陳天然，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

引言

有關(guān)“閃爍”的研究，自傳統(tǒng)電光源時(shí)代就已有之。然而，隨著電感鎮(zhèn)流器被電子鎮(zhèn)流器取代，“閃爍”問題的研究熱度慢慢淡下去，其對于人體視覺與生理的深層影響也未被繼續(xù)探尋。而當(dāng)照明進(jìn)入LED時(shí)代，日漸成熟的PWM調(diào)光技術(shù)意味著對于“閃爍”的調(diào)控變得更為精準(zhǔn)便捷。當(dāng)各種頻率與占比的方波脈沖均易于實(shí)現(xiàn)時(shí)，對于“閃爍”、對于脈沖光的學(xué)理研究開始重新受到重視。

未來，LED與脈沖驅(qū)動(dòng)為照明帶來的有別于以往照明的新特性，是否對光度學(xué)與色度學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)有所改進(jìn)、是否會(huì)產(chǎn)生創(chuàng)新性的跨學(xué)科研究(如醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等)機(jī)遇等，這些都有著巨大的研究意義與潛力，值得我們持續(xù)關(guān)注并投入研究。

1 脈沖光視覺感知研究進(jìn)展

對于脈沖光的傳統(tǒng)研究主要有Broca-Sulzer效應(yīng)[1]與Talbot-Plateau定律[2,3]兩大方向。但是兩者存在矛盾——前者指出當(dāng)光頻高于臨界融合頻率時(shí)，人眼所感知的脈沖光刺激強(qiáng)于其客觀物理測量值，但后者卻否定了這一視亮度增強(qiáng)效應(yīng)的存在。是由于目前未知的視覺機(jī)制導(dǎo)致了結(jié)論差異，還是由于在過去傳統(tǒng)光源難以產(chǎn)生上下沿陡峭的方波而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)論錯(cuò)誤呢？日益發(fā)展的LED技術(shù)給予“脈沖光視覺感知研究”進(jìn)一步精細(xì)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可能。

目前該領(lǐng)域研究成果[4-19]包括：視亮度增強(qiáng)效應(yīng)為通用照明帶來的節(jié)能潛力[17-19]；僅上升下降沿均陡峭的方波才能產(chǎn)生顯著的增強(qiáng)效應(yīng)[7]；光源表面是否添加勻光材質(zhì)不會(huì)改變該效應(yīng)的產(chǎn)生與否[8]；脈沖光符合亮度相加性理論[12]，且隨著背景亮度的提升，增強(qiáng)效應(yīng)隨之減弱[10]；結(jié)合視錐細(xì)胞光譜靈敏度曲線，可建立適用于脈沖光的光譜光視效率函數(shù)[15]等。

在“脈沖光視亮度增強(qiáng)效應(yīng)”的現(xiàn)有研究[4-22]中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇各有側(cè)重，有脈沖光波長、占比、頻率、背景亮度、脈沖波形及驅(qū)動(dòng)方式等變量。除去Ohno等[22]聲稱脈沖光不具有亮度增強(qiáng)效應(yīng)，其余研究均給出肯定結(jié)論。然而各研究所給出的視亮度增強(qiáng)倍數(shù)以及其與光色、占比間的數(shù)學(xué)關(guān)系各異。經(jīng)分析，差異可能來源于各研究團(tuán)隊(duì)所采用的實(shí)驗(yàn)光源、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理等層面的不同。

我們認(rèn)為，脈沖光研究對于照明領(lǐng)域有重要意義，一套被國內(nèi)外該領(lǐng)域各研究團(tuán)隊(duì)均認(rèn)可的、科學(xué)性與可行性并存的研究體系就顯得尤為重要。因?yàn)橹挥谢诖耍煌瑘F(tuán)隊(duì)的定性、定量研究結(jié)果才是可比較的。然而各團(tuán)隊(duì)均各聚焦于對特定參量脈沖光的實(shí)驗(yàn)研究，目前仍缺乏針對脈沖光視覺感知實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)與研究方法的一套統(tǒng)一體系。

故我們的研究意在彌補(bǔ)該空缺，具體闡述一套具有通用性實(shí)驗(yàn)體系，包含硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)方法等技術(shù)細(xì)節(jié)，作為后續(xù)開展一系列實(shí)驗(yàn)探索與理論研究之基礎(chǔ)。

