脉冲光视觉感知研究的实验方法与应用

陈天然，刘木清

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

引言

有关“闪烁”的研究，自传统电光源时代就已有之。然而，随着电感镇流器被电子镇流器取代，“闪烁”问题的研究热度慢慢淡下去，其对于人体视觉与生理的深层影响也未被继续探寻。而当照明进入LED时代，日渐成熟的PWM调光技术意味着对于“闪烁”的调控变得更为精准便捷。当各种频率与占比的方波脉冲均易于实现时，对于“闪烁”、对于脉冲光的学理研究开始重新受到重视。

未来，LED与脉冲驱动为照明带来的有别于以往照明的新特性，是否对光度学与色度学的学科基础有所改进、是否会产生创新性的跨学科研究(如医学、农业等)机遇等，这些都有着巨大的研究意义与潜力，值得我们持续关注并投入研究。

1 脉冲光视觉感知研究进展

对于脉冲光的传统研究主要有Broca-Sulzer效应[1]与Talbot-Plateau定律[2,3]两大方向。但是两者存在矛盾——前者指出当光频高于临界融合频率时，人眼所感知的脉冲光刺激强于其客观物理测量值，但后者却否定了这一视亮度增强效应的存在。是由于目前未知的视觉机制导致了结论差异，还是由于在过去传统光源难以产生上下沿陡峭的方波而导致的实验结论错误呢？日益发展的LED技术给予“脉冲光视觉感知研究”进一步精细化验证实验的可能。

目前该领域研究成果[4-19]包括：视亮度增强效应为通用照明带来的节能潜力[17-19]；仅上升下降沿均陡峭的方波才能产生显著的增强效应[7]；光源表面是否添加匀光材质不会改变该效应的产生与否[8]；脉冲光符合亮度相加性理论[12]，且随着背景亮度的提升，增强效应随之减弱[10]；结合视锥细胞光谱灵敏度曲线，可建立适用于脉冲光的光谱光视效率函数[15]等。

在“脉冲光视亮度增强效应”的现有研究[4-22]中，实验参数的选择各有侧重，有脉冲光波长、占比、频率、背景亮度、脉冲波形及驱动方式等变量。除去Ohno等[22]声称脉冲光不具有亮度增强效应，其余研究均给出肯定结论。然而各研究所给出的视亮度增强倍数以及其与光色、占比间的数学关系各异。经分析，差异可能来源于各研究团队所采用的实验光源、实验方法及数据处理等层面的不同。

我们认为，脉冲光研究对于照明领域有重要意义，一套被国内外该领域各研究团队均认可的、科学性与可行性并存的研究体系就显得尤为重要。因为只有基于此，不同团队的定性、定量研究结果才是可比较的。然而各团队均各聚焦于对特定参量脉冲光的实验研究，目前仍缺乏针对脉冲光视觉感知实验的硬件平台与研究方法的一套统一体系。

故我们的研究意在弥补该空缺，具体阐述一套具有通用性实验体系，包含硬件平台与实验方法等技术细节，作为后续开展一系列实验探索与理论研究之基础。

2 脉冲光视觉感知研究实验平台

本脉冲光视觉感知研究体系包含一套自主搭建的实验平台，可用于量化研究。该实验平台可分为稳态光及脉冲光发生装置及相应的测量装置。前者包括波形发生器(WF1974，National Instrument)、精密电源(WY605，Everfine)、LED光源模组、各规格窄带滤色片。后者包括光具座、照度计(ST-85，北师大光仪厂)、光电探头(PDA100A-EC，Thorlabs)、数据采集卡(PXI-1031，National Instrument)。实验平台示意图如图1所示，其硬件组成与刘木清团队既往研究[10-15]大体相一致。

图1 实验平台示意图Fig.1 Schematic of experiment platform

2.1 光发生装置

1)硬件组成。光发生装置包含稳态光与脉冲光光源。两者均定制为一体化模组，基于相同的白光LED芯片(TC=3 500 K)，稳定性高且散热性好。有别于稳态光模组，脉冲光模组中额外内置自主设计的驱动芯片，其电路原理如图2所示。配合波形发生器所设定的调制参数，可使得当电压不低于48 V时，脉冲光模组相应可稳定输出一定频率和占比的规整脉冲方波群。

