自製閃頻 APP 與照度分析
邱致銓
1洪耀正
1,2* 1逢甲大學 電機工程學系 2逢甲大學 通識教育中心（投稿日期：110年12月20日，接受日期：111年1月10日）
摘要：本研究以APP Inventor自製閃頻APP，同時利用光感測器量取並紀錄其所 輸出閃爍光的照度，藉此了解自製閃頻APP之閃爍頻率範圍與極限。
關鍵詞：閃頻現象、APP Inventor2、Physics Toolbox Suite
壹、前言
當攝影師拍攝天空中的直升機時，偶爾會捕捉到運轉中的主旋翼停止不動的奇景。這是 相機擷取影像的頻率與直升機主旋翼旋轉頻率恰好一致所產生的神奇現象，也是閃頻現象經 典的範例之一。閃頻現象主要由1931年美國MIT教授哈羅德‧尤金‧埃格頓（Harold Eugene
Edgerton）提出[1]，其在閃光燈與週期性快速運動物體的研究上，發現了閃頻效應（
Stroboscopic effect）的基礎。藉由發現這項技術，他也成為使用閃光燈拍攝快速事件的攝影 先驅。
由於其主要應用在高速攝影技巧上，閃頻現象在現今的物理教科書中並未多作著墨。然 而，閃頻現象時常發生在我們的生活周遭，例如：飛行中飛機的螺旋槳停止不動、水滴於影 片中逆流等等。而了解閃頻現象最簡單的方式是利用可控頻率光源於暗室中觀察週期運動之 物體，藉由調整光源的閃爍頻率，即可觀察到諸多有趣的現象，並理解閃頻現象的成因。目 前已有實驗使用電子元件自製閃頻器[2]，然而過程較為繁瑣，也需要採購額外的電子零件。
本文擬利用每個人都擁有的智慧型手機，撰寫簡單的閃頻APP，讓學生在家即可輕易實現與 觀察閃頻效應。
每一台智慧型手機皆具有閃光燈，因此我們可以運用麻省理工學院MIT所開發之圖形化 程式語言-APP Inventor，開發能夠控制閃光燈閃爍頻率的APP。為了瞭解自製閃頻APP的光
10.6212/CPE.202112_22(2).0003
學極限，我們使用另一支手機搭配Physics Toolbox Suite作為光感測器，量測並記錄閃頻APP 所產生的光照度訊號。藉由調變光源的閃爍頻率，我們將可後續進行分析，了解自製閃頻APP 所輸出閃爍光的頻率範圍與其極限。
貳、理論分析：閃頻原理介紹
閃頻現象其實是一種視覺上的錯覺。假設我們身處在一個漆黑的教室裡，有一個正在以 固定的頻率旋轉的吊扇。此時若使用一個具有相同頻率的閃爍光源照射電扇，因為風扇每旋 轉至某一特定位置與燈光亮起的那一霎那剛好同時發生（短暫的亮燈時間是閃頻現象的成因 之一)，在觀察者的視角下電扇的扇葉就像是靜止不動的。若增加或降低燈光閃爍的頻率，則 會觀察到原本順時針轉動的電扇以反向（逆時針）或正向（順時針）緩慢旋轉的特殊效果，
如圖1所示。
圖1：閃頻現象原理示意圖
參、實驗架設與步驟
一、實驗設計理念：
本研究旨在自製APP控制手機閃光燈進行閃爍，並利用光感測器探究其閃爍頻率的範圍 與極限。因此實驗的概念如圖2所示：準備一台安裝自製閃頻APP的智慧型手機，藉以控制 閃光燈產生固定頻率的亮暗訊號，並於接收端架設已安裝 Physics Toolbox Suite 的手機作為 光感測器，量測並紀錄自製閃頻APP造成的光照度變化。
圖2：閃頻實驗示意圖
本實驗所使用的閃頻APP是利用圖形化的程式語言APP Inventor開發而成，完整的開發 概念與程式碼可參考我們於2021年出版的書籍[3]。讀者亦由參考文獻的連結下載閃頻APP 的apk安裝檔 aia 程式檔案[4]。其中 aia檔無法直接安裝在手機，必需先登入 APP Inventor 並匯入該檔案；匯入完成後，便可進行後續的修改與應用[5, 6]。閃頻APP的使用者介面與其 流程圖如圖3所示。藉由調變APP介面中的滑桿「亮燈時間」與「暗燈時間」（圖3（a））可 以分別設定閃光燈亮與暗的延續時間。為了簡化後續的照度分析，我們將亮燈時間與暗燈時 間設為相同，同時兩者相加即為閃頻APP的閃爍週期。設定完成後點擊「開啟閃爍」鈕，即 可控制閃光燈依設定的週期進行規律的亮暗變化。若要停止實驗，點擊「關閉閃爍鈕」即可 停止閃爍。