2 脈沖光視覺感知研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本脈沖光視覺感知研究體系包含一套自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用于量化研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可分為穩(wěn)態(tài)光及脈沖光發(fā)生裝置及相應(yīng)的測量裝置。前者包括波形發(fā)生器(WF1974，National Instrument)、精密電源(WY605，Everfine)、LED光源模組、各規(guī)格窄帶濾色片。后者包括光具座、照度計(jì)(ST-85，北師大光儀廠)、光電探頭(PDA100A-EC，Thorlabs)、數(shù)據(jù)采集卡(PXI-1031，National Instrument)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1所示，其硬件組成與劉木清團(tuán)隊(duì)既往研究[10-15]大體相一致。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic of experiment platform

2.1 光發(fā)生裝置

1)硬件組成。光發(fā)生裝置包含穩(wěn)態(tài)光與脈沖光光源。兩者均定制為一體化模組，基于相同的白光LED芯片(TC=3 500 K)，穩(wěn)定性高且散熱性好。有別于穩(wěn)態(tài)光模組，脈沖光模組中額外內(nèi)置自主設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片，其電路原理如圖2所示。配合波形發(fā)生器所設(shè)定的調(diào)制參數(shù)，可使得當(dāng)電壓不低于48 V時(shí)，脈沖光模組相應(yīng)可穩(wěn)定輸出一定頻率和占比的規(guī)整脈沖方波群。

為合理裝配硬件，本研究平臺(tái)制作了專用燈箱(如圖1所示)，其內(nèi)表面涂有漫反射材質(zhì)，為一中空的長方形箱體，并從內(nèi)部分隔成左右兩半。將穩(wěn)態(tài)光模組以鉚釘固定于左半燈箱內(nèi)部，將脈沖光模組固定于右半燈箱內(nèi)部。燈箱后部打孔引出電源線與控制線，以外接電源與波形發(fā)生器。燈箱前表面正中央挖出直徑為5 cm的圓孔，用不銹鋼板對半隔開。相應(yīng)可理解，左半光孔為左半燈箱內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)光輸出口，右半光孔為右半燈箱內(nèi)部的脈沖光的光輸出口。光孔表面依次固定有勻光片(以減緩眩光產(chǎn)生)以及濾色片裝配位。

若以單色光而非白光為研究對象，則需附加使用濾色片。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含一批定制窄帶濾色片，根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)而靈活調(diào)用。其規(guī)格涵蓋從藍(lán)紫光至紅光的系列單色波長(具體有：430、445、460、475、490、520、580、610和640 nm)，半寬均不超過10 nm，中心透過率均不低于70%。

圖2 脈沖驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 Principle diagram of PWM driven circuit

此外，光源模組內(nèi)可靈活串接入單色LED芯片。補(bǔ)光后，整體光譜可在所需波段處被增強(qiáng)。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用場景為：當(dāng)進(jìn)行某單色波長的脈沖光視亮度增強(qiáng)效應(yīng)研究時(shí)，經(jīng)濾色后的光強(qiáng)較弱，無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，因此需要在該波段附近補(bǔ)光以改善這一情況。

2)窄帶濾色片用以消除光譜漂移。由于實(shí)驗(yàn)過程中將涉及大范圍的穩(wěn)態(tài)光模組電流調(diào)節(jié)和脈沖光模組占比調(diào)節(jié)，此二者是否會(huì)引起目視光源的光譜漂移則不可忽視。尤其當(dāng)研究對象為單色光(即燈箱光孔表面裝配窄帶濾色片)時(shí)，被試者此時(shí)的視覺感知較白光觀測更為敏感，從而更易影響目視判斷之準(zhǔn)確性。Motomura等[6]提出采用同步驅(qū)動(dòng)的方式以消除光譜漂移的影響。但在其研究中占比為固定值，對于其他占比設(shè)為實(shí)驗(yàn)變量的研究，用此方法則會(huì)導(dǎo)致光源電路極為復(fù)雜，因此我們不認(rèn)為其具有普遍意義。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新性地采用窄帶濾色片以消除光譜漂移的影響，其有效性可由下述測量驗(yàn)證與理論計(jì)算表明。

