LED智能照明中涉及的几个视觉问题

沈海平

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

LED智能照明中涉及的几个视觉问题

沈海平

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

LED智能照明技术的应用越来越普及。本文主要介绍了LED智能照明中涉及的三个主要视觉问题：照明水平问题、色温选择问题及频闪效应问题，并从视功能和舒适性的角度分析了各自的技术要求。这些具体的技术要求对于设计师在进行具体产品及工程设计时具有指导意义。

智能照明；视觉；LED

引言

LED由于其优良的光色电可控性，成为智能照明完美的光源。从另一角度讲，也正是这几年LED技术的快速发展及其应用的普及，使得智能照明也得到了迅猛的发展。目前LED智能照明技术被广泛应用于办公照明、景观照明、智能家居照明及道路照明等多个领域。

无论是一般照明还是智能照明，最终服务的主体都是人，对人而言，视觉的安全性与舒适性是至关重要的。很多产品工程师往往多关注电子控制系统的设计，忽略了视觉方面的要求或是对这方面要求不是非常了解，最终产品达不到要求，无法实现良好的照明效果。

对于LED智能照明而言，必须从源头，即人的视觉需求出发，开展系统的顶层设计及产品的技术细节设计。本文就LED智能照明中所涉及到的几个主要视觉问题作简要介绍与分析，以期达到抛砖引玉的效果，让更多的业界工作者了解智能照明中的视觉需求，并发掘出更多智能照明中新出现的视觉问题。

1 调光

LED智能照明涉及最多的应是调光，即调节光源的光输出，从而使得光环境中的照度或亮度调到所需的水平。不同的应用场合对于照明水平的要求是不一样的，表1列出了各种场合和活动形式下的照度推荐值[1]。

需要注意的是，上述照度推荐值只是对一般情况而言的。实际的照明水平要求其实很复杂，与具体所处的环境、作业要求和不同的人都有关系，如在某些情况下，作业对象的反射率或对比度特别低，作业出错会付出昂贵代价，或工作者的视觉能力低于正常人，则应采用比表中推荐值更高的照度，而反之则可采用低于推荐值的照度；又如道路照明中，交通流量大时可采用更高的照度，老年人也比年轻人需要更高的照明水平[2]，但这方面的具体照明值目前还没有广泛采用的标准，国际照明委员会的相关研究工作也在开展中。

表1 各种场合和活动形式的推荐照度值

如果照明要求以亮度值描述，图1中列出了一般情况下各种应用环境的推荐亮度值，由于亮度与观察物的反射率息息相关，因此对于智能照明控制系统而言，往往需要针对具体照明场景进行亮度标定，从而得到各调光等级所对应的目标亮度值。

图1 各种场合的推荐亮度值Fig.1 Recommended luminance for various application areas

2 调色

对于普通照明场景而言，调色往往只涉及色温调节。LED调色一般可采用双光源法，即灯具中同时安装CCT1、CCT2高低两种色温的LED光源，分布控制其光输出比例并进行混光，即可实现在CCT1～CCT2范围内的色温调节，并同时实现调光。另外也可采用RGB法，即采用红、绿、蓝三色LED，同样进行各自比例控制混光，得到比较大范围的色温调节。双光源法由于成本、可控性方面的优势，目前用得较多。

色温可以粗放地分为冷白、中性白、暖白三类，为了使照明达到良好效果，色温必须与应用场合及其照明水平相适应。一般说来，在照度水平较低时，暧色光让人感到舒适；而在高照度情况下，冷色光照明可获得舒适的效果；在白天需要补充自然光的场合，也应选用高色温；对于摄影或彩色电视转播的场所，则要根据摄像器材的要求来选择色温。图2所示为对于色温、照度与舒适性关系的研究结果，可从中获得对应不同照度水平下的适宜色温[1]。

图2 色温、照度与舒适性的关系Fig.2 Relationship between color temperature, illuminance and comfortbility

同样，图2中所描述的也只是针对一般情况，对于一些特殊的应用场合，可能会与上述区域偏离，甚至出现有色光(非白光)的调色需求。另外，不同人群对于色温有着不同的偏好性[3]，不同应用场景下的色温偏好性研究也是目前照明领域研究热点。

显色性往往不是调色过程中的目标控制量，但色温的调节往往伴随着显色性的变化。对于双光源法，混色的显色指数一般变化不大，基本在原光源的两端变化。但对于RGB法调光的光源，则可能会出现较大偏差，这在调色算法中及具体控制电路实现时需特别注意。

3 调频

目前市面上的LED调光很多是采用PWM调制方式，即LED驱动是采用PWM脉冲方式驱动而非恒流驱动，通过调节占空比实现等效光输出的变化。脉冲调制驱动的LED必然发出脉冲调制变化的光，从而产生频闪效应。早在19世纪，Talbot[4]和Plateau[5]的研究发现，当频闪光的闪烁频率高于临界融合频率时，人眼感知的视觉亮度与该频闪光的平均亮度一致，该效应也称为Talbot-Plateau效应，LED PWM调光正式利用了该效应。但近年来也有研究者发现[6, 7]：对于占空较小(5%或10%)的LED PWM脉冲光，人眼观察时所产生的视亮度感知比恒流条件下Talbot-Plateau等效亮度要高，这表明人眼内部存在针对低占空比脉冲光的非线性过程。

频闪光有可能会对人造成视功能和舒适度方面的负面影响，比如：视觉疲劳、视力模糊、头痛、恶心等；在体育场馆，频闪光照明的运动物体更不容易被看清；对于光敏性癫痫症患者，低频高波动的频闪光可能会诱导癫痫发作；对于摄像或摄影场合，有可能出现明暗条纹。

频闪光对人的影响取决于闪烁频率和波动深度(即最亮点与最暗点之间的相对差异)。就频率而言，通常人眼对于光波动性的敏感频率在低频范围，如2.5～15 Hz之间的频闪光最容易让人感觉不适，通常频率越高，相同波动深度所来的频闪感觉就越小。同样频率条件下，波动深度越大频闪效应越严重。国际电气和电子工程师协会标准IEEE PAR 1789规定了不同闪烁频率下的波动深度要求(图3)[8]。

图3 IEEE PAR 1789规定的频闪低风险和无影响区域Fig.3 Low risk and no influence area for flicker defined in IEEE PAR 1789

图3中波动深度被定义为：

式中A为一个周期内光输出的最大值，B为一个周期内光输出的最小值，如图4所示。

图4 波动深度的定义Fig.4 Definition of percent flicker

从图3也可发现，对于间隔点亮(即最小光输出为0，波动深度100%)的PWM调光，调制频率应超过1 kHz才被认为是低风险的。

4 总结

本文主要介绍了涉及LED智能照明设计中的三个主要视觉问题：调光(照明水平)、调色(色温选择)及调频(频闪效应)。从视功能和舒适性的角度分析了各自的技术要求。调光应根据具体的应用场合、所处环境、作业要求和不同的人进行等级设计；调色必须与应用场合及其照明水平相适应；调频则应根据调制频率限定其波动深度。

此外，本文还介绍了这三个领域内目前的一些研究方向。总体来说，对于动态光的光色视觉特性研究远没有静态光成熟，很多静态光条件下的研究结果不一定适用于动态光环境。随着智能照明技术的应用普及，还有很多领域亟待探索。

[1] 周太明，等. 照明设计——从传统光源到LED. 上海:复旦大学出版社, 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] 高维惜,顾鑫,沈海平,等.人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高[J].照明工程学报,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