Einführung in die Messung von Temporal Light Artefacts (TLA)

wie Flicker-, Stroboskop- und Phantom-Array-Effekten mit einem BTS Messgerät

Inhaltsverzeichnis

1. Kurzbeschreibung

2. Theorie der Flickermessung

2.1 Flicker-Frequenz

2.2 Flicker-Prozent

2.3 Flicker-Index

2.4 SVM

2.5 Pst

2.6 ASSIST Mp

3. Flicker mit dem BTS256-EF

3.1 Überblick der Funktionen

3.2 Messgenauigkeit und Einstellungen

4. Flicker Messung mit dem PFL-200

5. Flicker Messung mit dem BTS2048-VL

6. Zusammenfassung

7. Quellen

1. Kurzbeschreibung

Die großflächige Einführung von Festkörperbeleuchtung (SSL) wie LEDs erfordert, dass die Auswirkungen von Lichtflimmern (Flicker) gründlicher berücksichtigt werden als bei Technologien der vorherigen Generation. Im Prinzip folgt die Lichtabstrahlung von LEDs direkt dem Strom. Dazu muss allerdings die AC-Hauptstromversorgung in DC-Signale umgewandelt werden, da diese für die LED selbst benötigt wird. Daher werden eine elektronische Treiberschaltungen sowie externe Controller und Dimmer benötigt. Diese wiederum können leicht eine zusätzliche Modulation der Lichtabstrahlung zu den bekannten Auswirkungen von Netzschwankungen einführen. Viele LED-Treiber verwenden zudem aus Kostengründen die sogenannte Pulsbreitenmodulation (PWM) zur Dimmregelung. Hierbei wird ggf. eine hohe Modulation (in der Amplitude) bei einer oder mehreren Frequenzen verwendet. Diese elektronischen Schaltungen können jedoch Hochfrequenzkomponenten zusätzlich zu den typischen Niederfrequenzoszillationen enthalten, die sich aus Wechselstromversorgungsfrequenzen ergeben.

Die Veränderung der Lichtleistung über die Zeit von einer Lichtquelle wird umgangssprachlich als "Flimmern" bezeichnet und kann sowohl visuelle als auch nicht-visuelle nachteilige Auswirkungen auf den Betrachter haben. In Übereinstimmung mit CIE TN 006: 2016 [12] werden diese Effekte besser zusammenfassend als "Temporal Light Artefacts" (TLA) bezeichnet. Drei Arten visuell wahrnehmbarer TLAs werden klassifiziert:

• Flicker: Wahrnehmung von visueller Unstetigkeit, die durch einen Lichtreiz induziert wird, dessen Intensität mit der Zeit fluktuiert. Dies für einen statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.

• Stroboskopischer Effekt: Änderung der Bewegungswahrnehmung, induziert durch einen zeitlich veränderliches Lichtsignal. Für einen statischen Beobachter in einer nicht statischen Umgebung.

• Phantom-Array-Effekt (Ghosting): Änderung der wahrgenommenen Form oder der räumlichen Position von Objekten, induziert durch einen zeitlich veränderliches Lichtsignal. Für einen nicht statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.

Einige Veröffentlichungen haben berichtet, dass nicht-visuelle TLAs auch verschiedene physiologische und psychologische Effekte wie Migräne, Krampfanfälle, autistisches Verhalten, Schwindel, Leistungsminderung, emotionale Veränderungen [1-11] hervorrufen können. Die IEEE 1789: 2015 [13] stellt eine Zusammenfassung bekannter Effekte dar.

