Míhání, stroboskopický jev nebo blikání osvětlení patří mezi jevy, při kterých se intenzita světla (nebo jeho spektrální složení či prostorové rozložení) mění v čase a uživatel vnímá toto kolísání přímo jako rušivý vjem nebo nepřímo jako optický klam.
Biologické účinky
Pro některá onemocnění je typické zvýšené osvojování rytmu míhajícího světla mozkovými vlnami. Periodické změny světla mohou u lidí se vzácnou fotosenzitivní epilepsií vyvolat záchvat. Citlivost na kontrastní periodické vzory v časové i prostorové oblasti je popsána rovněž u migrény. Míhavé světlo také způsobuje rozšíření očních cév a zvyšuje průtok krve sítnicí [1], což naznačuje, že oko při takové expozici spotřebuje více energie. S míháním osvětlení je rovněž spojena únava zraku, pokles pracovní výkonnosti nebo horší subjektivní hodnocení osvětlení.
Stroboskopický jev
Při osvětlení rotujících předmětů míhavým světlem může nastat stroboskopický jev, při kterém má pozorovatel dojem, že je pozorovaný předmět v klidu nebo se pohybuje menší rychlostí či opačným směrem. Na základě této mylné informace se pak může např. dotknout rotující části obráběcího stroje nebo lopatky běžícího ventilátoru a způsobit si úraz. Přímočarý pohyb periodických struktur se v míhavém světle může jevit jako trhavý, což odpoutává pozornost od prováděné činnosti.
Řada zdánlivých obrazů
(ghosting, phantom array)
Nachází-li se v zorném poli zdroj míhajícího světla nebo takto osvětlený předmět, dochází při pohybu oka k expozici jednotlivých úseků sítnice s různou intenzitou. Například míhající LED brzdová světla automobilu se při rychlém (sakadickém) pohybu oka jeví jako přerušovaná řada zdánlivých obrazů, což může řidiče překvapit, krátkodobě fixovat jeho pozornost, a prodloužit tak reakční dobu.
Aplikace
Míhající, resp. blikající světlo však má i své využití. Stroboskopický jev se využívá např. k bezdotykovému měření otáček, při seřizování motorů, při vyšetření hlasivek, k vytvoření efektu rozfázovaného pohybu při tanečních kreacích nebo na diskotékách. Díky synchronizovaným zábleskům lze vyfotografovat nebo nafilmovat fáze rychlých dějů. Míhající světlo se používá k aktivaci mozkových vln při EEG. Je známo, že u seniorů míhající světlo trochu zvyšuje skóre v kognitivních testech. Přístroje pro audiovizuální stimulaci (AVS, psychowalkmany) pracují na principu míhajícího světla v kombinaci se zvukem. Nedávné výzkumy ukazují na možnost využít míhající světlo u pacientů s Alzheimerovou chorobou [2].
Temporal light artifacts (TLA)
Tento souhrnný anglický název se používá pro jevy související s vnímáním časových změn osvětlení. Může jít o kolísání intenzity, chromatičnosti nebo spektrálního složení.
Normy
Norma [3, str. 17] ukládá, že osvětlovací soustavy mají být navrženy tak, aby se zabránilo míhání a stroboskopickým jevům. Díky elektronickým předřadníkům pro zářivky bylo možné tento požadavek považovat za splněný, ale s příchodem světelných diod (strmá voltampérová charakteristika; světelný tok velmi rychle následuje změny proudu) a s velkou rozmanitostí jejich napájecích obvodů se opět dostal do popředí zájmu.
Blikání (též flikr)
Blikání je podle [4, str. 28] pocit nestálého zrakového vnímání vyvolaný světelným podnětem, jehož jas nebo spektrální rozložení kolísá v čase. Tyto pojmy se používají v oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC) a kvality energie (PQ).
Míhání
Míhání je podle [5, str. 45] subjektivní dojem nestálosti zrakového vjemu způsobený podnětem, jehož jas nebo spektrální složení kolísá. Používá se ve světelné technice.
