ストロボ効果

ストロボ効果は、連続的な回転運動やその他の周期的な運動が、運動の周期に近いサンプリング レートで、一連の短いまたは瞬間的なサンプル (連続ビューとは対照的)によって表されるときに発生するエイリアシングによって生じる視覚現象です。これは、ビデオでスポーク付きの車輪 (馬車など) が逆方向に回転しているように見えることがあることから「馬車の車輪効果」と呼ばれる現象の原因となります。

ストロボ噴水は、ストロボライトで照らされた一定の間隔で落ちる水滴の流れで、回転しない周期的な動きにストロボ効果を適用した例です。通常の光の下で見ると、これは普通の噴水です。水滴が落ちる速度に合わせて周波数を調整したストロボライトの下で見ると、水滴が空中に浮かんでいるように見えます。ストロボ周波数を調整すると、水滴がゆっくりと上下に動いているように見えるようにすることができます。

ストロボの原理と、動きの錯覚を作り出す能力は、アニメーション、映画、その他の動画の理論の基礎となっています。

サイモン・スタンファーは、1833年にストロボスコープ（通称「フェナキスティスコープ」）の特許出願でこの用語を作り出し、気づかれないうちに規則的に非常に短い光が途切れるときに、ある図形がわずかに異なる位置にある類似の図形に置き換わることで、動きの錯覚が生じる仕組みを説明した。このようにして、一連の図形を操作して、任意の方向への動きを表現できる。^[1]

機械分析で使用されるストロボスコープを考えてみましょう。これは、調整可能な速度で発光する「ストロボ ライト」です。たとえば、物体が 1 秒間に 60 回転しているとします。この物体を 1 秒間に 60 回の短いフラッシュで見ると、各フラッシュは回転サイクル内の同じ位置で物体を照らし、物体が静止しているように見えます。さらに、 1 秒間に 60 回のフラッシュの頻度では、視覚の持続性によってフラッシュのシーケンスが滑らかになり、認識される画像は連続したものになります。

同じ回転する物体を 1 秒間に 61 回のフラッシュで見ると、各フラッシュは回転サイクルのわずかに早い段階で物体を照らします。物体が再び同じ位置に見えるまでに 61 回のフラッシュが発生し、一連の画像は物体が 1 秒間に 1 回逆回転しているかのように認識されます。

物体を毎秒 59 回のフラッシュで観察した場合も同じ効果が発生しますが、各フラッシュは回転サイクルの少し遅れて物体を照らすため、物体は前方に回転しているように見えます。

同じことは、世界のほとんどの国の電力配電網の 50 Hz 特性のような他の周波数にも適用できます。

映画の場合、アクションは一連の静止画像として高速に撮影され、同様のストロボ効果が発生する可能性があります。

ストロボ効果はオーディオ再生にも影響を及ぼします。コンパクト ディスクは、ディスク表面からのレーザーのストロボ反射を利用して処理されます (コンピューター データにも使用されます)。DVDやBlu-ray ディスクにも同様の機能があります。

ストロボ効果はレーザーマイクにも役立ちます。

映画カメラは、通常、1 秒あたり 24 フレームで撮影します。車両の車輪が 1 秒あたり 24 回転することはまずありませんが (非常に高速であるため)、各車輪に 12 本のスポークがあり、1 秒あたり 2 回転するものとします。1 秒あたり 24 フレームで撮影すると、各フレームのスポークはまったく同じ位置に表示されます。したがって、車輪は静止しているように見えます。実際、写真に撮影された各スポークは、1 つの位置で、後続の各フレームでは実際のスポークは異なりますが、スポークの形状と色はほぼ同じであるため、違いは認識されません。したがって、車輪が 1 秒あたりに回転する回数が 24 と 12 の係数である限り、車輪は静止しているように見えます。

車輪が 1 秒間に 2 回転よりも少し遅く回転する場合、スポークの位置は各フレームごとに少しずつ後ろに下がるように見えるため、車輪は逆方向に回転しているように見えます。

