技術進步的背後:頻閃效應如何影響顯示器與照明產品？
簡介
顯示技術的核心目標在於提供更高的視覺舒適性與更精確的色彩還原。 頻閃效應（Flicker）已成為衡量顯示器與照明產品品質的重要指標之一。 頻閃效應不僅影響視覺舒適度，還對視覺任務效率和健康構成潛在風險。
在這篇文章中，我們將深入探討頻閃效應的科學理論、測量方法與其在工程應用中的技術挑戰。 並分析如何透過多種測量標準提升產品品質。
本篇文章將涵蓋以下主題：
頻閃效應的物理與生理基礎
頻閃效應是一種由光信號隨時間波動產生的現象，其影響範圍廣泛，主要由光源驅動的電壓波動和調光技術所引起。 它可分為三類主要效應：
- 低頻可見閃爍（Visible Flicker）
- 頻率低於 80 Hz 的光波動。
- 易被靜態觀察者察覺，導致視覺疲勞、頭痛，甚至神經緊張。
- 常見於不穩定的電源或低頻 PWM 調光 LED 照明中。
- 高頻頻閃效應（Stroboscopic Effect）
- 頻率介於 80 Hz 至 2 kHz。
- 動態條件下影響運動物體的觀察，如車輪效應或運動模糊。
- 常發生在工業照明或高刷新率顯示中，影響動態視覺表現。
- 幻影效應
- 頻率高於 2 kHz，但在特定運動條件下可能形成多影像的視覺殘留。
- 雖不常見，但在高速運動環境中會影響使用者體驗。
表一、頻閃現象分類表
| 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. |
單車輪胎旋轉的高頻頻閃效應
頻閃對視覺與健康的影響
人眼對頻閃的敏感性與視網膜及神經系統的時間解析能力相關。 研究表明，頻率在 15-20 Hz 的範圍內，低頻閃爍效應最易被察覺，並可能引發以下問題：
- 視覺疲勞與頭痛：長時間暴露於低頻閃爍環境會增加眼睛的調節負擔。
- 視覺干擾：頻閃會影響文字閱讀與細緻圖像的辨識能力。
- 神經與心理影響：有光敏性癲癇的患者可能對頻閃特別敏感。
人眼對頻閃的感知能力與頻率息息相關：
- 70 Hz 以下：頻閃效應容易被察覺，且可能對視覺健康與行為產生影響。
- 70 Hz 以上：頻閃效應通常不可感知，對視覺干擾相對較低。
此外，多數行為影響集中於靜態條件下的低頻振幅效應。 這些振幅波動對靜止觀察者的視覺疲勞影響尤其顯著。
長時間暴露於低頻閃爍環境會導致視覺疲勞與頭痛
頻閃效應的測量方法與標準
基本測量參數
頻閃的測量基於光信號的時域與頻域特性。 核心參數包括：
1. 頻閃百分比（Percent Flicker）
其中 A 為最大亮度值，B 為最小亮度值。
應用：
- 適用於快速檢測光源波動的明顯程度。
- 常用於測試光源的基本穩定性。
優點：
- 計算簡單，適合嵌入式系統。
缺點：
- 未考慮頻率與波形的綜合影響。
2. 頻閃指數（Flicker Index）
頻閃指數使用Area 1與Area 來定義其中 Area 1 和 Area 2 為波形下方的兩個面積。
應用：
- 更適合分析波形的穩定性，特別是複雜波形的光源。
- 用於需要衡量波形能量分佈的場景，如 LED 照明測試。
優點：
- 比 Percent Flicker 更精確地反映波形特性。
缺點：
- 對頻率敏感性較弱。
3. 頻閃可視性量測（Stroboscopic Visibility Measure, SVM）
SVM 定義與公式
SVM 是專為 80 Hz 至 2 kHz 頻率範圍內的高頻頻閃設計的測量標準。 由 CIE TN006-2016 提出，旨在量化高頻頻閃效應對動態視覺的影響，特別是在快速運動場景中的應用。
該指標通過數學模型量化人眼對高頻頻閃的感知程度，幫助工程師評估光源或顯示器的動態性能。 By providing a standardized approach, SVM helps in optimizing lighting and display technologies for environments where motion clarity is critical.