Es wurden verschiedene Methoden und Metriken entwickelt, um TLAs zu charakterisieren und zu quantifizieren um darauf basierend akzeptable Grenzwerte festzulegen. Häufig verwendete Metriken, sind beispielsweise die der IEEE 1789 mit den Größen Flickerfrequenz, Flickerindex und Flickerprozent. Diese Metriken decken jedoch nicht alle physiologischen Effekte ab, da sie die menschliche Wahrnehmung in Bezug auf die Auswirkungen von Faktoren wie Arbeitszyklus und gemischten Modulationsfrequenzen nicht ausreichend berücksichtigen. Größere Bedeutung wird deshalb auch zunehmend anderen Metriken wie IEC 61000 [14, 15] Kurzzeitflicker (Pst) und CIE TN 006 [12] Stroboskopisches Sichtbarkeitsmaß (SVM) sowie der ASSIST [16] Flickerwahrnehmungsmetrik (Mp) zugemessen.

Die Metriken Pst und SVM erfuhren insbesondere durch die im September 2021 in Kraft getretene Ökodesign-Verordnung einen starken Bedeutungsanstieg. Im Fall nicht gedimmter LEDs und OLEDs muss gemäß der Ökodesign-Verordnung derzeit ein Grenzwert von Pst kleiner als 1,0 sowie von SVM kleiner als 0,9 eingehalten werden. Ab 2024 wird eine Verschärfung des Grenzwerts von SVM auf einen Maximalwert von 0,4 erwartet.

Um dem Anspruch dieser Metriken in der Messtechnik gerecht zu werden, hat die Gigahertz-Optik GmbH die Möglichkeiten unserer BTS-Produkte (BiTechSensor-Technologie) weiterentwickelt. Nun ist es möglich mit diesen Geräten umfassende TLA Messungen (Flicker, Pst, SVM, etc.) sowie photometrische und Farbmessungen durchzuführen. Die BTS-Produkte ermöglichen Messungen gemäß CIE TN 012: 2021, Leitlinien zur Messung der zeitlichen Lichtmodulation von Lichtquellen und Beleuchtungssystemen [17]. 

2. Theorie der Flickermessung

Im Folgenden werden die einzelnen Flicker-Parameter näher erläutert.

2.1 Flicker-Frequenz

Die Flicker-Frequenz ist die Frequenz, mit welcher das Signal dominierend moduliert ist, z.B.:

Abbildung 1: Darstellung der Flicker-Frequenz einer 100Hz Schwingung mit Offset

2.2 Flicker-Prozent

Die Angabe des Flicker-Prozent hat sich als sehr aussagekräftig erwiesen. Sie gibt in Prozent die Stärke (amplitudenbezogen) der Kurvenform an. Der Wert reicht von 0 bis 1 bzw. von 0% bis 100%. Wobei 0% eine reine DC Kurvenform und 100% eine Reine AC Kurvenform darstellen. Der Wert hat jedoch keine Aussage über den Duty-Cycle des Signals.

(1)

Im folgenden Graphen ist die Bestimmung des Flicker-Prozent graphisch dargestellt:

Abbildung 2: Darstellung des Flicker-Prozent einer 100Hz Schwingung mit Offset

2.3  Flicker-Index

Neben dem Flicker-Prozent hat sich auch der Flicker-Index durchgesetzt. Dieser setzt die Fläche unter der Kurve mit der Fläche über der Kurve ins Verhältnis. Die Mittellinie wird bei der mittleren Lichtintensität gesetzt. Dabei entspricht 0 einer reinen DC Kurve und 1 einer reinen AC Kurve. Diese Größe gibt eine Aussage über den Duty-Cycle des Signals.

(2)

Abbildung 3: Darstellung des Flicker-Index einer 100Hz Schwingung mit Offset

2.4  SVM

Die stroboskopische Sichtbarkeitsmessung SVM berücksichtigt Effekte von Lichtmodulation (typischerweise bis zu 2 kHz) welche sich auf das Aussehen sich bewegender und rotierender Objekte auswirken. Es wird angewendet, wenn die durchschnittliche Beleuchtungsstärke > 100 Lux beträgt und die schnellsten Bewegungen mit moderater Geschwindigkeit von <= 4 m / s vorliegen. Bei einem SVM-Wert gleich eins, erzeugt die Eingangsmodulation ein zeitliches Lichtartefakt, das gerade sichtbar ist. D.h. gerade die Sichtbarkeitsschwelle erreicht. Mit anderen Worten, ein durchschnittlicher Beobachter wird das Artefakt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% detektieren können. Wenn der Wert ansteigt, erhöht sich somit auch die Detektionswahrscheinlichkeit. Diese Sichtbarkeitsschwelle repräsentiert die durchschnittliche Erkennungsfähigkeit eines menschlichen Beobachters in der Gesellschaft. Eine ausführlich beschriebene Beschreibung findet sich in dem frei zugänglichen Dokument CIE TN006 [12] und IEC TR 63158.