Anglicky se obojí řekne flicker a obě definice jsou v angličtině shodné. Definice podle doporučení CIE [6, str. 7] přidává podmínku statického pozorovatele ve statickém prostředí.
Norma [7, str. 57] definuje míhání jako změnu světelného toku světelného zdroje nebo svítidla vlivem výkyvů napětí jeho napájecího zdroje.
Viditelnost míhání
Míhání je možné pozorovat, pokud je jeho frekvence nižší než frekvence splývání. Ta je za běžných podmínek (stovek luxů) přibližně 40 až 50 Hz. Jako mezní hodnota (pro vyšší osvětlenosti) se udává 60 až 90 Hz. Nad frekvencí splývání podle Talbotova zákona je registrována jen střední hodnota kolísajícího podnětu. Nejvíce jsou lidé citliví na míhání o frekvencích 7 až 13 Hz, viz obr. 1.
Obr. 1. Frekvenční závislost hloubky modulace, při které je míhání na hranici pozorovatelnosti – nižší hodnota představuje větší citlivost [7, str. 49]
V oblasti ostrého vidění člověk vnímá nejvýrazněji míhání červeného světla, v periferním poli dominuje míhání modrého světla. Rozdílné časové odezvy zrakového aparátu na jednotlivé barvy ilustruje experiment zvaný Fechnerovy barvy, kdy při pozorování rotujícího černobílého obrazce vzniká na sítnici barevný vjem.
Míhání pozorovatel s větší pravděpodobností uvidí v odraženém světle nebo jako neklid v periferním zrakovém poli. Při přímém pohledu na míhající světelný zdroj nebo svítidlo však míhání nemusí být patrné. Nad frekvencí splývání již není kolísání světla viditelné přímo, ale lze je pozorovat v podobě stroboskopického jevu (při pohybu předmětu) nebo řady zdánlivých obrazů (při pohybu oka pozorovatele). Jako mezní frekvence se zde obvykle uvádí hodnota 3 kHz.
Elektrické příčiny
Elektrické příčiny míhání světla generovaného světelnými zdroji a svítidly lze rozdělit na:
– míhání v bezporuchovém stavu:
- způsobené kolísáním nebo změnami napájecího (síťového) napětí,
- způsobené vlastní konstrukcí nebo vnitřním zapojením světelného zdroje či svítidla, jeho komponentu nebo interferencí mezi jeho komponenty;
– míhání při poruše za normálních napájecích podmínek (např. konec života světelného zdroje, degradace napájecího komponentu).
Kvalita energie
Z hlediska kvality energie je žádoucí, aby napájecí napětí neobsahovalo průběhy, které způsobují blikání osvětlení. Jde zejména o jevy ovlivňující vrcholovou hodnotu napětí, jako jsou běžné kolísání velikosti napětí, rychlé poklesy a zvýšení napětí nebo meziharmonické složky. Podrobnosti najde čtenář v ČSN EN 50160, v Pravidlech provozování distribučních soustav a v jejich přílohách nebo v podnikových normách PNE 33 3430 či v mezinárodní normě IEEE Std 1453™.
EMC svítidel
Z hlediska konstrukce je žádoucí, aby svítidla a jejich jednotlivé elektrické komponenty byly proti rušivým vlivům ze sítě přiměřeně odolné a zároveň k těmto vlivům samy nepřispívaly více, než je rozumné. Elektromagnetickou odolnost svítidel specifikuje ČSN EN 61547, která mj. obsahuje
požadavky na chování zařízení při krátkodobých poklesech napětí. Omezování změn napětí, kolísání napětí a flikru generovaných zařízením připojeným do veřejné napájecí sítě se věnují normy ČSN EN 61000-3-3 a -11, avšak svítidla ani světelné zdroje se běžně za zdroje těchto druhů rušení nepovažují.