为合理装配硬件，本研究平台制作了专用灯箱(如图1所示)，其内表面涂有漫反射材质，为一中空的长方形箱体，并从内部分隔成左右两半。将稳态光模组以铆钉固定于左半灯箱内部，将脉冲光模组固定于右半灯箱内部。灯箱后部打孔引出电源线与控制线，以外接电源与波形发生器。灯箱前表面正中央挖出直径为5 cm的圆孔，用不锈钢板对半隔开。相应可理解，左半光孔为左半灯箱内部的稳态光输出口，右半光孔为右半灯箱内部的脉冲光的光输出口。光孔表面依次固定有匀光片(以减缓眩光产生)以及滤色片装配位。

若以单色光而非白光为研究对象，则需附加使用滤色片。本实验平台包含一批定制窄带滤色片，根据具体实验参数而灵活调用。其规格涵盖从蓝紫光至红光的系列单色波长(具体有：430、445、460、475、490、520、580、610和640 nm)，半宽均不超过10 nm，中心透过率均不低于70%。

图2 脉冲驱动电路原理图Fig.2 Principle diagram of PWM driven circuit

此外，光源模组内可灵活串接入单色LED芯片。补光后，整体光谱可在所需波段处被增强。该设计的应用场景为：当进行某单色波长的脉冲光视亮度增强效应研究时，经滤色后的光强较弱，无法达到实验要求，因此需要在该波段附近补光以改善这一情况。

2)窄带滤色片用以消除光谱漂移。由于实验过程中将涉及大范围的稳态光模组电流调节和脉冲光模组占比调节，此二者是否会引起目视光源的光谱漂移则不可忽视。尤其当研究对象为单色光(即灯箱光孔表面装配窄带滤色片)时，被试者此时的视觉感知较白光观测更为敏感，从而更易影响目视判断之准确性。Motomura等[6]提出采用同步驱动的方式以消除光谱漂移的影响。但在其研究中占比为固定值，对于其他占比设为实验变量的研究，用此方法则会导致光源电路极为复杂，因此我们不认为其具有普遍意义。本实验平台创新性地采用窄带滤色片以消除光谱漂移的影响，其有效性可由下述测量验证与理论计算表明。

光发生装置中所用白光LED的光谱可分解为460 nm蓝光芯片自身发射的蓝光以及YAG荧光粉所激发后产生的黄光，光谱漂移主要来源于前者。本文使用光纤光谱仪(E820，Idea Optics)测量经430、445、460、475和490 nm窄带滤色片滤光后的蓝光波段单色光在直流驱动与5%占比调制下的相对光谱功率分布，并计算其峰值波长偏差，如表1所示，可知光谱漂移量非常小。这是由于窄带滤色片的“窗口效应”所致，即便白光模组中蓝光波段因驱动方式或驱动功率变化而产生了一定程度的光谱漂移，但滤色片的透过峰是固定的，因此最终被目视观察到的单色光光谱也相对稳定。

然而，经滤色后的单色光在不同驱动功率和驱动方式下的光谱分布保持相对稳定，并不意味着其透过滤色片所输出的光通量也无变化。将使用光纤光谱仪实测的白光光谱数据，理论计算当其380～520 nm的蓝光光谱段蓝移5 nm(我们认为该数值是可能产生的白光光谱漂移的最大情况)前后，所透过固定波长窄带滤色片的光通量变化。以445 nm窄带滤色片为例，白光模组光谱蓝移5 nm后，透过窄带滤色片所能测得的光通量相对变化率达12%。这对于视亮度匹配将有一定的影响，在数据分析中需予以考虑。