為了測試閃頻APP的成效，我們將由大至小調變閃光燈的閃爍週期（亦即由小至大調變 閃爍頻率），並利用另一台搭配Physics Toolbox Suite的手機作為光感測器[7]，紀錄數據後輸 出至電腦以Origin或Excel進行繪圖。最後分析各條件下光訊號的照度（Ev）變化，了解閃 頻APP的閃爍頻率區間與其極限。
圖3：（a）閃頻物理APP之UI畫面、（b）閃頻物理APP操作流程圖
二、實驗器材與軟體：
（一） 兩台智慧型手機（具有閃光燈與光感測器元件），如圖4所示。其中一台手機安裝自 製閃頻APP，另一台則安裝Physics Toolbox Suite作為光感測器。
（二） 可固定兩台手機的手機架或光學載台。在此我們利用雷切自製手機載台。
（三） 電腦與Origin、Excel等軟體。
圖4：（a）手機閃光燈(做為燈源)、（b）手機之光感測器（作為接收端）
三、實驗操作步驟：
（一） 確認兩部手機已安裝相關APP並可正常運作。
（二） 使用手機載台固定兩台手機，並使閃光燈輸出位置對準另一台手機的光感測器位置，
如圖5所示。
（三） 使用閃頻APP開啟閃光燈使其閃爍，並由另一台搭載Physics Toolbox Suite的手機紀 錄光照度變化。
（四） 由小至大調變閃光燈閃爍頻率，蒐集不同閃爍頻率下的光照度數據。
（五） 以Origin、Excel等軟體，繪製光照度時間序列以進行分析。
圖5：實驗裝置圖
肆、實驗結果
實驗結果如圖6與圖7所示。其中圖6為閃爍週期為2000 ms（亮燈時間與暗燈時間皆
為1000 ms）所量到的光照度時間序列。由於閃頻APP閃爍週期設為2000 ms，理論上閃光
燈每 2 秒會產生一個波形為方波的光訊號。事實上手機閃光燈大多以發光二極體（light- emitting diode；LED）作為發光元件，當施加正偏壓於二極體兩端，其導通電流將使二極體 材料內導帶（conduction band）的自由電子與價帶（valence band）的電洞再結合（recombination
）放出光子，從而發出單色光。其輸出的光波長則依半導體材料之能隙寬度來決定[8]。從APP 發出訊號施加電位差於二極體，到電子電洞結合放出光子，最後產生穩定的輸出光需要一段 反應時間，因而導致如圖6的光照度上升區間：從全暗到穩定發光約有0.11𝑠的時間差。也因 此當手機閃光燈接受到APP驅動電壓訊號的改變後，並無法即時反應在照度變化。同樣地由 穩定發光回復為全暗也會需要一段恢復時間，因此手機閃光燈所輸出之照度訊號僅能近似於 方波。
圖6：感測器所量到的光照度訊號（閃爍週期設為2000 ms）
在閃爍週期足夠大的情況下，除了光照度訊號波形因物理上的限制有些微失真之外，感 測器所量到的訊號閃爍頻率與週期與閃頻APP的設定值近乎一致。圖7（a）、7（b）分別為 閃爍週期設為2000ms與400ms（閃爍頻率為0.5Hz與2.5Hz）所量到的光照度時間序列，由 圖可看到閃光燈能夠呈現完整的暗亮閃爍。這是因為光照度上升與下降區間小於閃頻APP所 設定的「亮燈時間」與「暗燈時間」。
若光照度上升與下降區間等於或大於亮燈與暗燈時間，則閃頻APP發出的光訊號將開始 產生問題。如圖7（c）所示，此時閃爍週期設為200ms（閃爍頻率為5Hz），其值約為光照度 上升區間與下降區間的總和。因此儘管量得的照度訊號已近似於三角波，其仍保有完整的亮
