臨界融合頻率

臨界融合頻率（critical fusion frequency，CFF）又稱閃光臨界融合頻率、臨界閃爍融合頻率、閃爍融合閾值（flicker fusion threshold），是描述閃爍光源發光特性的一個物理量，屬於視覺心理物理學中的一個概念。

CFF的操作型定義為給予被試者一連串的閃光刺激，在閃光頻率較低的時候，被試者可以感受到較明顯的閃爍；當閃光的閃爍頻率增高到一定水平時，被試者的閃爍感覺消失，從而產生穩定光亮的感覺，這個「臨界頻率」就叫做臨界融合頻率，即：CFF以其閃爍頻率剛剛達到某一穩定狀態時所對應的頻率值表示。

臨界融合現象與視覺暫留效應有關。儘管閃光可以以很多種波形表現出來，傳統的研究中仍然使用正弦調製的視覺刺激。

有6個決定我們的視覺系統是否能夠監測到閃光的參數：

- 調製頻率
- 調製幅度，也就是亮度變化的範圍
- 亮度均值
- 光照的波長範圍
- 閃光照射在視網膜上的位置（不同的位置對應了不同類型的感光細胞）
- 亮暗適應的程度，如果前面曝光過強，就會影響後續對閃光的監測。

和所有的心理物理中的閾值一樣，臨界融合頻率是一個統計值而並非一個絕對值。因此，在一個頻率範圍之內，就會感覺到時而能夠看到閃光，時而看不到閃光。臨界融合頻率指的是有50%的機率能夠檢測到閃光的頻率。

## 解釋

只要調製頻率保持在融合閾值以上，就可以通過改變明暗的相對持續時間來改變感知到的強度。延長暗期可以使圖像變暗；因此，有效亮度和平均亮度相等。這被稱為塔爾博特定律。與所有心理物理閾值一樣，閃爍融合閾值是一個統計量，而不是絕對量。在一個頻率範圍內，閃爍有時可見，有時不可見，而閾值是指在 50% 的試驗中檢測到閃爍的頻率。

視覺系統中的不同點具有非常不同的臨界閃爍融合率 (CFF) 靈敏度；對於給定的調製幅度，感知的總體閾值頻率不能超過其中最慢的頻率。每種細胞類型對信號的整合方式都不同。例如，視杆感光細胞對光極其敏感，能夠檢測到單個光子，但反應遲鈍，哺乳動物的時間常數約為 200 毫秒。相比之下，視錐細胞雖然強度敏感度低得多，但時間解析度比視杆細胞好得多。對於視杆細胞和視錐細胞介導的視覺，融合頻率都隨著照度強度的增加而增加，直到達到對應於每種視覺類型的最大時間解析度的平台期。視杆細胞介導的視覺的最大融合頻率在約 15 赫茲 (Hz) 處達到平台期，而視錐細胞在非常高的照度強度下可觀察到的平台期約為 60 Hz。

除了隨著平均照度強度的增加而增加外，融合頻率還隨著調製程度（呈現的光強度最大相對降低）的增加而增加；對於每個頻率和平均照度，都有一個特徵調製閾值，低於該閾值就無法檢測到閃爍，並且對於每個調製深度和平均照度，都有一個特徵頻率閾值。這些值隨照射波長的不同而變化，這是因為感光器靈敏度與波長有關，並且它們也隨視網膜內照射位置的不同而變化，這是因為視錐細胞集中在包括中央凹和小凹在內的中央區域，而視杆細胞在視網膜周邊區域占主導地位。

## 技術考慮

### 顯示幀率

閃爍融合在所有呈現動態圖像的技術中都很重要，幾乎所有這些技術都依賴於呈現快速連續的靜態圖像（例如，電影膠片、電視節目或數字視頻文件中的幀）。如果幀率低於給定觀看條件下的閃爍融合閾值，觀察者就會感覺到閃爍，並且影片中物體的運動會顯得不連貫。為了呈現動態圖像，人類閃爍融合閾值通常取 60 到 90 赫茲之間，但在某些情況下，它可能高出一個數量級。實際上，自無聲電影時代以來的電影都是以每秒 24 幀的速度錄製，並通過將每一幀中斷兩到三次來顯示，閃爍頻率為 48 或 72 赫茲。電視通常以每秒 50 或 60 幀或隔行掃描場的速度播放。

閃爍融合閾值並不能阻止對高幀率的間接檢測，例如幻影陣列效應或車輪效應，因為在實驗性的 480 赫茲顯示器上仍然可以看到有限幀率對人眼可見的副作用。

### 顯示刷新率

陰極射線管 (CRT) 顯示器通常以 60 赫茲的垂直掃描頻率運行，與其顯示的SDTV內容相同，這會導致明顯的閃爍。其他脈衝技術（如等離子顯示器）也是如此。有些系統可以將刷新率提高到更高的值，如 72、75、100 或 120 赫茲，以緩解這個問題，但即使更快的刷新率是源素材幀率的整數倍以消除畫面抖動，如果沒有更高幀率的源素材，這也會導致感知到重複的圖像。採樣保持技術（如LCD或OLED）上的任何閃爍都與刷新率無關，也不太明顯，而是來自偶然的設計缺陷，如螢光背光、PWM調光或時間抖動，所有這些缺陷在一些完全不閃爍的設備上都被消除了。由於採樣保持螢幕固有的動態模糊，在優先考慮準確的運動感知而不是使用者疲勞的應用中，可以通過背光選通或黑幀插入等技術重新引入正確類型的閃爍。