„Vlastní míhání“
I při splnění požadavků na kvalitu energie a elektromagnetickou kompatibilitu se může stát, že uživatel nebude s osvětlením z hlediska míhání spokojen. Příčinou může být samotná konstrukce použitého napájecího zdroje – v kombinaci s rychlou odezvou světelných diod. Napájecí zdroj přitom může být komponentem svítidla, samostatnou jednotkou (adaptérem) nebo může být integrován ve světelném zdroji (LED náhrady žárovek). Při současném tlaku na miniaturizaci a cenovou konkurenceschopnost se lze snadno setkat s napájecími komponenty (včetně těch integrovaných ve světelných zdrojích), u kterých si výrobce s míháním hlavu příliš nelámal. Proto je třeba umět jednotlivé světelné zdroje a jejich napájecí komponenty srovnávat z hlediska časového průběhu osvětlení, které za normálních podmínek poskytují – nejlépe tak, že se průběh světelné veličiny převede na číslo. Takových postupů je několik, od jednoduchých až po komplexní.
Činitel vlnitosti světla
Činitel vlnitosti světla je patrně nejstarším měřítkem míhání a je definován vztahem [9, str. 193]
@rovnice1@
kde Фmin a Фmax jsou globální minimum a maximum světelného toku Ф(t) za periodu, viz obr. 2. Synonyma jsou hloubka modulace, Michelsonův kontrast nebo anglicky flicker percent. Další značení je FP, Fpercent nebo mod%. Při temném pozadí lze okamžitý světelný tok nahradit okamžitou reprezentativní osvětleností. Výhodou tohoto postupu je srozumitelnost a v minulosti snadná realizovatelnost pomocí analogových detektorů minima a maxima. Nevýhodou je, že tento postup nezohledňuje frekvenci ani tvar vlny, které jsou pro míhání velmi podstatné. Umožňuje tak srovnávat podobné světelné zdroje míhající na stejné frekvenci, např. různé zářivky provozované na síťovém kmitočtu nebo zářivky v různém stupni opotřebení elektrod. Červený průběh na obr. 2 ilustruje Ф(t) zářivky s jednou elektrodou částečně deaktivovanou. Typická hodnota kf při napájení ze sítě je pro 60W žárovku 7 %, pro zářivku asi 30 až 60 % [9, str. 194].
@obr2@
Obr. 2. Činitel vlnitosti světla kf je stejný pro všechny tři průběhy
Index míhání
Tato veličina byla navržena jako vylepšená náhrada kf a je definována vztahem [9, str. 193]
@rovnice2@
Kde A1 je plocha ohraničená Ф(t) nad linií střední hodnoty, A2 plocha ohraničená Ф(t) pod linií střední hodnoty, viz obr. 3. Anglický název je flicker index a označení FI nebo Findex. Uvádí se jako bezrozměrné číslo 0 až 1, aby se nezaměňoval s činitelem vlnitosti (v procentech). Oproti kf je integrálním přístupem částečně zohledněn tvar průběhu. Tento postup podobně jako kf nezohledňuje frekvenci. Typická hodnota při napájení ze sítě je pro 60W žárovku 0,03 a pro zářivku přibližně 0,1, což je zároveň doporučená maximální hodnota [9, str. 194].
@obr3@
Obr. 3. Index míhání f je stejný pro všechny tři průběhy
Spektrální metody
Snaha o vytvoření měřítka více zohledňujícího tvar zvlnění vedla k vytvoření různých spektrálních metod jako FVM, SVM nebo Assist Mp. Tyto metody jsou založeny na diskrétní Fourierově transformaci, která převádí změřený časový průběh na jeho frekvenční spektrum. Amplitudy jednotlivých spektrálních složek se po vynásobení váhovými součiniteli pro jednotlivé frekvence sčítají. Nebere-li se v tomto procesu v úvahu fázová složka spektra, udává takové měřítko hodnotu pro nejméně příznivý ze všech časových průběhů odpovídajících amplitudové složce spektra. Srovnání dvou takových průběhů viz obr. 4.