光發(fā)生裝置中所用白光LED的光譜可分解為460 nm藍(lán)光芯片自身發(fā)射的藍(lán)光以及YAG熒光粉所激發(fā)后產(chǎn)生的黃光，光譜漂移主要來源于前者。本文使用光纖光譜儀(E820，Idea Optics)測量經(jīng)430、445、460、475和490 nm窄帶濾色片濾光后的藍(lán)光波段單色光在直流驅(qū)動(dòng)與5%占比調(diào)制下的相對光譜功率分布，并計(jì)算其峰值波長偏差，如表1所示，可知光譜漂移量非常小。這是由于窄帶濾色片的“窗口效應(yīng)”所致，即便白光模組中藍(lán)光波段因驅(qū)動(dòng)方式或驅(qū)動(dòng)功率變化而產(chǎn)生了一定程度的光譜漂移，但濾色片的透過峰是固定的，因此最終被目視觀察到的單色光光譜也相對穩(wěn)定。

然而，經(jīng)濾色后的單色光在不同驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)方式下的光譜分布保持相對穩(wěn)定，并不意味著其透過濾色片所輸出的光通量也無變化。將使用光纖光譜儀實(shí)測的白光光譜數(shù)據(jù)，理論計(jì)算當(dāng)其380～520 nm的藍(lán)光光譜段藍(lán)移5 nm(我們認(rèn)為該數(shù)值是可能產(chǎn)生的白光光譜漂移的最大情況)前后，所透過固定波長窄帶濾色片的光通量變化。以445 nm窄帶濾色片為例，白光模組光譜藍(lán)移5 nm后，透過窄帶濾色片所能測得的光通量相對變化率達(dá)12%。這對于視亮度匹配將有一定的影響，在數(shù)據(jù)分析中需予以考慮。

表1 5%占比脈沖光與直流光的光譜漂移

2.2 光測量裝置

1)硬件組成。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用照度計(jì)測量穩(wěn)態(tài)光，使用硅光探頭測量脈沖光。這是由于在實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)態(tài)光將涉及大范圍光強(qiáng)調(diào)節(jié)，因此需要低強(qiáng)度時(shí)依然線性度優(yōu)良的儀器；而脈沖光頻率可能會(huì)設(shè)置得較高，因此需要時(shí)間響應(yīng)更好的設(shè)備。本文所述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的光電探頭增益檔位為40 dB，帶寬為225 kHz。配合后續(xù)數(shù)據(jù)采集卡，總采樣率為50 k (S/s)，單次測量可存儲(chǔ)不高于 50 k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。同時(shí)，照度計(jì)量程為0.1～199.9×103lx，非線性符合國家一級(jí)照度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在低照度時(shí)依然保持良好的線性度。因此兩臺(tái)測量儀器均可滿足需求。

照度計(jì)探頭和硅光探頭分別固定于光具座，可左右來回移動(dòng)。進(jìn)行事先標(biāo)記，使得當(dāng)每次測量時(shí)兩探頭均可重復(fù)挪動(dòng)至相應(yīng)的半光孔正前方中心同一位置處，如圖3所示。

照度計(jì)探頭測得的物理量為照度E(lx)，其數(shù)值可由表頭實(shí)時(shí)顯示。硅光探頭測得的物理量為光電壓波形，其數(shù)值則經(jīng)由后接的數(shù)據(jù)采集卡記錄，并通過LabVIEW自編程序計(jì)算其平均強(qiáng)度U(V)。

圖3 測量場景：(a)為使用照度計(jì)測量左半光孔穩(wěn)態(tài)光；(b)為使用光電探頭測量右半光孔脈沖光Fig.3 Measurement scenario：(a) stable light measured by illuminator; (b) pulsed light measured by photodetector

2)照度與光電壓映射關(guān)系。由于穩(wěn)態(tài)光與脈沖光測量參數(shù)的量綱不同，為便于后續(xù)視亮度增強(qiáng)倍數(shù)的計(jì)算，照度E與光電壓U之映射關(guān)系可經(jīng)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)測得。同時(shí)，該映射關(guān)系也可作為儀器非線性校正數(shù)據(jù)使用。

舉例而言，以445 nm單色光為對象做映射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，得到映射關(guān)系如圖4所示。擬合所得公式E=2722.3U，擬合優(yōu)度R2=0.9893。

圖4 445 nm單色光照度與光電壓映射關(guān)系之實(shí)測數(shù)據(jù)及擬合Fig.4 Data and fitting of illuminance &Photo-Voltage measurement for 445 nm stable light