表1 5%占比脉冲光与直流光的光谱漂移

2.2 光测量装置

1)硬件组成。本实验平台使用照度计测量稳态光，使用硅光探头测量脉冲光。这是由于在实验中，稳态光将涉及大范围光强调节，因此需要低强度时依然线性度优良的仪器；而脉冲光频率可能会设置得较高，因此需要时间响应更好的设备。本文所述实验平台选用的光电探头增益档位为40 dB，带宽为225 kHz。配合后续数据采集卡，总采样率为50 k (S/s)，单次测量可存储不高于 50 k个数据点。同时，照度计量程为0.1～199.9×103lx，非线性符合国家一级照度计标准，在低照度时依然保持良好的线性度。因此两台测量仪器均可满足需求。

照度计探头和硅光探头分别固定于光具座，可左右来回移动。进行事先标记，使得当每次测量时两探头均可重复挪动至相应的半光孔正前方中心同一位置处，如图3所示。

照度计探头测得的物理量为照度E(lx)，其数值可由表头实时显示。硅光探头测得的物理量为光电压波形，其数值则经由后接的数据采集卡记录，并通过LabVIEW自编程序计算其平均强度U(V)。

图3 测量场景：(a)为使用照度计测量左半光孔稳态光；(b)为使用光电探头测量右半光孔脉冲光Fig.3 Measurement scenario：(a) stable light measured by illuminator; (b) pulsed light measured by photodetector

2)照度与光电压映射关系。由于稳态光与脉冲光测量参数的量纲不同，为便于后续视亮度增强倍数的计算，照度E与光电压U之映射关系可经定标实验测得。同时，该映射关系也可作为仪器非线性校正数据使用。

举例而言，以445 nm单色光为对象做映射定标实验，得到映射关系如图4所示。拟合所得公式E=2722.3U，拟合优度R2=0.9893。

图4 445 nm单色光照度与光电压映射关系之实测数据及拟合Fig.4 Data and fitting of illuminance &Photo-Voltage measurement for 445 nm stable light

3)测量串扰。本实验平台中，串扰问题的产生是因于实验者测量过程需模拟被试者目视过程，即测量任意半光孔时不关闭/遮挡另一半光孔光源。由于两个半光孔相贴近，因而稳态光测量量会包含部分脉冲光量、脉冲光测量量也包含部分稳态光串扰。经估算，测量串扰对数据误差的影响约为5%个百分点，需在后续数据处理中予以考虑。

3 脉冲光视觉感知研究实验方法

分析以往相关实验研究的实验方法，我们发现其主要不同点在于所采用的被试者目视方式与实验流程。下面将就其做出讨论分析，并具体阐述本文所述研究体系相应的实验方法。

3.1 被试者目视方式

被试者的目视方式可分为两类。方式A：被试者观察被实验光源所照亮的物体，但视场范围内不接触光源[5-8, 16]。方式B：被试者直视并观察光源本身[4, 10-15, 17-19]。

该两种目视方式各有优缺点。对于目视方式A，其优点在于被试者不直视光源，相应减少了因眩光所导致视觉效能下降的可能性；其缺点在于，被试者对于被观察物体(被待测光源照亮)的亮度判断，可能会受到对其颜色记忆色的判断干扰[20]。对于目视方式B，其优缺点则相反。

本文所述研究体系将采用目视方式B。

3.2 实验流程与视亮度匹配方法

被试者所需完成的实验操作，即相对应的实验流程也可主要分为两类。

流程A：实验中，稳态光及脉冲光亮度由实验者任意调节并设定给出，被试仅需要观察并做出目视判断“两者一样亮”或“某一方更亮”。实验后，实验者选出被判断为视亮度一致的实验组(同时舍弃其余实验组数据)，进而比较分析其相应测得的光电参数[4-8]。

流程B为：实验中，仅脉冲光亮度由实验者设定，被试需要独立调节稳态光亮度，使之达到与脉冲光视亮度匹配的状态。实验者实时测量此时相应的光电参数，实验后经过分析计算得到相应的实验结论[10-19]。