@obr4@
Obr. 4. Dva různé průběhy se stejnou amplitudovou složkou spektra
Objektivní měření
Konstrukci a vlastnostem měřiče blikání (flikrmetru) je věnována norma ČSN EN 61000-4-15, která obsahuje metodiku pro stanovení krátkodobé i dlouhodobé míry vjemu flikru z průběhu napětí. Jádrem přístroje je kaskáda filtrů a kvadrátorů, které modelují 60W žárovku (což byl v době vzniku měřiče referenční světelný zdroj) a odezvu oka/mozku průměrného pozorovatele za referenčních pozorovacích podmínek na změny světla a jejichž výstup se zpracovává statistickými metodami. V říjnu 2017 vyšel novelizovaný předpis IEC TR 61547-1, který popisuje objektivní měřič flikru/blikání vhodný i pro nové světelné zdroje a uvádí metodiku pro určení měr vjemu flikru jak z průběhu napětí, tak i z průběhu osvětlenosti. Literatura obsahuje mj. odkazy na práce doc. Drápely a Ing. Šlezingra z VUT Brno. Veřejně dostupné softwarové implementace těchto algoritmů pro MatLab® či volně dostupný GNU Octave umožňují např. zpracovat průběhy zaznamenané digitálním osciloskopem nebo provádět simulace.
Měřicí přístroje
Profesionální měřiče blikání/flikru bývají součástí přístrojů pro zkoušky EMC nebo analyzátorů kvality energie, které vyhodnocují časový průběh napětí v souladu s ČSN EN 61 0004-15. Konstrukce objektivního měřiče blikání vyhodnocujícího časový průběh světelného toku je podrobně popsána v [8]. Nové přístroje budou pravděpodobně koncipovány v souladu s IEC TR 61547-1. Orientační měření Pro rychlou orientaci při vývoji svítidel nebo výběru komponentů často stačí změřit průběh proudu tekoucího světelnými diodami, jemuž je v širokém rozsahu úměrný světelný tok. Jestliže to není možné, lze se průběhu proudu dobrat z průběhu napětí na světelných diodách s pomocí jejich (strmé) voltampérové charakteristiky. Pro měření okamžité (reprezentativní) osvětlenosti lze k osciloskopu připojit jednoduchou sondu s integrovaným převodníkem světla na napětí, např. TLS257, která je popsána v [10]. Na trhu jsou také kapesní měřiče míhání světla (angl. flicker meter), které zobrazují frekvenci, činitel vlnitosti a index míhání, míru viditelnosti stroboskopického jevu SVM nebo tvar vlny.
Závěrem
Na míhání už se málem zapomnělo, ale nástup světelných diod je vrátil mezi důležité jevy ve světelné technice, které mají vliv na bezpečnost i na spokojenost uživatele s osvětlením. Příští část bude věnovaná mj. míhání v záznamové technice.
Použitá a doporučená literatura:
[1] GARHÖFER, G. et al. Diffuse luminance flicker increases blood flow in major retinal arteries and veins. Vision Research. 2004, 44(8), 833–838. ISSN 00426989. Dostupné také z: https://goo.gl/jdDMdn
[2] IACCARINO, Hannah F. et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature. 2016, 540(7632), 230–235. DOI: 10.1038/nature20587. ISSN 0028-0836. Dostupné také z: https://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature20587
[3] ČSN EN 12464-1:2012. Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory.
[4] ČSN IEC 50(161):1993+A1:1999+A2:2000. Mezinárodní elektrotechnický slovník. Kapitola 161: Elektromagnetická kompatibilita.
[5] ČSN IEC 50(845):1996+Z1:2000. Mezinárodní elektrotechnický slovník. Kapitola 845: Osvětlení.
[6] CIE TN 006:2016. Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems – Definitions and Measurement Models.
[7] IEEE Std 1789™-2015. IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers.
[8] DRÁPELA, Jiří. Objektivní flikrmetr. Ústav elektroenergetiky: Vysoké učení technické v Brně [online]. [cit. 2018-01-25]. Dostupné z: https://goo.gl/1m7GZS
[9] HABEL, Jiří a kol. Světelná technika a osvětlování. Praha: FCC Public, 1995. ISBN 80-901-9850-3.
[10] How to measure light flicker in LED lamps [online]. Richtek Technology Corporation, 2006 [cit. 2018-01-04]. Dostupné z: https://goo.gl/WvAmjE
Recenze: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D., Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně.
