich die meisten Auswirkungen auf das Verhalten auf niederfrequente Amplitudeneffekte unter statischen Bedingungen. Diese Amplitudenschwankungen sind besonders bemerkenswert, da sie bei stationären Beobachtern zu visueller Ermüdung führen.
Längerer Aufenthalt in Umgebungen mit niederfrequentem Flimmern kann zu visueller Ermüdung und Kopfschmerzen führen
Messmethoden und Standards für Flickereffekte
Grundlegende Messparameter
Flickermessungen basieren auf den Eigenschaften von Lichtsignalen im Zeit- und Frequenzbereich. Die wichtigsten Parameter sind:
1. Flimmern in Prozent:
Dabei steht A für den maximalen Leuchtdichtewert und B für den minimalen Leuchtdichtewert.
Anwendungen:
- Geeignet, um das Ausmaß von Schwankungen der Lichtquelle schnell zu erkennen.
- Wird häufig verwendet, um die grundlegende Stabilität von Lichtquellen zu testen.
Vorteile:
- Einfache Berechnung, daher ideal für eingebettete Systeme.
Nachteilig:
- Berücksichtigt nicht die kombinierten Auswirkungen von Frequenz und Wellenform.
2. Flimmern-Index
Der Flicker-Index wird anhand der Bereiche 1 und 2 ermittelt, die die Bereiche unter der Wellenform oberhalb und unterhalb des durchschnittlichen Lichtpegels darstellen.
Anwendungen:
- Besser geeignet für die Analyse der Stabilität von Wellenformen, insbesondere für komplexe Lichtquellen-Wellenformen.
- Wird in Szenarien verwendet, die eine Bewertung der Wellenform-Energieverteilung erfordern, wie z.B. bei LED-Beleuchtungstests.
Vorteile:
- Bietet im Vergleich zu Percent Flicker eine genauere Darstellung der Wellenformeigenschaften.
Nachteilig:
- Weniger empfindlich gegenüber Frequenzschwankungen.
3. SVM（Stroboskopische Sichtbarkeitsmessung）
Definition und Formel von SVM
Das Stroboskopische Sichtbarkeitsmaß (SVM) ist ein Messstandard, der speziell für hochfrequentes Flimmern im Bereich von 80 Hz bis 2 kHz entwickelt wurde. Die von der CIE TN006-2016 vorgeschlagene SVM zielt darauf ab, die Auswirkungen von hochfrequentem Flimmern auf das dynamische Sehen zu quantifizieren, insbesondere bei Anwendungen mit schnellen Bewegungen.
Diese Metrik verwendet ein mathematisches Modell, um die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber hochfrequentem Flimmern zu quantifizieren und ermöglicht es Ingenieuren, die dynamische Leistung von Lichtquellen oder Displays zu bewerten. Durch die Bereitstellung eines standardisierten Ansatzes hilft SVM bei der Optimierung von Beleuchtungs- und Displaytechnologien für Umgebungen, in denen Bewegungsklarheit entscheidend ist.
Anwendungen:
- Display-Tests: Bewertet die dynamische visuelle Leistung von Displays mit hoher Aktualisierungsrate (z. B. OLED- oder LCD-Panels).
- Industrielle Beleuchtung: Testet Beleuchtungskörper, die in Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien verwendet werden, um Flimmern bei der Beobachtung von sich bewegenden Objekten zu vermeiden.
- Stellt sicher, dass Flickereffekte die Sicherheit und Effizienz in Szenarien wie mechanischen Vorgängen oder Verkehrssystemen nicht beeinträchtigen.
Cm: Fourier-Komponente des Lichtsignals bei einer bestimmten Frequenz.
Sm: Gewichtete Empfindlichkeit des menschlichen Auges für diese Frequenz.
C1: Fourier-Komponente bei der Referenzfrequenz
Vorteile:
- Eng an die Modelle der menschlichen visuellen Wahrnehmung angelehnt, was die realen Auswirkungen von hochfrequentem Flimmern auf das Sehen genau widerspiegelt.
- Besonders geeignet für Hochgeschwindigkeits-Display-Technologien (z.B. Displays mit Bildwiederholraten von 120 Hz oder höher) und andere Hochfrequenz-Lichtquellen.