暗變化。而圖7（d）的閃爍週期設為40ms（閃爍頻率為25Hz），小於上升下降區間。至此閃 光燈的光訊號照度值處於 400lx~600lx 之間微幅震盪，已無法產生正常的暗亮閃爍。由此可 知，當閃爍週期設定過小（閃爍頻率過大），我們的自製閃頻 APP將完全失效；因此其頻率 的極限值約為5Hz。
圖7：各種條件設定下，閃頻APP所產生的光照度訊號
（a）閃爍週期2000ms（閃爍頻率0.5Hz）、（b）閃爍週期400ms（閃爍頻率2.5Hz）、
（c）閃爍週期200ms（閃爍頻率5Hz）、（d）閃爍週期40ms（閃爍頻率25Hz）
伍、結論
由本實驗可以得知，受限於手機閃光燈的物理極限，自製閃頻APP的頻率極限約為5Hz
。換句話說，對於高速運動或高速轉動的物體，此APP無法1：1同步造成閃頻現象，僅能 適用於運動速度較慢的物體。然而現代智慧型手機極易取得，APP Inventor 又極適合初學者 入門，因此本研究開發的閃頻APP 極適合作為國、高中的物理實驗教學。後續搭配 Physics
Toolbox Suite 進行光照度的量測（或是進一步參考書籍自製光感測 APP[3]），並利用分析軟
體進行分析，不但可以了解發光二極體的原理與相關現象，亦可作為引領學生探究實作的參 考教材，藉以培養學生物理學科的核心素養。
參考文獻
1. 維基百科，（ Doc Edgerton）。資料檢索日期： 2021 年 11 月 22 日。網址：
https://reurl.cc/XlrlQ0。
2. DIY 先生， （教你一個簡單有趣的閃燈電路）。資料檢索日期：2021 年 12 月 25 日。網址：https://www.youtube.com/watch?v=i4RRcm-_O5I。
3. 李冠杰、蔡秉修、陳昱錩、王瀅瑄、邱致銓、洪耀正（2021） 。寫 App 玩轉物理 實驗。新北市：全華圖書。
4. 自製閃頻 APP 相關檔案：https://reurl.cc/MkvKXn。
5. 李冠杰、洪耀正（2021） 。大氣壓力實驗 APP 的開發實作。科學教育月刊， 438 ， 46-59。
6. 洪耀正、陳淑慧（2019） 。物理實驗量測 App 的開發與實作。科學教育月刊， 419 ， 48-59。
7. 維基百科，（Ambient light sensor） 。資料檢索日期：2021 年 11 月 22 日。網址：
https://en.wikipedia.org/wiki/Ambient_light_sensor。
8. 維 基 百 科 ，（ Photodiode）。 資 料 檢索 日 期： 2021 年 11 月 22 日 。 網 址 ：
https://en.wikipedia.org/wiki/Photodiode。
Self-made flash app and illumination analysis
Chih-Chuan Chiu1, Yao-Chen Hung1,2 *
1 Department of Electrical Engineering, Feng Chia University 2 General Education Center, Feng Chia University
Abstract
In this study, APP Inventor is used to build a flash APP. We also use a light sensor to measure and record the illuminance of the flashing light to understand the frequency range and the limit of the self-made flash APP.
Key words：Stroboscopic effect、APP Inventor2、Physics Toolbox Suite