ストロボ効果は、特定の時間的光アーティファクトの 1 つです。一般的な照明アプリケーションでは、ストロボ効果は、時間変調された光源によって照らされた移動または回転する物体を人が見ているときに見える可能性がある望ましくない効果です。時間的な光変調は、光源自体の変動から発生する場合もあれば、特定の調光または光レベル調整技術の適用による場合もあります。光変調のもう 1 つの原因は、フィルターなしのパルス幅変調タイプの外部調光器を備えたランプである可能性があります。これがそうであるかどうかは、回転するハンドスピナーを使用してテストできます。

様々な科学委員会が、ストロボ効果を含む時間的光変調（TLM）に起因する健康、パフォーマンス、安全関連の側面の可能性を評価してきました。^{[2] [3] [4]一般的な照明アプリケーション領域での悪影響には、不快感、作業パフォーマンスの低下、視覚疲労、頭痛などがあります。ストロボ効果の視認性の側面については、} CIEの技術ノート（ CIE TN 006:2016 ^[5]を参照）およびPerzの論文に記載されています。^{[6] [7]}

ストロボ効果は、高速で移動する機械や回転する機械がある職場でも危険な状況を引き起こす可能性があります。高速で回転する機械や可動部品の周波数が光変調の周波数またはその倍数と一致すると、機械が静止しているように見えたり、別の速度で動いているように見えたりして、危険な状況につながる可能性があります。回転する物体で目に見えるストロボ効果は、ワゴンホイール効果とも呼ばれます。

一般的に、光強度の変動によって引き起こされる人間の視覚知覚における望ましくない効果は、時間的光アーティファクト（TLA）と呼ばれます。ストロボ効果を含むさまざまなTLA現象の詳細な背景と説明は、録画されたウェビナー「すべては単なるちらつきですか？」で説明されています。^[8]

いくつかの特殊な用途では、TLM は望ましい効果をもたらすこともあります。たとえば、ストロボスコープは、短い光の繰り返しフラッシュを生成するツールで、動きの周波数の測定や、移動する物体の分析やタイミングに使用できます。また、ストロボ視覚トレーニング (SVT) は、変調された照明や断続的な視覚の条件下で活動を実行することで、スポーツ選手の視覚および知覚能力を向上させることを目的とした最近のツールです。^[9]

照明器具やランプなどの照明機器から発せられる光は、意図的または無意識のうちに、時間の関数として強度が変化することがあります。意図的な光の変化は、人々にちらつきを認識させることを目的として、警告、信号（例：交通信号、点滅する航空信号）、娯楽（舞台照明など）に適用されます。一般に、照明機器の光出力には、電気主電源接続の種類に関連する照明機器技術により、意図しない残留光レベル変調が発生することもあります。たとえば、単相主電源に接続された照明機器では、通常、主電源周波数の 2 倍の残留 TLM が発生し、100 Hz または 120 Hz になります（国によって異なります）。

TLM の大きさ、形状、周期性、周波数は、光源の種類、電源周波数、ドライバまたはバラスト技術、適用される光制御技術の種類 (パルス幅変調など) などの多くの要因によって異なります。変調周波数がフリッカー融合しきい値を下回り、TLM の大きさが特定のレベルを超えると、そのような TLM はフリッカーとして認識されます。変調周波数がフリッカー融合しきい値を超える光変調は直接認識されませんが、ストロボ効果の形で錯覚が見える場合があります (例: 図 1 を参照)。

LED は本質的に時間的変調を生成しません。LED は入力電流波形を非常によく再現するだけです。LED は応答が速いため、電流波形のリップルは光リップルによって再現されます。そのため、従来の照明技術 (白熱灯、蛍光灯) と比較して、LED 照明では TLA 特性に多様性が見られます。LEDドライバ回路にはさまざまなタイプとトポロジが適用されており、電子機器が単純で、バッファ コンデンサが限られているかまったくない場合、残留電流リップルが大きくなり、したがって時間的光変調が大きくなります。

外部から適用された調光器(互換性のない調光器) または内部の光レベル調整器の調光技術は、ストロボ効果のレベルに追加の影響を与える可能性があります。時間的な光変調のレベルは、通常、光レベルが低いほど増加します。

