За достижениями технологий: как эффекты мерцания влияют на дисплеи и осветительные приборы
Введение
Основная цель технологии дисплеев — обеспечить высокий визуальный комфорт и более точную цветопередачу. Мерцание стало критической метрикой для оценки качества дисплеев и осветительных приборов. Мерцание не только влияет на зрительный комфорт, но и представляет потенциальный риск для эффективности выполнения зрительных задач и здоровья.
В этой статье мы рассмотрим научные теории, лежащие в основе эффектов мерцания, методы измерения и технические проблемы, возникающие в инженерных приложениях. Мы также проанализируем, как различные стандарты измерения могут быть использованы для повышения качества продукции.
Эта статья включает в себя следующие темы:
- Физические и физиологические основы эффекта мерцания
- Влияние мерцания на зрение и здоровье
- Методы и стандарты измерения эффектов мерцания
- Методы анализа в частотной области
- Программное обеспечение uFlicker: Идеальное решение для тестирования фликера
Физическая и физиологическая основа эффектов мерцания
Мерцание — это явление, вызванное временными колебаниями световых сигналов, с широким спектром последствий, в первую очередь связанных с колебаниями напряжения в драйверах источников света и технологиями диммирования. Его можно разделить на три основных эффекта:
- Низкочастотное видимое мерцание
- Световые колебания с частотой ниже 80 Гц.
- Легко воспринимается статичными наблюдателями, что приводит к зрительному утомлению, головным болям и даже нервному напряжению.
- Часто встречается в нестабильных источниках питания или светодиодном освещении с низкочастотным ШИМ диммированием.
- Высокочастотный стробоскопический эффект
- Световые колебания с частотой от 80 Гц до 2 кГц.
- Влияет на восприятие движущихся объектов в динамических условиях, например, эффект колеса-вагонетки или размытие движения.
- Часто возникает при промышленном освещении или на дисплеях с высокой частотой обновления, влияя на динамические визуальные характеристики.
- Эффект фантомного массива
- Световые колебания с частотой более 2 кГц, которые при определенных условиях движения могут создавать визуальные артефакты, такие как множественные следы изображения.
- Хотя она встречается реже, она может повлиять на работу пользователя в условиях высокоскоростного движения.
Таблица 1: Классификация явлений мерцания
| 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. |
Стробоскопическая съемка вращения велосипедной шины.
Влияние мерцания на зрение и здоровье
Чувствительность человека к мерцанию тесно связана с возможностями временного разрешения сетчатки и нервной системы. Исследования показали, что низкочастотное мерцание, особенно в диапазоне 15-20 Гц, является наиболее заметным и может привести к следующим проблемам:
- Зрительная усталость и головные боли: Длительное пребывание в условиях низкочастотного мерцания увеличивает нагрузку на аккомодацию зрительной системы.
- Визуальные помехи: Мерцание может нарушить способность читать текст и различать мелкие детали на изображениях.
- Неврологические и психологические эффекты: Люди с фоточувствительной эпилепсией могут быть особенно уязвимы к мерцающим стимулам.
Восприятие мерцания человеческим глазом сильно зависит от частоты:
- Ниже 70 Гц: Эффект мерцания легко воспринимается и может существенно повлиять на здоровье и поведение зрителей.
- Выше 70 Гц: Эффект мерцания обычно незаметен, с минимальными визуальными помехами.
Более того, большинство поведенческих воздействий сосредоточено на низкочастотных амплитудных эффектах в статических условиях. Эти амплитудные колебания особенно заметны, вызывая зрительное утомление у неподвижных наблюдателей.
Длительное воздействие низкочастотного мерцания может вызвать зрительную усталость и головную боль
Методы и стандарты измерения эффектов мерцания
Основные параметры измерения
Измерения фликера основаны на характеристиках световых сигналов во временной и частотной областях. Основные параметры включают:
1. Процент мерцания:
Где A представляет собой максимальное значение яркости, а B — минимальное значение яркости.
