基于“視覺亮度”的白光LED光色性能研究

霍東旭，鄢 波，施建青，隋成華,郭雄彬，沈 煜，魏高堯

(1.浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023；2.浙江省能源與核技術應用研究院，浙江 杭州 310012)

引言

白光LED以其節能、環保、壽命長等優點被廣泛地應用在指示燈、顯示屏、景觀照明等領域。大多數的白光LED采用傳統的恒流驅動，在這種驅動模式下，白光LED長時間工作后，不斷積累的熱量會引起器件結溫升高，從而影響LED的光通量、發光效率、壽命以及可靠性[1]。因此，為了達到更好的節能效果，白光LED需要采用新的驅動模式來提高光通量和解決散熱問題。Bath大學的研究者發現PWM脈沖驅動的白光LED具有更高的量子效率和電流密度飽和點[2]。2008年，日本Ehime大學Masafumi Jinno等人提出了一種可使人眼“視覺亮度”翻倍的新型LED脈沖驅動方式[3]，使人們開始意識到脈沖驅動更為節能的獨特優勢。

然而，目前關于脈沖驅動下LED器件性能的深入研究卻很少?；诖?，本文在人眼“視覺亮度”的基礎上，結合視覺脈沖響應函數、視覺惰性和人眼的感光特性，研究了PWM脈沖驅動下白光LED的光色特性，對比分析了脈沖驅動和恒流驅動的驅動功率、光通量和色坐標等隨著脈沖占空比的變化，進一步解釋了脈沖驅動能夠提高“視覺亮度”的機制，為脈沖驅動的實際應用提供了實驗支持。

1 實驗

為了研究脈沖驅動對白光LED“視覺亮度”的影響，本實驗測試了頻率為100Hz，占空比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的脈沖驅動與直流驅動在人眼“視覺亮度”一致時白光LED的光色電性能。實驗中，方波脈沖電流由數字信號發生器提供，示波器用來測量電路總電壓和小電阻兩端的電壓，并監測通過LED的電流情況。采用光譜分析儀、數字電參數測量儀和直徑為0.3m的積分球對白光LED光色電性能進行測量。此外，測試所用的燈珠樣品為1W大功率暖白LED，色溫為3200～3500K，燈珠電流350mA，電壓3.0～3.4V。

由于脈沖驅動情況下不宜直接用電壓表和電流表來測試LED兩端電壓和電流值，故在電路中串聯一個穩壓小電阻，其阻值為1.23Ω。通過調節數字信號發生器的頻率、電位、幅度和占空比使其輸出為方波脈沖信號，待信號穩定后，從示波器上分別得到電路的總電壓波形圖、小電阻兩端的電壓波形圖和對應的占空比。然后再次通過調節數字信號發生器的電位，幅度，使示波器顯示的兩個波形圖同步同相位，當LED發光穩定后讀取電壓值。示波器兩電壓通道的差值即為白光LED兩端的電壓，小電阻兩端電壓與其阻值的比值為通過LED的峰值電流，從而可以得到脈沖白光LED的功率PL為

(1)

其中，U為電路總電壓，UR為小電阻兩端的電壓，R為小電阻阻值，D為脈沖信號的占空比。

“視覺亮度”屬于人眼的主觀感受，隨不同個體差異而不同。本研究參照文獻[4]中的方法，將同一批次的兩只1W白光LED燈珠置于邊長為20cm、高度為60cm的黑色方形暗室一端，分別以直流和脈沖電源驅動，中間用擋板將兩只燈珠發出的光彼此分開。隨機選擇20名觀察者，讓其在環境亮度一致的黑暗環境中，從暗室另一端的中間位置同時觀察兩只LED燈珠。在某個占空比的觀察過程中保持脈沖驅動LED的驅動參數不變，同時以脈沖驅動LED的亮度為參考不斷調整直流驅動LED的電壓值，直至觀察者認為兩者亮度相同時，記錄下相應直流驅動的電流和電壓值。然后取20名觀察者對于直流驅動的電壓和電流平均值，得到平均功率[4]。將此平均功率驅動下人眼感覺的LED亮度，確定為與對應占空比脈沖驅動下人眼感覺的亮度相同。在此平均功率驅動下測量LED的光通量、色坐標、光譜三原色色比值，并與此占空比脈沖驅動下的參數作對比。