注 – 時間的な光変調の根本的な原因は、しばしばフリッカーと呼ばれます。また、ストロボ効果もしばしばフリッカーと呼ばれます。ただし、フリッカーは、比較的低い変調周波数 (通常 80 Hz 未満) での光変調によって生じる直接目に見える効果ですが、一般的な (住宅用) アプリケーションでのストロボ効果は、変調周波数 (通常 80 Hz を超える) での光変調によって目に見えるようになる場合があります。

一般的に、TLM のレベルを下げることで望ましくないストロボ効果を回避できます。

光源の TLM を削減する照明機器の設計は、通常、他の製品特性とのトレードオフとなり、一般的にコストとサイズが増加し、寿命が短くなり、エネルギー効率が低下します。

たとえば、LED を駆動する電流の変調を減らすには、TLA の視認性も低下するため、電解コンデンサなどの大容量の蓄電コンデンサが必要です。ただし、このようなコンデンサを使用すると、LED の寿命が大幅に短くなります。これは、すべてのコンポーネントの中で最も故障率が高いことがわかっているためです。TLA の視認性を下げるもう 1 つの解決策は、駆動電流の周波数を上げることですが、これによりシステムの効率が低下し、全体的なサイズが大きくなります。

TLM の変調周波数が 80 Hz ～ 2000 Hz の範囲にあり、TLM の振幅が特定のレベルを超えると、ストロボ効果が見えるようになります。TLM がストロボ効果として見えるかどうかを決定するその他の重要な要素は次のとおりです。

• 一時的に変調された光波形の形状（例：正弦波、矩形パルスおよびそのデューティサイクル）。
• 光源の照度レベル。
• 観測された移動物体の移動速度。
• 年齢や疲労などの生理的要因。

観察者に関連する影響量はすべて確率的パラメータです。なぜなら、すべての人が同じ光の波紋の効果を同じように知覚するわけではないからです。そのため、ストロボ効果の知覚は常に一定の確率で表現されます。一般的な用途で遭遇する光レベルと、物体の中程度の移動速度（人間が出すことができる速度に関連）については、知覚研究に基づいて平均感度曲線が導出されています。^{[6] [10]}ストロボ効果コントラスト閾値関数とも呼ばれる正弦波変調光波形の平均感度曲線は、周波数fの関数として次のようになります。

${\displaystyle T(f)=2.865\times 10^{-5}\times f^{1.543}+0.225}$

コントラストしきい値関数を図 2 に示します。TLM の変調周波数が約 10 Hz ～ 2000 Hz の範囲内にあり、TLM の振幅が特定のレベルを超えると、ストロボ効果が目に見えるようになります。コントラストしきい値関数は、100 Hz 付近の変調周波数では、比較的低い振幅の変調でストロボ効果が見えることを示しています。理論上はストロボ効果は 100 Hz 未満の周波数範囲でも見えますが、実際には60 Hz までの周波数範囲ではちらつきの可視性がストロボ効果よりも優勢になります。さらに、残留 TLM は通常、主周波数の 2 倍 (100 Hz または 120 Hz) の変調周波数で発生するため、100 Hz 未満の周波数で意図的に反復する大きな振幅の TLM が実際に発生する可能性は低いです。

ストロボ効果やその他の一時的な光アーティファクトの可視性に関する詳細な説明は、CIE TN 006:2016 ^[5]や録画されたウェビナー「すべてはちらつきだけなのか？」でも提供されています。^[8]

ストロボ効果を客観的に評価するために、ストロボ効果視認性尺度（SVM）が開発されている。^{[5] [6] [10]}  ストロボ効果視認性計の仕様と照明機器の客観的評価のための試験方法は、IEC技術報告書IEC TR 63158に掲載されている。^[11] SVMは次の合計式を使用して計算される。

${\displaystyle SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _{m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}}\right)^{3.7}}},}$

ここで、C _{m は}相対照度（DC レベルを基準とする）の m 番目のフーリエ成分（三角関数のフーリエ級数表現）の相対振幅です。

T _{m は}、m 番目のフーリエ成分の周波数における正弦波のストロボ効果の可視性に関するストロボ効果コントラスト閾値関数です (§ 可視性を参照)。SVMは、一般的な屋内照明レベル (> 100 lx) および観察者または近くの取り扱われる物体の中程度の動き (< 4 m/s) を伴う一般的な屋内用途での照明機器の時間的光変調の可視ストロボ効果を、人間の観察者が客観的に評価するために使用できます。たとえば、作業場で急速に回転または移動する機械の誤認など、他の用途での望ましくないストロボ効果を評価するには、他の測定基準と方法が必要になる場合があり、または評価は主観的なテスト (観察) によって行うことができます。