该两者同样也各有优缺点。

对于实验流程A，其优点在于无需事先培训被试者电源操作，同时也无需考虑因被试在实验中可能存在操作失误而导致的数据误差。但其缺点在于，本文认为根据该流程所做出的数据取舍方式存在问题。由于人眼不可能如仪器般精准，“视亮度相等”实则为一连续区间，而非一孤立点之概念。具体而言，当被试判断视亮度刚好一致时，将一侧光源亮度固定，另一侧光源亮度在一定范围内微调，存在该变化无法被被试者目视察觉的可能性，且该可能性存在被试间个体差异。流程A忽略了此区间特性，最终其保留的数据点仅为该“视亮度一致”区间中的任意数点，不确保能含有区间端点信息，因而导致客观数据存在不定程度的误差。

因而在本文所述研究体系的实验方法中，将采用实验流程B。由于“视亮度匹配”具有区间特性，故采用测量该“视亮度一致”区间的两端点平均值以表征理想情况中的亮度一致的孤立点。

具体而言，在实验中，为了匹配一定光色、频率、占比下的脉冲光视亮度，实验者先将稳态光的亮度调节至明显低于此时参考脉冲光，然后由被试者逐渐调亮稳态光，直至其刚开始认为稳态光与脉冲光视亮度相等的时刻，此即“亮度一致区间的低值端点”。然后实验者再将稳态光的亮度调节至明显高于此时参考脉冲光，再由被试者逐渐调暗稳态光，直至其刚开始认为稳态光与脉冲光视亮度相等的时刻，此即“亮度一致区间的高值端点”。两端点时分别测得的稳态光物理强度之平均值，即被记录为“视亮度一致”时的稳态光的物理强度值，后续可与此时的脉冲光物理强度进行比较分析。该流程可由图5补充说明。

图5 视亮度匹配过程示意图Fig.5 The Brightness evaluation process

4 实验研究案例

我们将以不同占比对于445 nm单色脉冲光的视亮度增强效应影响之实验研究为例，讨论本研究体系的具体应用。

实验平台和实验方法如上所述，自变量选择2%、5%、10%、20%、50%、70%六组占空比，脉冲光波长(由445 nm窄带滤色片滤光所得)与频率(80 Hz)则设为恒定值。本实验于暗环境中进行稳态光与脉冲光的视亮度匹配，观测视角小于2°。

共有四名被试者经挑选参与实验，两男两女，年龄在20～30岁之间。经确认四人矫正视力均达到1.0，视觉临界融合频率高于80 Hz。同时，均通过Ishihara颜色测试检验，证明其具有正常的视觉感知能力。

经实验测量与计算，共得到四位被试者在六组占空比条件下的脉冲光视亮度增强倍数，定义为当视亮度相匹配时，直流光物理强度与脉冲光物理强度测量值的比值，为一无量纲数。具体数据汇总见图6，纵坐标为上述视亮度增强倍数，横坐标为占空比。

图6 不同占比的445 nm单色脉冲光视亮度增强倍数拟合数据Fig.6 Fitting curve between brightness enhancement factor and duty ratio for 445 nm pulsed light

指数型模型常常被用来描述人眼睛的视觉特性[21,22]。因此本实验结论具有理论意义，仍有待进行深入的研究。

5 结束语

我们梳理了近年来来国内外脉冲光视觉感知研究的动态与进展，并展望了脉冲光研究对于光度学及人眼视觉建模等领域的重要意义。在此基础上，初步建立了一套较为完整的脉冲光视觉感知研究体系，包括实验平台与实验方法，作为后续开展一系列实验探索与理论研究的基础。其中，光源在不同驱动方式与驱动功率下的光谱漂移、不同仪器之间测量值的映射关系、脉冲光与稳态光的测量串扰、实验流程合理性等技术细节均予以阐述。最后，基于本文所述研究体系进行工效学实验，发现占比越小视亮度增强效应效应越明显，且两者之间为指数型关系。占空比为2%的445 nm单色脉冲光的视亮度增强倍数高达15%。未来，我们将基于本研究体系在“脉冲光度学”领域开展更进一步的实验探索与理论研究。