中間視覺條件下LED光通量隨驅動電流的變化

饒 豐，葛志誠，朱金連，陸創新

(1.江蘇檢驗檢疫車輛燈具檢測實驗室，鎮江燈具檢測中心，丹陽212300;2.鎮江出入境檢驗檢疫局，鎮江212000;3.江蘇科技大學，鎮江212003)

0 引言

一般地，亮度在10-3cd/m2到幾個cd/m2之間為中間視覺(Mesopic vision)，此時視錐細胞和視桿細胞同時對人眼視覺產生作用。在此視覺范圍內，隨著亮度水平的降低，人眼的視見函數從明視覺視見函數逐漸向短波方向偏移，直到暗視覺視見函數。2010年，以“中間視覺范圍內的視覺功能”為研究主題的國際照明委員會(CIE)技術委員會TC 1-58完成了工作，出臺了基于視覺功能的中間視覺模型，從而得到了不同亮度水平下的視見函數，這對以往基于明視覺光度學構建的照明系統帶來挑戰，也對LED的發展和應用帶來重要影響。

LED是目前國內外照明領域研究的熱點。研究LED光通量隨電流的變化，是設計LED驅動電路和調光器的基礎。在明視覺范圍內，LED光通量隨著正向電流的增大而線性增大。然而，LED已經被廣泛地應用于中間視覺照明場合，如停車場照明、隧道照明、夜間道路照明等，而中間視覺的視見函數與明視覺的不同，因此，其光通量必然與明視覺不同，在明視覺下的研究結果也不適用于中間視覺，這就很有必要研究在中間視覺條件下電流對LED光通量的影響，為設計對應的驅動電源和調光器提供依據。

筆者選擇5種顏色LED，用光色電綜合分析儀分別測量電流從12 mA至24 mA時LED的光譜，間隔為2 mA，測試環境溫度為20℃，然后結合CIE推薦的中間視覺模型，得到不同亮度水平下光通量隨驅動電流的變化關系，該研究對在中間視覺條件下使用的LED燈具設計具有重要意義。

1 方法

1.1 CIE推薦的中間視覺模型

CIE 191:2010將中間視覺視見函數Vmes(λ)描述成明視覺視見函數V(λ)和暗視覺視見函數V'(λ)的線性組合，中間視覺亮度范圍設定中間視覺亮度為0.005～5.0 cd/m2之間，該模型的具體形式為

式中，m是由視覺環境決定的系數，M(m)是使Vmes(λ)最大值為1的歸一化系數，Vmes(λ0)是波長為555 nm時中間視覺視見函數的值，Le(λ)為物體反射光譜，Lmes為在中間視覺下物體的亮度。m值由下式迭代得到:

式中，m0是m的初始值，Lp是明視覺視域亮度，Ls是暗視覺視域亮度，Lmes是中間視覺視域亮度，角標n是迭代序號。

中間視覺視見函數計算方法是，首先根據明視覺視域亮度Lp，暗視覺視域亮度Ls，經式(4)、式(5)反復迭代至 m，Lmes不再變化，如果 Lmes∈［0.005，5］，將m代入(1)，即可計算出 M(m)和Vmes(λ)，如果 Lmes小于0.005 cd/m2，Vmes(λ)等于暗視覺視見函數，Lmes若大于5 cd/m2，Vmes(λ)等于明視覺視見函數。

1.2 中間視覺下LED光通量的計算

中間視覺下光通量計算公式見文獻［8，9］。

式中，S(λ)是輻射通量的光譜分布，Vmes(λ)是中間視覺視見函數。我們先測量光源的輻射譜，然后與中間視覺視見函數加權積分，并乘以最大光譜光視效率(683/Vmes(λ0))，得到中間視覺下的光通量。

2 實驗與結果

2.1 輻射譜的測量

LED光色電綜合測試系統的結構見圖1，數控高精度恒流電源給待測LED提供電源，積分球、照度計和光譜計能夠快速測量待測LED的明視覺光通量和輻射譜分布。其恒流源穩定度為0.1%，電壓、電流均四位數顯，準確度為0.2級，光譜測量范圍為380～780 nm，波長準確度為1 nm，完全滿足本研究的要求。

圖1 LED光色電綜合分析系統結構示意圖

本研究選擇5種顏色的LED，每種10只，具體參數見表1。用光色電綜合分析儀分別測量電流從12 mA至24 mA時，5種顏色LED的光譜，間隔為2 mA，篇幅所限，圖2僅給出白色和黃色LED的測量結果，其中，左邊為白色LED的輻射譜，右邊為黃色LED的輻射譜。由此可見，隨著電流的減小，譜線整體不斷下降。

