LED智能照明中涉及的幾個視覺問題

沈海平

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

LED智能照明中涉及的幾個視覺問題

沈海平

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

LED智能照明技術的應用越來越普及。本文主要介紹了LED智能照明中涉及的三個主要視覺問題：照明水平問題、色溫選擇問題及頻閃效應問題，并從視功能和舒適性的角度分析了各自的技術要求。這些具體的技術要求對于設計師在進行具體產品及工程設計時具有指導意義。

智能照明；視覺；LED

引言

LED由于其優良的光色電可控性，成為智能照明完美的光源。從另一角度講，也正是這幾年LED技術的快速發展及其應用的普及，使得智能照明也得到了迅猛的發展。目前LED智能照明技術被廣泛應用于辦公照明、景觀照明、智能家居照明及道路照明等多個領域。

無論是一般照明還是智能照明，最終服務的主體都是人，對人而言，視覺的安全性與舒適性是至關重要的。很多產品工程師往往多關注電子控制系統的設計，忽略了視覺方面的要求或是對這方面要求不是非常了解，最終產品達不到要求，無法實現良好的照明效果。

對于LED智能照明而言，必須從源頭，即人的視覺需求出發，開展系統的頂層設計及產品的技術細節設計。本文就LED智能照明中所涉及到的幾個主要視覺問題作簡要介紹與分析，以期達到拋磚引玉的效果，讓更多的業界工作者了解智能照明中的視覺需求，并發掘出更多智能照明中新出現的視覺問題。

1 調光

LED智能照明涉及最多的應是調光，即調節光源的光輸出，從而使得光環境中的照度或亮度調到所需的水平。不同的應用場合對于照明水平的要求是不一樣的，表1列出了各種場合和活動形式下的照度推薦值[1]。

需要注意的是，上述照度推薦值只是對一般情況而言的。實際的照明水平要求其實很復雜，與具體所處的環境、作業要求和不同的人都有關系，如在某些情況下，作業對象的反射率或對比度特別低，作業出錯會付出昂貴代價，或工作者的視覺能力低于正常人，則應采用比表中推薦值更高的照度，而反之則可采用低于推薦值的照度；又如道路照明中，交通流量大時可采用更高的照度，老年人也比年輕人需要更高的照明水平[2]，但這方面的具體照明值目前還沒有廣泛采用的標準，國際照明委員會的相關研究工作也在開展中。

表1 各種場合和活動形式的推薦照度值

如果照明要求以亮度值描述，圖1中列出了一般情況下各種應用環境的推薦亮度值，由于亮度與觀察物的反射率息息相關，因此對于智能照明控制系統而言，往往需要針對具體照明場景進行亮度標定，從而得到各調光等級所對應的目標亮度值。

圖1 各種場合的推薦亮度值Fig.1 Recommended luminance for various application areas

2 調色

對于普通照明場景而言，調色往往只涉及色溫調節。LED調色一般可采用雙光源法，即燈具中同時安裝CCT1、CCT2高低兩種色溫的LED光源，分布控制其光輸出比例并進行混光，即可實現在CCT1～CCT2范圍內的色溫調節，并同時實現調光。另外也可采用RGB法，即采用紅、綠、藍三色LED，同樣進行各自比例控制混光，得到比較大范圍的色溫調節。雙光源法由于成本、可控性方面的優勢，目前用得較多。

色溫可以粗放地分為冷白、中性白、暖白三類，為了使照明達到良好效果，色溫必須與應用場合及其照明水平相適應。一般說來，在照度水平較低時，曖色光讓人感到舒適；而在高照度情況下，冷色光照明可獲得舒適的效果；在白天需要補充自然光的場合，也應選用高色溫；對于攝影或彩色電視轉播的場所，則要根據攝像器材的要求來選擇色溫。圖2所示為對于色溫、照度與舒適性關系的研究結果，可從中獲得對應不同照度水平下的適宜色溫[1]。

圖2 色溫、照度與舒適性的關系Fig.2 Relationship between color temperature, illuminance and comfortbility

同樣，圖2中所描述的也只是針對一般情況，對于一些特殊的應用場合，可能會與上述區域偏離，甚至出現有色光(非白光)的調色需求。另外，不同人群對于色溫有著不同的偏好性[3]，不同應用場景下的色溫偏好性研究也是目前照明領域研究熱點。

顯色性往往不是調色過程中的目標控制量，但色溫的調節往往伴隨著顯色性的變化。對于雙光源法，混色的顯色指數一般變化不大，基本在原光源的兩端變化。但對于RGB法調光的光源，則可能會出現較大偏差，這在調色算法中及具體控制電路實現時需特別注意。