3)測量串?dāng)_。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，串?dāng)_問題的產(chǎn)生是因于實(shí)驗(yàn)者測量過程需模擬被試者目視過程，即測量任意半光孔時(shí)不關(guān)閉/遮擋另一半光孔光源。由于兩個(gè)半光孔相貼近，因而穩(wěn)態(tài)光測量量會(huì)包含部分脈沖光量、脈沖光測量量也包含部分穩(wěn)態(tài)光串?dāng)_。經(jīng)估算，測量串?dāng)_對數(shù)據(jù)誤差的影響約為5%個(gè)百分點(diǎn)，需在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中予以考慮。

3 脈沖光視覺感知研究實(shí)驗(yàn)方法

分析以往相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)方法，我們發(fā)現(xiàn)其主要不同點(diǎn)在于所采用的被試者目視方式與實(shí)驗(yàn)流程。下面將就其做出討論分析，并具體闡述本文所述研究體系相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法。

3.1 被試者目視方式

被試者的目視方式可分為兩類。方式A：被試者觀察被實(shí)驗(yàn)光源所照亮的物體，但視場范圍內(nèi)不接觸光源[5-8, 16]。方式B：被試者直視并觀察光源本身[4, 10-15, 17-19]。

該兩種目視方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于目視方式A，其優(yōu)點(diǎn)在于被試者不直視光源，相應(yīng)減少了因眩光所導(dǎo)致視覺效能下降的可能性；其缺點(diǎn)在于，被試者對于被觀察物體(被待測光源照亮)的亮度判斷，可能會(huì)受到對其顏色記憶色的判斷干擾[20]。對于目視方式B，其優(yōu)缺點(diǎn)則相反。

本文所述研究體系將采用目視方式B。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程與視亮度匹配方法

被試者所需完成的實(shí)驗(yàn)操作，即相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程也可主要分為兩類。

流程A：實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)態(tài)光及脈沖光亮度由實(shí)驗(yàn)者任意調(diào)節(jié)并設(shè)定給出，被試僅需要觀察并做出目視判斷“兩者一樣亮”或“某一方更亮”。實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)者選出被判斷為視亮度一致的實(shí)驗(yàn)組(同時(shí)舍棄其余實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù))，進(jìn)而比較分析其相應(yīng)測得的光電參數(shù)[4-8]。

流程B為：實(shí)驗(yàn)中，僅脈沖光亮度由實(shí)驗(yàn)者設(shè)定，被試需要獨(dú)立調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)光亮度，使之達(dá)到與脈沖光視亮度匹配的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)者實(shí)時(shí)測量此時(shí)相應(yīng)的光電參數(shù)，實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過分析計(jì)算得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[10-19]。

該兩者同樣也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

對于實(shí)驗(yàn)流程A，其優(yōu)點(diǎn)在于無需事先培訓(xùn)被試者電源操作，同時(shí)也無需考慮因被試在實(shí)驗(yàn)中可能存在操作失誤而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。但其缺點(diǎn)在于，本文認(rèn)為根據(jù)該流程所做出的數(shù)據(jù)取舍方式存在問題。由于人眼不可能如儀器般精準(zhǔn)，“視亮度相等”實(shí)則為一連續(xù)區(qū)間，而非一孤立點(diǎn)之概念。具體而言，當(dāng)被試判斷視亮度剛好一致時(shí)，將一側(cè)光源亮度固定，另一側(cè)光源亮度在一定范圍內(nèi)微調(diào)，存在該變化無法被被試者目視察覺的可能性，且該可能性存在被試間個(gè)體差異。流程A忽略了此區(qū)間特性，最終其保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)僅為該“視亮度一致”區(qū)間中的任意數(shù)點(diǎn)，不確保能含有區(qū)間端點(diǎn)信息，因而導(dǎo)致客觀數(shù)據(jù)存在不定程度的誤差。

因而在本文所述研究體系的實(shí)驗(yàn)方法中，將采用實(shí)驗(yàn)流程B。由于“視亮度匹配”具有區(qū)間特性，故采用測量該“視亮度一致”區(qū)間的兩端點(diǎn)平均值以表征理想情況中的亮度一致的孤立點(diǎn)。