2.5  Pst

Wenn die Eingangsmodulation kein periodisches Signal ist, können frequenzbasierte Methoden (FFT usw.) nicht einfach verwendet werden. In diesem Fall wird eine Analyse auf Zeitbasis empfohlen. Der Kurzzeit-Flicker (Pst) aus der IEC 61000 [14, 15] ist mittlerweile zu einem allgemein akzeptierten Standard geworden und wird nun auch in der CIE TN006 zur Bewertung des wahrgenommenen Lichtflackerns für Frequenzen bis zu 80 Hz vorgeschlagen. Kurz zusammengefasst werden bei der Pst Ermittlung die folgenden Schritte durchgeführt: Normalisierung, zeitliche Filterung und statistische Verarbeitung.

Die Analysen von SVM und Pst stellen eine gute Kombination dar, da die frequenzbasierte Methode der SVM und die zeitbasierte Pst die Quantifizierung von vielen Effekten ermöglichen.

2.6  ASSIST Mp

Die ASSIST Mp-Metrik ist eine Flicker-Wahrnehmungsmetrik, die entworfen wurde um die menschliche Wahrnehmung von Flicker für Lichtquellen genau vorherzusagen. Hauptsächlich behandelt sie Signale unter 80 Hz, die nicht mit bewegten Objekten oder Beobachtern interagieren (stroboskopischer oder Phantom-Array-Effekt) [16].

Die Bewertung basiert auf 5 Schritten.
1: Erfassung des Lichtausgangssignals
2: Anwendung der Fourier-Transformation
3: Berechnung des Weber-Zeitkontrasts
4: Anwendung der Wahrnehmungsempfindlichkeitsgewichtung
5: Bestimmung der kombinierten Frequenzkomponenten

3. Flicker mit dem BTS256-EF

3.1 Überblick der Funktionen

Das BTS256-EF ist in erster Linie ein spektral als auch integral messendes Luxmeter. Dies ermöglicht der von Gigahertz-Optik entwickelte BiTec Sensor. (Datenblatt)

Abbildung 4: BTS256-EF, ein spektral als auch integral messendes Luxmeter welches für den Außeneinsatz/mobilen Einsatz ausgelegt ist.

Das Messgerät besticht durch seine kompakte Baugröße und ist für den mobilen Einsatz ausgelegt, dabei ist es spritzwassergeschützt was auch den Außeneinsatz ermöglicht. Integriert ist ein großer Speicher, welcher von der S-BTS256 Software ausgelesen werden kann. Für die Benutzerfreundlichkeit stehen eine Vielzahl von Anzeigemöglichkeiten zur Auswahl, zudem können eigene Anzeigen frei nach Wunsch definiert werden. Der sehr gut angepasste, Kosinus getreue Diffusor in Kombination mit der auf nationale Standards rückführbaren Kalibrierung macht dieses Gerät zu einem Präzisionsmessgerät. Optional kann das Gerät auch mit einem integrierten WiFi-Modul ausgeliefert werden.