注 – 照明機器のストロボ効果の性能を指定するために、変調深度、フリッカー率、フリッカー指数などのいくつかの代替指標が適用されています。人間の知覚は変調深度、変調周波数、波形、および該当する場合は TLM のデューティ サイクルによって影響を受けるため、これらの指標はいずれも実際の人間の知覚を予測するのに適していません。

SVMを計算する関数といくつかのアプリケーション例を含むMatlabストロボ効果可視性測定ツールボックスは、Mathworksコミュニティを通じてMatlab Centralで入手できます。^[12]

SVMの値が1に等しい場合、光波形の入力変調により、ちょうど目に見える、すなわち可視性しきい値のストロボ効果が生成されます。^[5]これは、平均的な観察者が50%の確率でアーティファクトを検出できることを意味します。可視性の測定値が1より大きい場合、効果の検出確率は50%を超えます。可視性の測定値が1より小さい場合、検出確率は50%未満です。これらの可視性しきい値は、集団内の平均的な人間の観察者の平均検出を示しています。ただし、これは許容性を保証するものではありません。それほど重要でないアプリケーションでは、アーティファクトの許容レベルが可視性しきい値をはるかに上回る可能性があります。他のアプリケーションでは、許容レベルが可視性しきい値を下回る場合があります。NEMA 77-2017 ^[13]には、さまざまなアプリケーションの受け入れ基準に関するガイダンスが提供されています。

ストロボ効果試験の典型的な試験セットアップを図3に示す。ストロボ効果視程計はさまざまな目的に適用できる（IEC TR 63158 ^[11]を参照）。

• 安定した主電圧が供給されたときの照明機器の固有のストロボ効果の性能の測定。
• 照明器具の調光効果や外部調光器の効果（調光器適合性）をテストします。

1. CIE TN 006:2016:ストロボ効果を含むTLAの定量化のための用語、定義、方法論、および尺度を紹介します。^[5]
2. IEC TR 63158:2018:ストロボ効果視程計の仕様と検証方法、調光器との互換性に関する試験手順などが含まれています。^[11]
3. NEMA 77-2017: ^[13]フリッカー試験方法および合格基準のガイドラインなど。

ストロボ効果は、高速で移動する機械や回転する機械がある職場では危険な状況につながる可能性があります。高速で回転する機械や可動部品の周波数が光変調の周波数またはその倍数と一致すると、機械が静止しているように見えたり、別の速度で動いているように見えたりして、危険な状況につながる可能性があります。^[要出典]

ストロボ効果は動いている機械に錯覚を与える可能性があるため、単相照明は避けることをお勧めします。たとえば、単相電源で基本照明を点灯している工場では、100 または 120 Hz (国によって異なりますが、ヨーロッパでは 50 Hz x 2、米国では 60 Hz x 2、公称周波数の 2 倍) のちらつきが発生します。そのため、50 または 60 Hz (3000～3600rpm) の倍数で回転する機械は回転していないように見え、作業者の負傷のリスクが高まります。解決策としては、完全な 3 相電源で照明を展開するか、より安全な周波数で照明を駆動する高周波コントローラーを使用するか^[14]、直流照明を使用する方法があります。^[要出典]

• 3Dゾエトロープ
• 電子チューナー § ストロボチューナー
• 時間的な光のアーティファクト
• 時間的な光の効果
• ちらつき（光）
• フリッカー融合閾値

ウィキメディア・コモンズには、ストロボ効果に関連するメディアがあります。

• https://www.youtube.com/watch?v=3_vVB9u-07I この効果の明確な例。
• インタラクティブ ストロボ ファウンテン - ストロボ周波数を調整して、落下する水滴の見かけの動きを制御できます。
• 西山 裕(2012)、「扇形の数学」(PDF)、国際純粋応用数学誌、78 (5): 669–678。