¿Límite de la percepción del parpadeo del ojo humano?

Estoy diseñando un atenuador de LED utilizando la modulación de ancho de pulso controlada por software y quiero saber la frecuencia mínima de PWM que debo alcanzar para que el método de atenuación de LED no se distinga de la corriente continua variable.

Para atenuar al X% de potencia, el LED estará completamente encendido durante el X% del período PWM y completamente apagado durante el resto, con X de 0 a 100. Asumo que el observador puede comparar con los LED cercanos impulsados ​​por corriente continua. a varias potencias (pero no exactamente X% de potencia), y puede mover el ojo (en particular, mire los LED en la visión periférica, que, según me dijeron, es el más sensible al parpadeo). No tengo en cuenta mover la cabeza a propósito en relación con los LED, lo que (supongo) podría ser un método de distinción efectivo; y uso de un disco de hendidura giratorio o una técnica similar.

Leí que los proyectores de películas usan una frecuencia de obturación de 48 o 72 Hz (dos o tres veces la velocidad de fotogramas) para reducir el parpadeo a algo tolerable (pero bastante perceptible en la visión periférica, supongo). También leí que se ha elegido la frecuencia de CA de 50 o 60 Hz para evitar el parpadeo, lo que sugiere que ese parpadeo de 100 o 120 Hz es perceptible (pero el límite podría ser mucho mayor, porque la inercia térmica del filamento debe amortiguar las variaciones). Otro punto de referencia es que se han diseñado CRT con una frecuencia de exploración de 100 Hz, presumiblemente con algún beneficio (pero, de nuevo, eso no es una indicación del límite superior).

Editar: Encontré esta publicación relevante, Efectos de la iluminación de alta frecuencia en la visión humana

Editar: Mi LED es "blanco", que es realmente azul con un convertidor de luminiscencia que consiste en un material de fósforo inorgánico.

como regla general, 30 Hz o 30 fps no serán perceptibles.
Eso es para el movimiento. El parpadeo es horrible a 30 Hz.
Debe verificar IEEE "Diseño para mitigar los efectos del parpadeo en la iluminación LED": TLDR por encima de 4 KHz está súper seguro. bio-licht.org/02_resources/…

Respuestas (6)

Tiene razón al compararlo con las frecuencias de actualización de la televisión; mi hermano se graduó en investigación de parpadeo para televisores LED. De hecho, necesita conducir su LED a velocidades más altas. Los televisores LED tienen problemas de parpadeo a 60 Hz. En realidad, las frecuencias involucradas son aún más altas: los televisores LED usaban PWM para mostrar intensidades en el rango de 0 a 255, al dividir 1/60 de segundo por cuadro en partes que duraban 1/120, 1/240, 1 /480a,... de un segundo. ( usado ; algunos televisores modernos ahora usan esquemas más complejos y menos regulares que reducen la percepción del parpadeo).

Otro efecto que debe tener en cuenta son los fósforos involucrados en los CRT. Los modelos de 100/120 Hz no tienen problemas de parpadeo porque los fósforos están diseñados para brillar durante milisegundos. Es posible que sus fósforos LED no estén diseñados para eso; hay algunas variantes bastante diferentes alrededor.

¿Alguna referencia a la investigación/tesis de su hermano? Y +1 por sugerir alternativas al PWM simple al implementar la atenuación mientras aumenta la frecuencia de parpadeo.

Parece que ya hiciste la mayor parte de la investigación tú mismo.

Sin embargo, hay un efecto importante que puede mantener visible el parpadeo, incluso a 200 Hz o más. Y eso se debe al movimiento: dejar la huella como una línea punteada en la retina, o crear la percepción de que la luz está ligeramente por detrás del objeto al que está adherida. Es posible que esto no se note en proyecciones grandes (cine), pero se nota mucho en fuentes puntuales como los LED. Durante los movimientos sacádicos (movimientos oculares rápidos), el ojo puede girar a más de 500 grados/seg. Combine eso con la alta resolución de la visión humana (hasta 2 minutos de arco) y obtenga una frecuencia mínima teórica de 15 KHz. Si espera que la fuente de luz y el observador se muevan entre sí, podría argumentar que este límite debe ser aún mayor.

Sí. Mi "No tengo en cuenta mover la cabeza a propósito en relación con los LED" debe reformularse como "El LED no se mueve en relación con la cabeza del observador".
¿Hay fuentes para el parpadeo visible? Cito a su respuesta aquí .
Hola @KeithMcClary. Lo obtuve principalmente por experiencia personal. Un caso notable fue con un proyector que intercalaba marcos rojos, verdes y azules. Fue súper notable cuando la lente pasó a través de mi vista, cuando la luz se 'borró' en mi retina, se volvió todo colorido.