Der BiTec Sensor erlaubt neben den photometrischen und scotopischen Messungen auch die Analyse bezüglich Flicker, denn die im Sensor genutzte Diode ermöglicht Untersuchungen ähnlich einem Oszilloskop. Demnach ermittelt das BTS256-EF parallel bei jeder Lichtmessung auch Flicker-Parameter der zu vermessenden Quelle. Diese Werte werden in einer separaten Darstellung  angezeigt:

Abbildung 5: Darstellung der Flicker-Parameter, E, Emax, Emin, Flicker Percent, Flicker Index und Flicker Frequency

Neben der Berechnung der Flicker-Parameter unternimmt das BTS256-EF auch eine interne FFT (Fast Fourier Transformation). Diese ermöglicht es weitere Frequenzanteile im Signal zu erkennen. Es kann z.B. eine Lampe neben 100Hz auch Frequenzanteile im 1kHz Bereich besitzen. An einem Arbeitsplatz können sich auch mehrere Lichtquellen überlagern wodurch eine Superposition verschiedener Frequenzen stattfindet. Hiervon kann eines der Signale respektive eines der Frequenzen die Flicker dominierende sein, jedoch ist es für die Untersuchung von Flicker-Effekten durchaus interessant andere Frequenzanteile mit ihrer Gewichtung zu untersuchen. Diese Untersuchung kann durch die im Messgerät integrierte FFT direkt vor Ort erfolgen. Es werden maximal die sechs dominantesten Frequenzanteile dargestellt. Es ist zu beachten, dass hochfrequente Signale mit sehr geringen Anteilen in der FFT auch durch Rauschen entstehen können, d.h. es sollte ein ausreichend gutes Signal vorhanden sein:

Abbildung 6: Beispiel einer Flickermessung mit drei Frequenzanteilen. In der linken Spalte ist die Frequenz zu sehen, auf der rechten Seite der prozentuale Anteil am Signal.

Neben den numerischen Angaben wird auch eine Datenlogger-Anzeige zur Verfügung gestellt. Diese gibt dem Anwender einen optischen Eindruck des Signals. Hierfür ist das hochauflösende Display des BTS256-EF gut geeignet, siehe Abbildung 7:

 
Abbildung 7: Graphische Darstellung des Lichtsignals. Es wird die ermittelte Periodenlänge durch zwei senkrecht gestrichelte Linien angezeigt.

Zudem ist das BTS256-EF in der Lage die Messgrößen Assist Mp, SVM und Pst unter Nutzung der S-BTS256 Software auszuwerten. Um die Messwerte dem Nutzer möglichst einfach zugänglich zu machen wurden in der Software eigens dafür gestaltete Fenster programmiert:

Abbildung 8: Anzeige der Flicker Werte in der S-BTS256 Software

Zudem kann das zeitliche Signal in einem Datenlogger untersucht werden:

Abbildung 9: Anzeige des Flicker Signals in der S-BTS256 Software

3.2 Messgenauigkeit und Einstellungen

Für die Messgenauigkeit sind einige Punkte zu beachten. Grundsätzlich sollte das zu vermessende Signal genügend groß sein (z.B. mindestens 100lx als Richtwert). Nur so ist ein ausreichend gutes Signal zu Rauschverhältnis für eine präzise Flickermessung gewährleistet. In Abbildung 8 ist ein Signal mit einem zu schlechten Signal zu Rausch Verhältnis beispielhaft dargestellt. Offensichtlich wird der Unterschied wenn Abbildung 7 mit Abbildung 10 vergleichen wird. Es ist ersichtlich, dass hier die Genauigkeit der Frequenz- als auch Flicker-Parameterberechnung abnimmt. Wie groß dieser Effekt ist hängt jedoch wiederum von der Amplitudenhöhe des Flicker Signals ab, eine sehr große Amplitude lässt sich unter Umständen bei sehr kleinen Signalen detektieren da hier der Rauschanteil weniger Einfluss hat. Flicker Signale mit sehr kleiner Amplitude können eventuell dabei nicht mehr detektiert werden da sie im Rauschen untergehen.

Als Richtlinie lässt sich sagen, dass die Amplitude des Rauschens wesentlich kleiner als die zu vermessende Amplitude der Flickerfrequenz sein muss.

Abbildung 10: Ein Signal mit 78,11lx bedeutet ein nicht ausreichendes Signal zu Rausch Verhältnis. Die Fehler in der Frequenz- und Flicker-Parameterbestimmung nehmen stark zu

Des Weiteren muss die Messzeit der Diode (Menü Diode Settings → Measure Time) dem zu messenden Signal angepasst werden.