應用：
- 顯示器測試：評估高刷新率顯示器（如 OLED 或 LCD 面板）的動態視覺性能。
- 工業照明：測試高速生產線中的照明燈具，避免頻閃對運動物體觀察的干擾。
- 在動態環境（如機械操作或交通場景）中，確保頻閃效應不影響安全和效率。
Cm：光信號在頻率傅立葉分量。
Sm：人眼對該頻率的敏感度加權值。
C1：基準頻率的傅立葉分量。
優點：
- 與人眼感知模型緊密結合，能準確反映高頻閃爍對視覺的實際影響。
- 特別適合高速運動的顯示技術（如 120 Hz 或更高刷新率的顯示器）及其他高頻光源。
- 與 PstLM 聚焦於低頻的靜態觀察不同，SVM 更適用於快速移動條件下的頻閃測試。
4. 短期頻閃指標（Short-Term Light Modulation Indicator, PstLM）
PstLM是由 國際電工委員會（IEC） 提出的指標，用於量化 0.3 Hz 至 80 Hz 範圍內低頻頻閃效應對人眼感知的影響。 PstLM 的設計初衷是評估短時間內的頻閃效應是否會對視覺舒適性產生干擾。
Fi：頻閃效應的加權分量，基於觀測到的頻率成分進行感知加權。
N：測試時長內的頻率樣本總數。
PstLM 是基於 光度測量儀（Flicker Meter） 收集的數據進行處理和計算，其結果反映了光源頻閃效應的可感知程度。
應用：
- 照明產品測試：評估 LED 燈具和調光設備的頻閃性能，測試光源是否符合國際頻閃安全標準（如 IEC 61000-3-3）。
- 電力系統監控：檢測電壓波動對光源頻閃的影響，保障光源穩定性。
- 研究低頻頻閃對人眼及神經系統的潛在影響。
優點：
- 為低頻波動的視覺影響提供精確的數據支持。
- 針對低頻範圍的靜態觀察情境，與 SVM 的高頻動態測試形成互補。
表二、頻閃量測方法比較表
| 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 |
量測Flicker介面
可判斷Flicker Risk Zone
頻域分析方法
1. JEITA 標準
JEITA（Japan Electronics and Information Technology Industries Association，日本電子與信息技術產業協會）制定了一套針對顯示器頻閃的測量方法。 專注於頻域分析，特別是對人眼感知的高頻頻閃效應進行評估。
頻域分析：
- JEITA 標準基於快速傅立葉變換（FFT）將光信號從時域轉換到頻域。
- 分析信號中各個頻率成分的能量，並對每個頻率進行加權處理。
- 加權值根據人眼對不同頻率的敏感度（感知曲線）進行設置。
關鍵指標：
測量結果通常以加權頻率的總能量來表示，用於量化人眼對高頻頻閃的感知程度。
應用場景：
用於顯示器（LCD、OLED）的動態性能測試。
2. VESA 標準
VESA（Video Electronics Standards Association，視頻電子標準協會）是針對顯示器性能測試的國際性組織。 VESA 的頻閃測試方法進一步拓展了 JEITA 的框架，適用於更廣泛的顯示技術，特別是在動態對比度和高刷新率測試方面。
頻率加權：
- 與 JEITA 方法類似，VESA 也基於 FFT 分析頻域數據。
- 不同之處在於，VESA 的加權值範圍更廣，適應性更強，能夠覆蓋多數顯示技術（如 LCD、Mini-LED 和 OLED）。
動態對比度測試：
將頻閃效應與動態場景下的對比度變化結合，用於評估顯示器在播放快速影像時的表現。
應用場景：
- 高動態範圍（HDR）顯示器的頻閃與對比度測試。
- 適用於廣泛的顯示技術，如 OLED、QLED 和 Micro-LED。
表三、JEITA 與 VESA 的對比
| 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 |
閃爍的數位靜態紋理
uFlicker 軟體是頻閃測試的理想解決方案
在顯示與照明技術的不斷進步中，頻閃效應已成為衡量產品品質的重要指標。 從基礎的頻閃百分比和頻閃指數，到專業的 SVM 測量方法，準確的頻閃測試能夠幫助工程師識別問題並改進設計，為用戶提供更舒適、更穩定的視覺體驗。
uFlicker 軟體的核心功能
UPRtek 的 uFlicker 軟體 不僅兼容多種測試標準（Percent Flicker、Flicker Index、SVM 和 PstLM），還結合了以下亮點：
1. 即時波形與頻譜視覺化功能：
- 提供光信號的時域和頻域分析，幫助用戶精確判斷頻閃的根本原因。
- 波形特性（如對稱性、幅值變化）能清晰展示光信號的穩定性。
2. 振幅對 Flicker 的綜合影響評估：
- 通過分析波形的最大值、最小值及波形形狀，評估振幅變化對頻閃效應的綜合影響。
- 能幫助工程師優化光源調光策略，確保產品在不同亮度條件下的穩定性。
3. 波形特性對 Flicker 評價的影響：
- 波形對稱性：影響頻閃的直觀感知，非對稱波形更容易引起視覺干擾。
- 波形頻率與幅度：高頻率波形對人眼不可感知，但低頻波形尤其是高振幅的波動會顯著影響舒適度。
- 波形光強分佈：分析波形內亮暗比（如峰值與谷值差異），直接影響 Percent Flicker 和 Flicker Index 的評價數據。
4. 多參數測試能力：
提供詳細的波形參數（峰值、谷值、波形面積），結合數據自動化處理功能，快速生成可視化報告。
5. 全面的頻閃測試與診斷：
- 振幅和頻率的綜合影響評估，能根據國際標準對光源性能進行精確分類。
- 結合 PstLM 的低頻評估和 SVM 的高頻分析，實現全頻範圍的頻閃測試。
選擇 uFlicker 軟體 不僅是提升測試效率，更是對產品品質的保障。 其全面的測試功能、精確的波形分析與振幅影響評估，能幫助工程師打造符合國際標準的高品質產品。 此外，通過對波形特性的深入分析，軟體能有效診斷頻閃問題，為光源設計和性能優化提供關鍵數據支持。
資料來源:
IES. (2011). The IES Lighting Handbook, 10th Edition. 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). Comparative Analysis of Flicker Perception Thresholds in the Context of General Lighting. Lighting Research and Technology, 44(3), 213-223.
Wilkins, A. J., Veitch, J. A., & Lehman, B. (2010). LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
CIE (Commission Internationale de l’Éclairage). (2019). CIE TN 006:2019 – Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems. CIE.
Flicker Sense LED Screens, https://www.flickersense.org/background/led-screens
The Health Effects of Flickering Light, https://www.flickersense.org/
International Commission on Illumination https://etc.csu.edu.tw/flicker/
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