- Im Gegensatz zu PstLM, das auf niederfrequentes Flimmern unter statischen Beobachtungsbedingungen abzielt, ist SVM speziell für Flimmertests unter sich schnell bewegenden Szenarien konzipiert.
4. PstLM（Kurzzeit-Lichtmodulations-Anzeige）
PstLM ist ein von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) vorgeschlagener Indikator zur Quantifizierung der Auswirkungen von niederfrequentem Flimmern (im Bereich von 0,3 Hz bis 80 Hz) auf die menschliche visuelle Wahrnehmung. Ihr Hauptzweck ist es zu beurteilen, ob kurzfristige Flimmereffekte den Sehkomfort beeinträchtigen.
Fi: Die gewichtete Komponente von Flimmereffekten, basierend auf der Wahrnehmungsgewichtung der beobachteten Frequenzkomponenten.
N: Die Gesamtzahl der Frequenzproben, die während der Testdauer gesammelt wurden.
PstLM wird anhand von Daten berechnet, die mit einem Flickermessgerät erfasst wurden, wobei die Ergebnisse die Wahrnehmbarkeit von Flickereffekten einer Lichtquelle widerspiegeln.
Anwendungen:
- Testen von Beleuchtungsprodukten: Bewertet die Flickerleistung von LED-Leuchten und Dimmern, um die Einhaltung internationaler Flicker-Sicherheitsstandards (z.B. IEC 61000-3-3) zu überprüfen.
- Überwachung des Stromnetzes: Erkennt die Auswirkungen von Spannungsschwankungen auf das Flimmern der Lichtquelle und sorgt so für die Stabilität der Lichtquelle.
- Untersucht die möglichen Auswirkungen von niederfrequentem Flimmern auf das menschliche Auge und das Nervensystem.
Vorteile:
- Bietet präzise Daten zur Untermauerung der visuellen Auswirkungen von Schwankungen bei niedrigen Frequenzen.
- Ergänzt die dynamischen Hochfrequenztests von SVM durch die Konzentration auf niederfrequente Bedingungen in statischen Beobachtungsszenarien.
Tabelle 2: Vergleich der Flickermessmethoden
| Method | Percent Flicker | Flicker Index | SVM | PstLM |
|---|---|---|---|---|
| Definition | Illuminating Engineering Society (IES), North America | Illuminating Engineering Society (IES), North America | PHILIPS & CIE TN 006:2016 | International Electrotechnical Commission (IEC) |
| Key Focus | Emphasizes relative waveform amplitude changes | Emphasizes waveform area ratio changes | Uses Fourier transform (time domain → frequency domain) combined with human visual frequency perception | Evaluates low-frequency flicker effects in the range of 0.3 Hz to 80 Hz |
| Indicator Range | 0% ~ 100%; smaller percentage → less flicker | 0 ~ 1; smaller value → less flicker | SVM ≤ 0.9 (before Sep 1, 2024); SVM ≤ 0.4 (after Sep 1, 2024) | PstLM < 1: Flicker not perceptible; PstLM = 1: 50% of people perceive flicker; PstLM > 1: Flicker noticeable |
| Measurement Characteristics | Simple and easy to use, suitable for quickly determining flicker levels | Provides a more accurate description of overall waveform stability; sensitive to low-frequency effects | Specifically designed for high-frequency flicker; strong dynamic analysis capabilities | Precisely quantifies short-term flicker effects; focuses on human visual perception |
| Applicable Scenarios | LED lighting, basic display testing | High-quality lighting, medical display testing | High-refresh-rate displays, high-speed motion environment lighting | LED luminaires, dimming devices, power system monitoring |
| Common Applications | Dimming detection of LED luminaires, low-frequency fluctuation testing of displays | Analysis of surgical lighting, office lighting performance | Testing OLED high-refresh displays, automotive lighting evaluation | Stability testing of LED lighting, voltage fluctuation impact on light sources |
Schnittstelle zur Flickermessung
Identifizierbare Flimmerrisiko-Zone
Methoden der Frequenzbereichsanalyse
1. JEITA-Standards
Die JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) hat eine Methode zur Flickermessung für Bildschirme entwickelt, die sich auf die Frequenzbereichsanalyse konzentriert. Dieser Standard bewertet insbesondere hochfrequente Flimmereffekte, wie sie vom menschlichen Auge wahrgenommen werden.