En primer lugar, debido al rango de ciclos de trabajo utilizados para simular la atenuación, su condición más atenuada mejorará los efectos de parpadeo más allá de las formas de onda utilizadas en los experimentos utilizados tradicionalmente para encontrar el umbral de fusión de parpadeo. Esto significa que deberá tratar la referencia a continuación con precaución, o correr el riesgo de que sus resultados sean aceptables, o posiblemente encontrar a alguien con (probablemente) información no publicada usando un sistema similar.

Parece que está creando una modulación del 100% en una aplicación de iluminación (el fósforo probablemente no evitará esto en las frecuencias que está considerando usar). Las respuestas (adversas) todavía ocurren por encima del nivel de percepción de parpadeo hasta 162 Hz (y más allá). Consulte Berman et al 1991, Optometry and Vision Science, y considere las diferencias en la forma de onda (ciclo de trabajo) y la intensidad. Hay otros factores, como el espectro y el tamaño y la ubicación del estímulo en el campo de visión, pero estos probablemente sean secundarios para su decisión. Sin embargo, como lo más probable es que ambos vayan en contra de sus objetivos, probablemente también sea prudente agregar un margen generoso.

Depende de las circunstancias, en qué parte del campo de visión y la iluminación ambiental.

En una luz brillante que lo mira directamente, entonces el parpadeo de 20 Hz sería apenas perceptible, en la visión de la esquina oscura adaptada "de su ojo" puede detectar 60 Hz, suponiendo que el LED se apague por completo.

Las lámparas regulares no causan parpadeo a 50/60 Hz porque el filamento apenas cambia de brillo durante el ciclo porque no tiene tiempo para enfriarse. Los tubos fluorescentes son notoriamente 'parpadeantes' porque se apagan en cada ciclo.

Como no tiene ninguna razón para no ir a alta frecuencia (<1Khz), también podría hacerlo.

Tengo un incentivo para bajar la frecuencia: el PWM está en el software, ejecutándose simultáneamente para 10 pines de una pequeña CPU con factor de atenuación individual, y hay otras cosas que hacer. De su respuesta y otras fuentes, entiendo que 60 Hz podrían detectarse en la oscuridad, 1 kHz no, pero me gustaría reducir ese intervalo. Seguramente eso debe haber sido estudiado.
Entonces cualquier cosa más rápida que 50 Hz probablemente estaría bien. Otro truco es un solo PWM para modular el suministro común a todos los leds (a través de un transistor de conmutación)

Hay muchos factores involucrados y aunque hay estudios para la iluminación de la habitación (encontraron una disminución en los días de baja por enfermedad al cambiar a frecuencias más altas de fluorescente de 50 Hz), TV sin parpadeos y efectos del movimiento como mencionó Kris Van Bael, pero para su aplicación allí podría haber dos soluciones simples:

  • Para un atenuador de LED, no necesita variar su brillo con una frecuencia alta, por lo que puede usar un pequeño capacitor en paralelo con su LED que amortigua su oscilación PWM para lograr mucho menos parpadeo, incluso a frecuencias más bajas.
  • Puede "subcontratar" la creación de pulsos PWM a un chip temporizador (NE555 o similar) y su controlador solo tiene que actualizar el valor PWM, mientras que el chip externo crea la alta frecuencia (1 kHz o superior) (se pueden encontrar ejemplos en los sitios web de Arduino)
El condensador a través del LED debe ser de varios uF, por lo que tiene un costo y espacio no despreciables. También multiplica la corriente de entrada (para cargarlo inicialmente) por un factor de aproximadamente 3, excediendo la clasificación máxima de mi puerto de salida. PWM subcontratado no es una opción por la misma razón de costo y espacio. Realmente mi única opción es aumentar la frecuencia de parpadeo.

Si considera los monitores de computadora, para hacer que el cursor del mouse se mueva suavemente, debe evitar que se salten píxeles al moverse. Dado que uno puede mover el cursor de una esquina a la otra en aproximadamente 1/2 segundo y la resolución horizontal es de 1920 píxeles en los monitores modernos, esto nos da alrededor de 4000 Hz. Por supuesto, con una mejor resolución, se requeriría una mayor frecuencia para lograr la máxima suavidad.

Bueno, los monitores de computadora solo actualizan su imagen alrededor de la frecuencia de fusión del parpadeo, es decir, alrededor de 60 Hz. Por lo tanto, los 4000 Hz no se pueden lograr en la práctica (ni son observables para el ojo humano).