3 調頻

目前市面上的LED調光很多是采用PWM調制方式，即LED驅動是采用PWM脈沖方式驅動而非恒流驅動，通過調節占空比實現等效光輸出的變化。脈沖調制驅動的LED必然發出脈沖調制變化的光，從而產生頻閃效應。早在19世紀，Talbot[4]和Plateau[5]的研究發現，當頻閃光的閃爍頻率高于臨界融合頻率時，人眼感知的視覺亮度與該頻閃光的平均亮度一致，該效應也稱為Talbot-Plateau效應，LED PWM調光正式利用了該效應。但近年來也有研究者發現[6, 7]：對于占空較小(5%或10%)的LED PWM脈沖光，人眼觀察時所產生的視亮度感知比恒流條件下Talbot-Plateau等效亮度要高，這表明人眼內部存在針對低占空比脈沖光的非線性過程。

頻閃光有可能會對人造成視功能和舒適度方面的負面影響，比如：視覺疲勞、視力模糊、頭痛、惡心等；在體育場館，頻閃光照明的運動物體更不容易被看清；對于光敏性癲癇癥患者，低頻高波動的頻閃光可能會誘導癲癇發作；對于攝像或攝影場合，有可能出現明暗條紋。

頻閃光對人的影響取決于閃爍頻率和波動深度(即最亮點與最暗點之間的相對差異)。就頻率而言，通常人眼對于光波動性的敏感頻率在低頻范圍，如2.5～15 Hz之間的頻閃光最容易讓人感覺不適，通常頻率越高，相同波動深度所來的頻閃感覺就越小。同樣頻率條件下，波動深度越大頻閃效應越嚴重。國際電氣和電子工程師協會標準IEEE PAR 1789規定了不同閃爍頻率下的波動深度要求(圖3)[8]。

圖3 IEEE PAR 1789規定的頻閃低風險和無影響區域Fig.3 Low risk and no influence area for flicker defined in IEEE PAR 1789

圖3中波動深度被定義為：

式中A為一個周期內光輸出的最大值，B為一個周期內光輸出的最小值，如圖4所示。

圖4 波動深度的定義Fig.4 Definition of percent flicker

從圖3也可發現，對于間隔點亮(即最小光輸出為0，波動深度100%)的PWM調光，調制頻率應超過1 kHz才被認為是低風險的。

4 總結

本文主要介紹了涉及LED智能照明設計中的三個主要視覺問題：調光(照明水平)、調色(色溫選擇)及調頻(頻閃效應)。從視功能和舒適性的角度分析了各自的技術要求。調光應根據具體的應用場合、所處環境、作業要求和不同的人進行等級設計；調色必須與應用場合及其照明水平相適應；調頻則應根據調制頻率限定其波動深度。

此外，本文還介紹了這三個領域內目前的一些研究方向。總體來說，對于動態光的光色視覺特性研究遠沒有靜態光成熟，很多靜態光條件下的研究結果不一定適用于動態光環境。隨著智能照明技術的應用普及，還有很多領域亟待探索。

[1] 周太明，等. 照明設計——從傳統光源到LED. 上海:復旦大學出版社, 2015.

[2] SCHLANGEN L J M, et al. Workplace illumination effects on acuity, performance and well-being in older and young people. CIE 216: 2015.

[3] BODROGI P, et al. Intercultural colour temperature preference of Chinese and European subjects living in Germany. CIE 216: 2015.

[4] TALBOT HF. Experiments on light[J]. Philosophical Magazine Series 3, 1834, 5(29):321-334.

[5] PLATEAU J. Sur un principle de photometrie[J]. Bulletins de l’Académie Royale des Sciences et Belles-lettres de Bruxelles, 1835, 2: 52-59.

[6] JINNO M, MORITA K, TOMITA Y, et al. Effective illuminance improvement of a light source by using pulse modulation and its psychophysical effect on the human eye[J]. Journal of Light & Vision Environment, 2008, 32(2):161-169.

[7] 高維惜,顧鑫,沈海平,等.人眼對于PWM驅動下的LED亮度感知水平的提高[J].照明工程學報,2013,24(3):73-76.

[8] Recommending practices for modulating current in High Brightness LEDs for mitigating health risks to viewers:IEEE PAR1789. IEEE, 2013.

VisualIssuesinLEDIntelligentLighting

SHEN Haiping
(InstituteforElectricLightSources;EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

The LED intelligent lighting technology is now widely used. This paper introduces three main visual issues in the LED intelligent lighting, lighting level, color temperature and flicker effect. Technical requirements for each issue are analyzed, from the perspectives of visual performance and comfortbility. These requirements are useful for engineers in doing their product or project designs.

intelligent lighting; vision; LED

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.018