Frequenzbereichsanalyse:
- Die JEITA-Standards basieren auf der schnellen Fourier-Transformation (FFT), die Lichtsignale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umwandelt.
- Es analysiert die Energie jeder Frequenzkomponente des Signals und wendet eine gewichtete Verarbeitung auf jede Frequenz an.
- Die Gewichtungswerte werden entsprechend der Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Frequenzen (Wahrnehmungskurve) festgelegt.
Wichtige Metriken:
Die Messergebnisse werden in der Regel als Gesamtenergie der gewichteten Frequenzen ausgedrückt, um die wahrgenommene Wirkung von hochfrequentem Flimmern auf das menschliche Auge zu quantifizieren.
Anwendungsszenarien:
Wird für dynamische Leistungstests von Displays, einschließlich LCD- und OLED-Panels, verwendet.
2. VESA-Normen
Die VESA (Video Electronics Standards Association) ist eine internationale Organisation, die sich auf die Prüfung der Leistungsfähigkeit von Bildschirmen konzentriert. Die VESA-Methode zur Flickermessung baut auf dem JEITA-Rahmenwerk auf und erweitert dessen Anwendbarkeit auf eine breitere Palette von Display-Technologien, insbesondere bei der Bewertung des dynamischen Kontrasts und der hohen Bildwiederholfrequenz.
Häufigkeitsgewichtung:
- Ähnlich wie die JEITA-Methode verwendet auch die VESA die FFT (Fast Fourier Transform) für die Analyse des Frequenzbereichs.
- Der Hauptunterschied liegt im breiteren und anpassungsfähigeren Gewichtungsbereich von VESA, der für die meisten Display-Technologien geeignet ist, einschließlich LCD, Mini-LED und OLED.
Testen des dynamischen Kontrasts:
Kombiniert Flimmereffekte mit Kontrastschwankungen in dynamischen Szenen und bewertet so die Leistung eines Bildschirms bei der Wiedergabe von sich schnell bewegenden Bildern.
Anwendungsszenarien:
- Flimmer- und Kontrasttests für High Dynamic Range (HDR)-Displays.
- Anwendbar auf eine breite Palette von Display-Technologien, wie OLED, QLED und Micro-LED.
Tabelle 3: Vergleich von JEITA- und VESA-Standards
| Feature | JEITA | VESA |
|---|---|---|
| Testing Scope | High-frequency flicker | High-frequency flicker + dynamic contrast |
| Weighting | Based on human eye perception curves | Broader weighting range, adaptable to more technologies |
| Applicable Technologies | LCD, OLED displays | LCD, OLED, HDR, and high-refresh-rate displays |
| Advantages | Precisely captures flicker closely related to human perception | More universal testing framework suitable for various display technologies |
| Challenges | High computational demand, requires efficient testing equipment | Complex testing framework with high requirements for dynamic content testing |
Flackernde digitale statische Textur.
uFlicker Software: Die ideale Lösung für Flicker-Tests
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Display- und Beleuchtungstechnologien sind Flimmereffekte zu einem entscheidenden Indikator für die Bewertung der Produktqualität geworden. Von grundlegenden Messungen wie Percent Flicker und Flicker Index bis hin zu fortschrittlicheren Methoden wie SVM helfen genaue Flickertests den Ingenieuren, Probleme zu erkennen und das Design zu verbessern, um den Benutzern letztendlich ein komfortableres und stabileres visuelles Erlebnis zu bieten.
Hauptmerkmale der uFlicker Software
Die uFlicker-Software von UPRtek ist mit einer Vielzahl von Teststandards (Percent Flicker, Flicker Index, SVM und PstLM) kompatibel und kombiniert die folgenden Hauptmerkmale:
1. Echtzeit-Wellenform- und Spektrumsvisualisierung:
- Ermöglicht die Analyse von Lichtsignalen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich und hilft so, die Ursachen von Flimmern genau zu identifizieren.
- Die Merkmale der Wellenform (wie Symmetrie und Amplitudenvariation) zeigen deutlich die Stabilität des Lichtsignals.