具體而言，在實(shí)驗(yàn)中，為了匹配一定光色、頻率、占比下的脈沖光視亮度，實(shí)驗(yàn)者先將穩(wěn)態(tài)光的亮度調(diào)節(jié)至明顯低于此時(shí)參考脈沖光，然后由被試者逐漸調(diào)亮穩(wěn)態(tài)光，直至其剛開始認(rèn)為穩(wěn)態(tài)光與脈沖光視亮度相等的時(shí)刻，此即“亮度一致區(qū)間的低值端點(diǎn)”。然后實(shí)驗(yàn)者再將穩(wěn)態(tài)光的亮度調(diào)節(jié)至明顯高于此時(shí)參考脈沖光，再由被試者逐漸調(diào)暗穩(wěn)態(tài)光，直至其剛開始認(rèn)為穩(wěn)態(tài)光與脈沖光視亮度相等的時(shí)刻，此即“亮度一致區(qū)間的高值端點(diǎn)”。兩端點(diǎn)時(shí)分別測得的穩(wěn)態(tài)光物理強(qiáng)度之平均值，即被記錄為“視亮度一致”時(shí)的穩(wěn)態(tài)光的物理強(qiáng)度值，后續(xù)可與此時(shí)的脈沖光物理強(qiáng)度進(jìn)行比較分析。該流程可由圖5補(bǔ)充說明。

圖5 視亮度匹配過程示意圖Fig.5 The Brightness evaluation process

4 實(shí)驗(yàn)研究案例

我們將以不同占比對于445 nm單色脈沖光的視亮度增強(qiáng)效應(yīng)影響之實(shí)驗(yàn)研究為例，討論本研究體系的具體應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)方法如上所述，自變量選擇2%、5%、10%、20%、50%、70%六組占空比，脈沖光波長(由445 nm窄帶濾色片濾光所得)與頻率(80 Hz)則設(shè)為恒定值。本實(shí)驗(yàn)于暗環(huán)境中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)光與脈沖光的視亮度匹配，觀測視角小于2°。

共有四名被試者經(jīng)挑選參與實(shí)驗(yàn)，兩男兩女，年齡在20～30歲之間。經(jīng)確認(rèn)四人矯正視力均達(dá)到1.0，視覺臨界融合頻率高于80 Hz。同時(shí)，均通過Ishihara顏色測試檢驗(yàn)，證明其具有正常的視覺感知能力。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量與計(jì)算，共得到四位被試者在六組占空比條件下的脈沖光視亮度增強(qiáng)倍數(shù)，定義為當(dāng)視亮度相匹配時(shí)，直流光物理強(qiáng)度與脈沖光物理強(qiáng)度測量值的比值，為一無量綱數(shù)。具體數(shù)據(jù)匯總見圖6，縱坐標(biāo)為上述視亮度增強(qiáng)倍數(shù)，橫坐標(biāo)為占空比。

圖6 不同占比的445 nm單色脈沖光視亮度增強(qiáng)倍數(shù)擬合數(shù)據(jù)Fig.6 Fitting curve between brightness enhancement factor and duty ratio for 445 nm pulsed light

指數(shù)型模型常常被用來描述人眼睛的視覺特性[21,22]。因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有理論意義，仍有待進(jìn)行深入的研究。

5 結(jié)束語

我們梳理了近年來來國內(nèi)外脈沖光視覺感知研究的動(dòng)態(tài)與進(jìn)展，并展望了脈沖光研究對于光度學(xué)及人眼視覺建模等領(lǐng)域的重要意義。在此基礎(chǔ)上，初步建立了一套較為完整的脈沖光視覺感知研究體系，包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)方法，作為后續(xù)開展一系列實(shí)驗(yàn)探索與理論研究的基礎(chǔ)。其中，光源在不同驅(qū)動(dòng)方式與驅(qū)動(dòng)功率下的光譜漂移、不同儀器之間測量值的映射關(guān)系、脈沖光與穩(wěn)態(tài)光的測量串?dāng)_、實(shí)驗(yàn)流程合理性等技術(shù)細(xì)節(jié)均予以闡述。最后，基于本文所述研究體系進(jìn)行工效學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)占比越小視亮度增強(qiáng)效應(yīng)效應(yīng)越明顯，且兩者之間為指數(shù)型關(guān)系。占空比為2%的445 nm單色脈沖光的視亮度增強(qiáng)倍數(shù)高達(dá)15%。未來，我們將基于本研究體系在“脈沖光度學(xué)”領(lǐng)域開展更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索與理論研究。