### 照明

閃爍在家庭（交流電）照明領域也很重要，在該領域中，電氣負載的變化會導致明顯的閃爍，從而可能對電力使用者造成很大干擾。大多數電力供應商都設定了最大閃爍限制，並努力滿足家庭使用者的需求。

使用傳統電磁鎮流器的螢光燈以電源頻率的兩倍閃爍。電子鎮流器不會產生光閃爍，因為螢光粉的餘輝時間比 20 千赫茲的較高工作頻率的半個周期還要長。電磁鎮流器產生的 100-120 赫茲閃爍會導致頭痛和眼疲勞。

臨界閃爍融合閾值高的人尤其容易受到帶有電磁鎮流器的螢光燈具發出的光線的影響：他們的腦電圖 α 波明顯減弱，他們在執行辦公室任務時的速度更快，但準確性降低。使用電子鎮流器則不會出現這些問題。普通人在使用高頻（20-60 千赫茲）電子鎮流器時比使用電磁鎮流器時閱讀效果更好，儘管這種影響很小，除非在高對比度的情況下。

即使使用電磁鎮流器，螢光燈的閃爍速度也很快，不太可能對癲癇患者構成危害。早期研究懷疑帶有電磁鎮流器的螢光燈的閃爍與刻板行為之間存在關係自閉症兒童。然而，這些研究存在解釋問題，並且沒有被重複。

LED 燈通常不會受益於螢光粉餘輝帶來的閃爍衰減，但白色 LED 是一個明顯的例外。在掃視期間，人類可以感知到高達 2000 赫茲（2 千赫茲）的閃爍頻率，並且建議使用高於 3000 赫茲（3 千赫茲）的頻率以避免對人類生物學的影響。

## 視覺現象

在某些情況下，在高速眼動（掃視）或物體運動的情況下，可以通過「幻影陣列」效應看到超過 2000 赫茲（2 千赫茲）的閃爍。快速移動的閃爍物體在視野中快速移動（通過物體運動或眼球運動，如轉動眼球），會導致出現點狀或多色模糊，而不是連續模糊，就好像它們是多個物體一樣。頻閃觀測器有時被用來有意地產生這種效果。

一些特殊效果，例如在戶外活動中常見的某些類型的電子螢光棒，在靜止時看起來是純色，但在揮動時會產生多色或點狀模糊。這些通常是基於 LED 的螢光棒。LED 上占空比的變化導致功耗降低，而閃爍融合的特性直接影響亮度變化。當移動時，如果驅動 LED 的占空比頻率低於閃爍融合閾值，則 LED 開/關狀態之間的時間差變得明顯，並且顏色在周邊視覺中顯示為均勻間隔的點。

一個相關的現象是彩虹效應，其中由於快速運動，相同物體的螢幕上不同位置會顯示不同的顏色。

### 閃爍

「閃爍」是指在存在光刺激的情況下，對強度的視覺波動和不穩定性的感知，這種現象是由靜態環境中的靜態觀察者看到的。人眼可見的閃爍頻率高達 80 赫茲。

### 頻閃效應

「頻閃效應」有時被用來「定格」或研究重複運動中的細微差異。頻閃效應是指當運動感知發生變化時發生的現象，這種現象是由動態環境中的靜態觀察者看到的光刺激引起的。頻閃效應通常發生在 80 到 2000 赫茲的頻率範圍內，儘管對於一部分人來說，它可以遠遠超過 10,000 赫茲。

### 幻影陣列

幻影陣列，也稱為重影效應，是指物體形狀和空間位置的感知發生變化時出現的現象。這種現象是由光刺激與靜態環境中觀察者的快速眼動（掃視）相結合造成的。與頻閃效應類似，幻影效應也會在類似的頻率範圍內發生。滑鼠箭頭是幻影陣列效應的一個常見例子。

## 非人類物種

閃爍融合閾值也因物種而異。2014 年一項關於動物臨界融合頻率的調查發現，海蟾蜍（Bufo marinus）的臨界融合頻率最低（6.7 赫茲），而黑火甲蟲（Melanophila acuminate）的臨界融合頻率最高（400 赫茲）。對不同鳥類的估計值從 40 赫茲到 140 赫茲不等，較高的值往往與運動速度較快的物種有關。許多哺乳動物視網膜中的視杆細胞比例高於人類，而且它們可能也具有更高的閃爍融合閾值。這在狗身上已經得到證實。

如果某些動物認為人造光在閃爍，那麼這種厭惡效應可能會對動物福利和保護構成問題。然而，那些最容易感知到閃爍的動物往往是在明亮光線下活動的晝行性物種，因此最不可能在圈養環境之外接觸到人造光。體型和代謝率是與閃爍融合閾值變化相關的另外兩個因素：體型小、代謝率高的動物往往具有較高的閃爍融合閾值。