2. Umfassende Bewertung des Einflusses der Amplitude auf Flicker:
- Analysiert das Maximum, das Minimum und die Form von Wellenformen, um die kombinierten Auswirkungen von Amplitudenänderungen auf Flickereffekte zu bewerten.
- Hilft Ingenieuren bei der Optimierung von Dimmstrategien für Lichtquellen und gewährleistet die Produktstabilität bei unterschiedlichen Helligkeitsbedingungen.
3. Einfluss der Wellenformeigenschaften auf die Flickerbewertung:
- Symmetrie der Wellenform: Beeinflusst die intuitive Wahrnehmung von Flimmern; asymmetrische Wellenformen verursachen eher Sehstörungen.
- Wellenform Frequenz und Amplitude: Hochfrequente Wellenformen sind für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar, aber niederfrequente Schwankungen, insbesondere mit hoher Amplitude, beeinträchtigen den Komfort erheblich.
- Wellenform Lichtintensitätsverteilung: Analysiert das Hell-Dunkel-Verhältnis innerhalb der Wellenform (z.B. die Unterschiede zwischen Spitzen- und Tiefstwerten), was sich direkt auf die Bewertungsdaten von Prozent Flicker und Flicker Index auswirkt.
4. Multi-Parameter-Testmöglichkeiten:
Bietet detaillierte Wellenformparameter (Spitzenwert, Tiefstwert, Wellenformbereich) und integriert automatische Datenverarbeitungsfunktionen für die schnelle Erstellung visueller Berichte.
5. Umfassende Flicker-Tests und -Diagnosen:
- Bewertet die kombinierte Auswirkung von Amplitude und Frequenz, um die Leistung von Lichtquellen gemäß den internationalen Standards genau zu kategorisieren.
- Integriert Niederfrequenzbewertungen (PstLM) und Hochfrequenzanalysen (SVM), um Flickertests über den gesamten Frequenzbereich durchzuführen.
uFlicker Software – ein vielseitiges Tool, das speziell für Flickertests entwickelt wurde, präzise und umfassend.
Die uFlicker-Software bietet umfassende Flickertests und professionelle Analysen und definiert damit die Standards für optische Messungen neu.
Die Wahl von uFlicker Software verbessert nicht nur die Testeffizienz, sondern sichert auch die Produktqualität. Mit seinen umfassenden Testfunktionen, der präzisen Wellenformanalyse und der Bewertung des Amplitudeneinflusses unterstützt es Ingenieure bei der Entwicklung hochwertiger Produkte, die internationalen Standards entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht die gründliche Analyse der Wellenformcharakteristiken der Software eine effektive Diagnose von Flickerproblemen und liefert wichtige Daten für das Design und die Leistungsoptimierung von Lichtquellen.
Ressourcen:
IES. (2011). The IES Lighting Handbook, 10. Ausgabe. Illuminating Engineering Society of North America.
IEEE Standards Association. (2015). IEEE PAR1789-2015: Recommended Practice for Modulating Current in High Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers. IEEE.
Miller, N. J. (2012). Vergleichende Analyse der Schwellenwerte für die Flimmerwahrnehmung im Kontext der allgemeinen Beleuchtung. Lighting Research and Technology, 44(3), 213-223.
Wilkins, A. J., Veitch, J. A., & Lehman, B. (2010). LED-Beleuchtungsflimmern und mögliche gesundheitliche Bedenken: IEEE Standard PAR1789 Update. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
CIE (Commission Internationale de l’Éclairage). (2019). CIE TN 006:2019 – Visuelle Aspekte von zeitmodulierten Beleuchtungssystemen. CIE.
Flicker Sense LED-Bildschirme, https://www.flickersense.org/background/led-screens
Die gesundheitlichen Auswirkungen von flackerndem Licht, https://www.flickersense.org/
Internationale Kommission für Beleuchtung https://etc.csu.edu.tw/flicker/
Heißes Produkt
Handbuch-Serie
Das Flicker-Handbuch
Alles, was Sie über Flimmern wissen müssen, ein heimtückisches, potenziell schwerwiegendes Beleuchtungsartefakt, das die visuelle Sicherheit an öffentlichen Orten wie Krankenhäusern, Büros, Bibliotheken und mehr beeinträchtigt ...
Über UPRtek
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