Приложения:
- Подходит для быстрого определения степени колебаний источника света.
- Обычно используется для проверки базовой стабильности источников света.
Преимущества:
- Простой расчет, что делает его идеальным для встраиваемых систем.
Недостатки:
- Не учитывает комбинированное воздействие частоты и формы волны.
2. Индекс мерцания
Индекс мерцания определяется с помощью Зоны 1 и Зоны 2, которые представляют собой области под формой волны выше и ниже среднего уровня освещенности.
Приложения:
- Больше подходит для анализа стабильности форм сигналов, особенно для сложных форм сигналов источника света.
- Используется в сценариях, требующих оценки распределения энергии по форме волны, например, при испытаниях светодиодного освещения.
Преимущества:
- Обеспечивает более точное представление характеристик формы волны по сравнению с процентным мерцанием.
Недостатки:
- Менее чувствительны к колебаниям частоты.
3. SVM（Stroboscopic Visibility Measure）
Определение и формула SVM
Стробоскопическая мера видимости (SVM) — это стандарт измерения, специально разработанный для высокочастотных мерцаний в диапазоне от 80 Гц до 2 кГц. Предложенная CIE TN006-2016, SVM призвана количественно оценить влияние высокочастотного мерцания на динамическое зрение, особенно в приложениях, связанных с быстро движущимися сценариями.
Эта метрика использует математическую модель для количественной оценки чувствительности человеческого глаза к высокочастотному мерцанию, позволяя инженерам оценить динамические характеристики источников света или дисплеев. Обеспечивая стандартизированный подход, SVM помогает оптимизировать технологии освещения и отображения для сред, где четкость движения имеет решающее значение.
Приложения:
- Тестирование дисплеев: Оценивает динамические визуальные характеристики дисплеев с высокой частотой обновления (например, OLED или ЖК-панелей).
- Промышленное освещение: Проверяет осветительные приборы, используемые на высокоскоростных производственных линиях, на отсутствие помех от мерцания при наблюдении за движущимися объектами.
- Гарантирует, что эффекты мерцания не снижают безопасность и эффективность в таких сценариях, как механические операции или системы движения.
Cm: Компонент Фурье светового сигнала на определенной частоте.
Sm: Взвешенная чувствительность человеческого глаза к данной частоте.
C1: Компонент Фурье на опорной частоте
Преимущества:
- Близко соответствует моделям зрительного восприятия человека, точно отражая реальное воздействие высокочастотного мерцания на зрение.
- Особенно подходит для технологий высокоскоростных дисплеев (например, дисплеев с частотой обновления 120 Гц или выше) и других высокочастотных источников света.
- В отличие от PstLM, которая нацелена на низкочастотное мерцание в статичных условиях наблюдения, SVM специально разработана для тестирования мерцания в быстро движущихся сценариях.
4. PstLM（Short-Term Light Modulation Indicator）
PstLM — это показатель, предложенный Международной электротехнической комиссией (IEC) для количественной оценки влияния низкочастотного мерцания (в диапазоне от 0,3 до 80 Гц) на зрительное восприятие человека. Его основная цель — оценить, мешают ли кратковременные эффекты мерцания зрительному комфорту.
Fi: Взвешенный компонент эффекта мерцания, основанный на перцептивном взвешивании наблюдаемых частотных компонентов.
N: Общее количество частотных образцов, собранных за время проведения теста.
PstLM рассчитывается на основе данных, собранных фликер-метром, результаты которого отражают восприимчивость эффекта мерцания от источника света.
Приложения:
- Тестирование светотехнической продукции: Оценивает характеристики мерцания светодиодных светильников и устройств диммирования для проверки соответствия международным стандартам безопасности мерцания (например, IEC 61000-3-3).
- Мониторинг системы электропитания: Определяет влияние колебаний напряжения на мерцание источника света, обеспечивая стабильность работы источника света.
- Исследует потенциальное воздействие низкочастотного мерцания на человеческий глаз и нервную систему.