                      Abbildung 11: Einstellung der Messzeit im Menü des BTS256-EF

D.h. bei zu erwartenden sehr hohen Frequenzen muss die schnellste Zeitkonstante der Diode, also 50ms, gewählt werden. Die sich daraus ergebende maximale Frequenz wird in den jeweiligen Anzeigen mit angegeben (siehe Abbildung 7 mit 5000Hz). Bei sehr niederfrequenten Signalen sollte eine dementsprechend längere Zeitkonstante gewählt werden, siehe Abbildung 11 mit 1000ms. Hierdurch ist die Frequenzauflösung wesentlich feiner, jedoch nimmt dabei die maximal zu ermittelnde Frequenz ab.

 
Abbildung 12: Darstellung eines niederfrequenten Signals, dabei ist die maximal zu ermittelnde Frequenz 600Hz bei dieser Signalstärke

Diese Einstellungen der Messzeit verändern die Messzeit des BTS256-EF insgesamt, d.h. falls die Flicker-Funktion nicht genutzt wird sollte die Diode auf 50ms eingestellt werden um die gesamte Messzeit des Geräts kurz zu halten.

Übersicht der Einstellungen und der damit bedingten Parameter im Handgerätemodus (keine Pst, SVM und Mp Auswertung möglich):

Bei Steuerung mittels Software ist die Analyse gemäß obiger Tabelle oder folgende hochaufgelöste Analyse möglich:

* bei ausreichendem S/N 

Wichtig ist zudem die Signalhöhe, da nicht alle Verstärkerbereiche die gleiche Zeitkonsante aufweisen (3dB Verstärkerbereich 0 bis 5 = 10 kHz, Verstärkerbereich 6 bis 8 = 200Hz). Details siehe Produktseite BTS256-EF.

4. Flicker Messung mit dem PFL-200

Das PFL-200 besitzt den gleichen Verstärker wie das BTS256-EF, ist jedoch mit einem BNC (-1) Detektoranschluss für exteren Detektoren ausgestattet. Die zeitlichen Spezifikationen sind dem BTS256-EF identisch.

5. Flicker Messung mit dem BTS2048-VL

In der BTS2048-VL ist die gleiche Signalverstärkereinheit wie im BTS256-EF implementiert. Daher kann die gleiche elektrooptische Leistung in Bezug auf Flickern erreicht werden. Das BTS2048-VL ist ein hochpräzises Messgerät, welches für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden kann bei denen spektralradiometrische Messungen benötigt werden. Z. B. als Sensor für Beleuchtungsstärkemessungen, als Detektor für Ulbrichtkugeln oder als Detektor für goniometrische Messungen (Link-Datenblatt).

Da das Messgerät ein per Ethernet oder USB Schnittstelle betrieben wird, entsprechen die Flicker-Spezifikationen denen der Remote Nutzung des BTS256-EF bei dem alle Flicker-Parameter ausgewertet werden können:

* bei ausreichendem S/N

6. Zusammenfassung

Für die Untersuchung von Lichtquellen bezüglich Flicker gibt es einige Messgrößen welche sich etabliert haben. Diese sind beispielsweise Flicker-Frequenz, der Flicker-Index, Flicker-Prozent, Pst (CIE:TN-006, IEC 61000-4-15, IEC 61547 und IEC TR 61547-1), Assist MP (Assist Volume 3, Issue 3) und SVM (CIE TN-006). All diese Größen können mit der BTS Serie der Gigahertz-Optik GmbH direkt optisch gemessen werden. Zusätzlich ermöglichen die Geräte, über eine integrierte FFT Analyse (Fast Fourier Transformation), die Analyse verschiedener Frequenzanteile mit ihrer Gewichtung im Lichtsignal. Dies ist dann interessant, wenn sich verschiedene Frequenzen oder wenn z.B. eine dominante Frequenz zusätzlich mit hochfrequenten Anteilen überlagert ist. Dabei kann das BTS256-EF Flicker-Frequenzen bis 5kHz untersuchen. Parallel zu diesen Flicker-Parametern ermittelt das BTS256-EF alle photometrisch relevanten Daten wie Beleuchtungsstärke, Farbort (x, y, u´,v´), Farbwiedergabeindex, TM-30-15, CIE2017, usw.. Zudem besticht das BTS256-EF durch seine kompakte Baugröße und seinen Spritzwasserschutz, wodurch es für den mobilen Einsatz hervorragend geeignet ist um Flicker Untersuchung vor Ort, z.B. am Arbeitsplatz, etc. durchzuführen. Das BTS2048-VL wird immer mehr zu einem Standard in der präzisen Vermessung (Testing) und schnellen Selektion von LEDs (binning). Es ist zudem ein sehr vielseitig einsetzbares Messgeräte, da es z.B. auch als Detektor für Ulbrichtkugeln oder Goniometer genutzt werden kann. 

7. Quellen

[1] Poplawski, M.E., Miller, N.M., Flicker in Solid-State Lighting: Measurement Techniques, and Proposed Reporting and Application Criteria, 1Pacific Northwest National Laboratory, Portland OR, USA

[2] Bullough, J.D., Sweater Hickcox, K., Klein, T.R., Lok, A., and Narendran, N., 2011. Detection and acceptability of stroboscopic effects from flicker, Lighting Research and Technology 0: 1-7.

[3] Bullough, J.D., Skinner, N.P., and Sweater Hickcox, K. 2012. Visual performance and perceived

lighting quality under flickering illumination, Proceedings of the 13th International Symposium on the Science and Technology of Lighting, June 24-29, 2012, Troy NY, pp. 375-376.

[4] Fenton, D.M. and Penney, R. 1985. “The effects of fluorescent and incandescent lighting on the

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[5] Fisher, R.S., Harding, G., Erba, G., Barkley, G.L., and Wilkins, A.J. 2005. “Photic-and Pattern-induced Seizures: Expert Consensus of the Epilepsy Foundation of America Working Group,” Epilepsia, vol. 46, no. 9, pp. 1426-1441.

[6] WILKINS, A.J., VEITCH, J.A., LEHMAN, B. 2010. LED lighting flicker and potential health concerns: IEEE Standard PAR1789 update. Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2010 IEEE, 12-16 Sept., 2010, p. 171-178.

[7] IES RP-7: Recommended Practice for Lighting Industrial Facilities, 2001. Illuminating Engineering

Society, New York, New York. Rea, M.S., The IESNA Lighting Handbook, 9th Edition, 2000. Illuminating Engineering Society, New York, New York.

[8] Veitch, J.A. and McColl, S.L., 1995. “Modulation of fluorescent light: Flicker rate and light source

effects on visual performance and visual comfort,” Lighting Research and Technology: 27, no. 4, p.

243.

[9] Vogels, I., Sekulovski, D., and Perz, M. (Est. 2011). Visible Artefacts of LEDs. Philips Lighting,

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[10] Wilkins, A.J., Nimmo-Smith, I.M., Slater, A. and Bedocs, L., 1989. Fluorescent lighting, headaches and eyestrain. Lighting Research and Technology 21: 11-18.

[11] Wilkins, A.J. and Roberts J.E., 2013. Flicker can be perceived during saccades at frequencies in

excess of 1kHz. Lighting Research and Technology 45: 124-132.

[12] CIE TN-006, International Commission on Illumination

[13] IEEE Std 1789:2015 IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers

[14] IEC 61000-4-15, International Electrotechnical Commission

[15] IEC 61547 and  IEC TR 61547-1, International Electrotechnical Commission

[16] Assist Mp, Assist Volume 11, Issue 3, January 2015, Lighting research Center

[17] CIE TN 012:2021  Guidance on the Measurement of Temporal Light Modulation of Light Sources and Lighting Systems