2 結果與討論

2.1 光電性能

將20名觀察者在“視覺亮度”一致時，所測的直流驅動模式下的平均功率值與相應的脈沖驅動功率值進行對比。圖1為兩種驅動模式下的驅動功率值隨占空比的變化曲線。從圖1中可以看出，當D<40%時，脈沖驅動功率明顯比直流驅動功率要小，并且占空比越低，二者的差值也越大。當D=20%時，直流驅動消耗的功率約是脈沖驅動的1.36倍；當占空比在50%附近時，二者消耗的功率值基本相等；然而，當D>70%時，直流驅動功率明顯又高于脈沖驅動的功率值，這主要是由于在直流驅動時LED產生的熱量不能及時散出而導致結溫升高，使其發光效率和能量轉化效率的下降趨勢比脈沖驅動更為明顯[5-6]。

圖1 “視覺亮度”一致時驅動功率隨著脈沖占空比的變化Fig.1 Driving power varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

圖2 “視覺亮度”一致時光通量隨著脈沖占空比的變化Fig.2 Luminous flux varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

最直觀的表征一個光源亮度的物理量是該光源的光通量。圖2為在“視覺亮度”一致時，脈沖和直流驅動下的光通量隨脈沖占空比的變化曲線圖。如圖所示，當D<70%時，脈沖驅動的光通量明顯比直流驅動的低，D=20%時，直流驅動的光通量是脈沖驅動的3.6倍， 符合“視覺亮度”翻倍的報道。隨著脈沖占空比的增加，二者的差值逐漸減少。當D=70%時，兩種驅動下的光通量趨于相等。然而，當D>70%時，脈沖驅動模式下的光通量值大于直流驅動模式下的光通量值。

由于脈沖光源是以有效光強描述其特性的，經過長期的研究工作[7-8]，Allard提出一種計算光脈沖有效發光強度的方法，如下：

(2)

i(t)為人眼感覺光脈沖的瞬時有效光強，I(t)為瞬時光脈沖的光強，a為常數。其中i(t)為I(t)和視覺脈沖響應函數q(t)的卷積，表示為

i(t)=I(t)?q(t)

(3)

(4)

對于脈沖持續時間低于1s的矩形光脈沖，該方法的結果偏大。因此，Ohno等人提出一種修正的Allard法，將q(t)的表達式修改為：

(5)

(6)

對于矩形脈沖，I(t)為在沖擊時間內為常數I，則i(t)可表示為

(7)

其中τ為脈沖沖擊時間，T為脈沖周期[9]。

光脈沖的光強和其有效光強的理論模型圖像如圖3所示。圖3(a)表示作用于人眼的光脈沖亮度，圖3(b)表示主觀亮度感覺，它滯后于實際光脈沖亮度從而形成視覺惰性，τ～T為視覺暫留時間。當脈沖頻率或占空比增加時，τ～T的積分面積隨著減??；當其增加到一定值時，τ～T的積分面積小到可以忽略，脈沖驅動下的有效亮度與直流驅動接近相等。

圖3 視覺惰性示意圖Fig.3 Schematic plot for visual inertia

由Talbot定律可知，若脈沖頻率非常快，可以忽略光在人眼的暫留時間，則人眼對亮度的感覺是實際亮度的平均值[10]，即

(8)

式中L(t)為實際亮度的變化曲線，τ為脈沖沖擊時間，T為光變化周期。本實驗使用的脈沖光頻率為100Hz，接近于人眼的臨界頻率(45.8Hz)，人眼對亮度的視覺暫留時間不能忽略。因此，視覺暫留時間下的“視覺亮度”也應計算在整體的“視覺亮度”中。這樣方程(8)修正為：