表1 LED樣品參數

圖2 白色和黃色LED的輻射譜

2.2 光通量隨電流的變化

目前常用的亮度計測量的環境亮度為明視覺亮度，因此，我們選擇6種亮度計測量亮度Lp，分別為0.005，0.01，0.1，1，2.5 和 5 cd/m2，通過中間視覺模型，得到對應的中間視覺亮度Lmes和視見函數Vmes(λ)，進而得到中間視覺光通量。

對于白色LED，這5種Lp對應的視見函數見圖3，最左邊為Lp等于0.005 cd/m2時的視見函數，對應中間視覺亮度Ls為0.0051 cd/m2，因此，它與暗視覺視見函數非常接近。最右邊為Lp等于5 cd/m2的視見函數，它與明視覺視見函數相同，其他三條視見函數曲線從左至右，對應Lp分別為0.01，0.1，1，和2.5 cd/m2。

圖3 白色LED在不同亮度水平下的視見函數

對于不同顏色LED，由于光譜結構不同，雖然Lp相同，但是對應的中間視覺亮度Ls不同，導致中間視覺視見函數有所差異。圖4是Lp為0.1 cd/m2時，白色和黃色LED的視見函數，可見兩者并不重合，這是中間視覺的重要特征。

圖4 明視覺亮度為0.1 cd/m2時白色和黃色LED對應的視見函數

圖5是白色、綠色和藍色LED在6種Lp下，中間視覺光通量隨輸入電流的變化。在圖5中，不同類型的直線表示不同亮度水平下的結果。可見，光通量均隨電流增大而線性增大，在同一驅動電流下，隨著亮度水平的降低，光通量增大，這主要是因為在中間視覺條件下視桿細胞對視覺也起作用，隨著亮度水平的降低，視桿細胞的影響越來越大，而視桿細胞對光很靈敏，導致最大光譜光視效率(即683/Vmes(λ0))隨亮度的降低而增大。由圖5還可以看出，白色、綠色和藍色LED對應的直線斜率分別從0.265，0.250，0.121增至0.606，0.771，0.803，說明隨著亮度水平的降低，光通量隨電流的變化速率越來越大。因此，設計中間視覺條件使用的白色、綠色和藍色LED燈具驅動電路時，電流的穩定性應高于明視覺LED燈具的3～7倍。中間視覺下的調光器也應比明視覺下的靈敏數倍。

圖6是黃色和紅色LED中間視覺下光通量隨電流的變化，由于光譜的特殊性，當 Lp為0.005和0.01 cd/m2時，這兩種LED的中間視覺亮度均小于0.005 cd/m2，因此進入了暗視覺范圍，光通量均為暗視覺光通量，兩直線重合，見兩圖中最下面的直線。從上到下，各直線的斜率逐漸減小，說明隨著亮度水平的降低，光通量隨電流的變化減小，對于同一電流，光通量隨著亮度的減小而減小，這與白色、藍色和綠色LED相反。這是由于這兩種LED的光譜在視見函數的右側，隨著亮度的降低，視見函數左移，兩曲線重合部分急劇減小的緣故。圖7是不同亮度水平的視見函數和黃色、紅色LED光譜示意圖，可見，視見函數左移導致光通量減小。因此，設計中間視覺下使用的黃色和紅色LED燈具時，電流的變化的允許值可以大些，這對降低恒流源和調光器的設計難度，降低成本均有重要意義。

圖5 中間視覺條件下，白色、綠色和黃色LED光通量隨電流的變化

圖6 黃色和紅色LED中間視覺光通量隨電流的變化

圖7 黃色、紅色LED及不同亮度的視見函數

3 結論

中間視覺下LED照明特性是國內外研究的前沿，為了研究中間視覺下使用的LED燈具電源和調光器的要求，筆者運用光色電綜合分析儀，測量了白、藍、黃、綠、紅色等5種顏色LED在不同電流、不同中間視覺亮度水平下的光通量，得到光通量隨電流的變化關系。研究表明，白色、藍色和綠色LED的光通量隨電流的增大而線性增大，隨著亮度的降低，其增大的幅度越來越大，當驅動電流相同時，光通量隨著亮度的降低而增大。綠色和黃色LED的光通量也隨電流的增大而線性增大，但是隨著亮度水平的降低，其光通量的變化越來越小，同時，在相同的電流下，其光通量隨亮度的降低而減小。

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