Преимущества:
- Обеспечивает точные данные, подтверждающие визуальное воздействие низкочастотных колебаний.
- Дополняет высокочастотное динамическое тестирование SVM, фокусируясь на низкочастотных условиях в статических сценариях наблюдения.
Таблица 2: Сравнение методов измерения фликера
| 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 |
Интерфейс для измерения мерцания
Определяемая зона риска мерцания
Методы анализа в частотной области
1. Стандарты JEITA
JEITA (Японская ассоциация индустрии электроники и информационных технологий) разработала метод измерения мерцания для дисплеев, сфокусированный на анализе в частотной области. Этот стандарт особенно оценивает высокочастотные эффекты мерцания, воспринимаемые человеческим глазом.
Анализ в частотной области:
- Стандарты JEITA основаны на быстром преобразовании Фурье (БПФ), преобразующем световые сигналы из временной области в частотную.
- Он анализирует энергию каждого частотного компонента в сигнале и применяет взвешенную обработку к каждой частоте.
- Значения весов устанавливаются в соответствии с чувствительностью человеческого глаза к различным частотам (кривая восприятия).
Ключевые метрики:
Результаты измерений обычно выражаются в виде суммарной энергии взвешенных частот, количественно определяя воспринимаемое воздействие высокочастотного мерцания на человеческий глаз.
Сценарии применения:
Используется для динамического тестирования производительности дисплеев, включая ЖК- и OLED-панели.
2. Стандарты VESA
VESA (Video Electronics Standards Association) — это международная организация, занимающаяся тестированием производительности дисплеев. Метод измерения мерцания VESA основан на концепции JEITA, что расширяет его применимость к более широкому спектру дисплейных технологий, особенно в оценках динамической контрастности и высокой частоты обновления.
Взвешивание частоты:
- Подобно методу JEITA, VESA также использует БПФ (быстрое преобразование Фурье) для анализа частотной области.
- Ключевое отличие заключается в более широком и адаптируемом диапазоне весов VESA, что делает его подходящим для большинства технологий дисплеев, включая LCD, Mini-LED и OLED.
Динамическое контрастное тестирование:
Сочетает эффекты мерцания с изменением контрастности в динамичных сценах, оценивая производительность дисплея при отображении быстро движущихся изображений.
Сценарии применения:
- Тестирование мерцания и контрастности для дисплеев с высоким динамическим диапазоном (HDR).
- Применим к широкому спектру технологий дисплеев, таких как OLED, QLED и Micro-LED.
Таблица 3: Сравнение стандартов JEITA и VESA
| 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 |
Мерцающая цифровая статичная текстура.
Программное обеспечение uFlicker: Идеальное решение для тестирования мерцания
С постоянным развитием технологий отображения и освещения эффект мерцания стал важнейшим показателем для оценки качества продукции. От базовых измерений, таких как процент мерцания и индекс мерцания, до более продвинутых методов, таких как SVM, точное тестирование мерцания помогает инженерам выявить проблемы и улучшить дизайн, в конечном итоге обеспечивая пользователям более комфортные и стабильные визуальные ощущения.
Основные возможности программного обеспечения uFlicker
Программное обеспечение uFlicker от UPRtek совместимо с различными стандартами тестирования (Percent Flicker, Flicker Index, SVM и PstLM) и сочетает в себе следующие ключевые моменты:
1. Визуализация формы волны и спектра в реальном времени:
- Обеспечивает анализ световых сигналов как во временной, так и в частотной области, помогая пользователям точно определить основные причины мерцания.
- Характеристики формы волны (такие как симметрия и изменение амплитуды) наглядно демонстрируют стабильность светового сигнала.
2. Всесторонняя оценка влияния амплитуды на мерцание:
- Анализирует максимальную, минимальную и форму формы волны, чтобы оценить совокупное влияние изменения амплитуды на эффект мерцания.
- Помогает инженерам оптимизировать стратегии диммирования источников света, обеспечивая стабильность продукта при различных условиях яркости.