(9)

式中Lp為視覺暫留時間段的視覺亮度衰減曲線。式(9)中第一項積分為光脈沖沖擊時間內的視覺亮度，第二項積分為視覺暫留時間內的視覺亮度。

當脈沖占空比比較低時(D<70%)，式(9)中的第二個積分值在每一個脈沖周期內，使0～τ時間內對人眼的亮度刺激繼續在τ～T時間內保持較高的水平[11]，有效地增加了人眼的整體亮度感覺。雖然脈沖驅動下的光通量明顯比直流驅動情況下的低，其“視覺亮度”卻能達到一致。從而很好地解釋了脈沖驅動能夠提高白光LED的人眼“視覺亮度”的現象。隨著占空比的增加，這種亮度提高能力逐漸降低，PWM 驅動的脈沖波形開始與恒流波形趨同，脈沖驅動在高占空比下對“視覺亮度”的提高并不明顯，所以在D=70%附近脈沖和直流驅動下的光通量趨于相等。當D>70%時，對應的直流驅動下LED的溫度過高，導致LED芯片在發光區的輻射復合效率減少；并且電流的增加可能使載流子擴散出勢阱，不能有效的輻射出光子，導致其發光效率降低，輻射光通量下降[12]。其結果驗證了脈沖驅動可以有效地提高LED的量子效率、電流密度的飽和點和“視覺亮度”。

2.2 光色性能

表1給出了“視覺亮度”一致時，脈沖驅動和直流驅動下的色坐標及其到等能白光點(E點)的距離對比情況。發現，在“視覺亮度”一致時，脈沖驅動下的色坐標向E光源偏移，偏移范圍2.5%～4.6%，色純度也相應的降低。表2給出了“視覺亮度”一致時脈沖和直流驅動下光譜三原色色比值的比較?？梢钥闯?，“視覺亮度”一致時，脈沖驅動下的藍色色比值大于直流驅動的。

出現表1和表2這種現象的主要原因是：由于脈沖驅動時沖擊電流比較大，引起芯片內量子限制斯塔克效應，使芯片InGaN/GaN的禁帶寬度增大，造成LED峰值波長發生藍移，且藍光波峰部分明顯增大[13]。由于熒光粉距離LED激發光源較遠，黃光部分的峰值波長存在小量的漂移，但是幅度很小，可以忽略不計[14]。從而導致其光譜三原色的藍色比增加，增加約為5%，光譜的藍綠部分比例增多，光譜更接近等能白光光譜，色溫也得到顯著的提高。由于人眼的光譜光視效率曲線的波峰位置在555nm，所以，脈沖驅動增強了白光LED對人眼的刺激響應。進一步解釋了在低占空比時，雖然脈沖驅動下LED的功率和光通量比直流驅動下的低，但卻能達到相同的“視覺亮度”。

表1 “視覺亮度”一致時所記錄的脈沖和直流驅動LED的色坐標值Table 1 Color coordinates of pulse-driven and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

表2 “視覺亮度”一致時脈沖和直流驅動LED的光譜三原色色比值Table 2 The ratio of three primary colors for pulse-driven LEDs and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

3 結論

利用脈沖和直流兩種驅動模式，分別驅動同一批次規格參數完全相同的白光LED，并在人眼“視覺亮度”一致時，對比其光色電性能。研究發現，在脈沖驅動情況下，由于脈沖驅動時沖擊電流比較大，使LED的峰值波長發生藍移，發出的光比直流驅動時更接近等能白光光源，色溫也明顯得到了提高，增強了對人眼的亮度刺激響應；同時由于人眼視覺惰性的特性，當占空比低于70%時，雖然脈沖驅動下白光LED的光通量明顯比直流驅動模式下的要低，但卻能與其達到相同的“視覺亮度”。此外，運用修正的Talot定律，能夠很好的解釋脈沖驅動能夠提高人眼“視覺亮度”的現象。

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