3. Влияние характеристик формы волны на оценку фликера:
- Симметрия формы волны: Влияет на интуитивное восприятие мерцания; асимметричные формы волны с большей вероятностью вызовут зрительные расстройства.
- Частота и амплитуда формы волны: Высокочастотные колебания не воспринимаются человеческим глазом, но низкочастотные колебания, особенно с высокой амплитудой, значительно влияют на комфорт.
- Распределение интенсивности света в форме волны: Анализирует соотношение света и темноты в форме волны (например, разницу между пиком и впадиной), непосредственно влияя на данные оценки Процент мерцания и Индекс мерцания.
4. Возможность многопараметрического тестирования:
Предоставляет подробные параметры формы волны (пиковое значение, значение впадины, площадь формы волны) и интегрирует функции автоматической обработки данных для быстрого создания визуальных отчетов.
5. Комплексное тестирование и диагностика мерцания:
- Оценивает комбинированное воздействие амплитуды и частоты, чтобы точно классифицировать работу источника света в соответствии с международными стандартами.
- Интеграция низкочастотных оценок (PstLM) и высокочастотного анализа (SVM) позволяет проводить испытания на мерцание во всем диапазоне частот.
Программное обеспечение uFlicker — универсальный инструмент, разработанный специально для тестирования мерцания, точный и всеобъемлющий.
Программное обеспечение uFlicker обеспечивает всестороннее тестирование мерцания и профессиональный анализ, переопределяя стандарты оптических измерений.
Выбор программного обеспечения uFlicker Software не только повышает эффективность тестирования, но и обеспечивает качество продукции. Благодаря комплексным функциям тестирования, точному анализу формы волны и оценке воздействия амплитуды, он помогает инженерам создавать высококачественные продукты, соответствующие международным стандартам. Кроме того, глубокий анализ характеристик формы волны позволяет программному обеспечению эффективно диагностировать проблемы мерцания, предлагая критически важные вспомогательные данные для проектирования источника света и оптимизации его производительности.
Ресурсы:
IES. (2011). Справочник по освещению IES, 10-е издание. Illuminating Engineering Society of North America.
Ассоциация стандартов IEEE. (2015). IEEE PAR1789-2015: Recommended Practice for Modulating Current in High Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers. IEEE.
Миллер, Н. Дж. (2012). Сравнительный анализ порогов восприятия мерцания в контексте общего освещения. Исследования и технологии освещения, 44(3), 213-223.
Wilkins, A. J., Veitch, J. A., & Lehman, B. (2010). Мерцание светодиодного освещения и потенциальные проблемы со здоровьем: Обновление стандарта IEEE PAR1789. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
CIE (Commission Internationale de l’Éclairage). (2019). CIE TN 006:2019 — Визуальные аспекты систем освещения с временной модуляцией. CIE.
Светодиодные экраны Flicker Sense, https://www.flickersense.org/background/led-screens
Влияние мерцающего света на здоровье, https://www.flickersense.org/
Международная комиссия по освещению https://etc.csu.edu.tw/flicker/
Горячий продукт
серия справочников
Руководство по мерцанию
Все, что вам нужно знать о мерцании, коварном и потенциально серьезном световом артефакте, влияющем на визуальную безопасность в общественных местах, таких как больницы, офисы, библиотеки и т. д.
О УПОТЭКе
United Power Research and Technology
UPRtek (2010) - производитель портативных высокоточных приборов для измерения освещенности; ручных спектрометров, ПАР-метров, спектрорадиометров, светокалибровочных решений.
Штаб-квартира UPRtek, НИОКР и производство расположены за пределами Тайваня, с мировым представительством через наших сертифицированных глобальных реселлеров.
UPRTEK НА ВЫСТАВКЕ TOUCH TAIWAN 2025 - ОТКРОЙТЕ ДЛЯ СЕБЯ НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕРЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ
Присоединяйтесь к нам на стенде L412 | 16-18 апреля 2025 | Выставочный центр Taipei Nangang
Последние статьи
Категория
0 Комментариев