三基色白光LED的司辰節律因子研究

鄭莉莉， 郭自泉*， 嚴 威， 吳挺竹， 呂毅軍， 高玉琳， 史 園， 陳 忠

(1. 廈門大學電子科學系 福建省半導體照明工程技術研究中心， 福建 廈門 361005;2. 廈門市產品質量監督檢驗院 國家半導體發光器件(LED)應用產品質量監督檢驗中心， 福建 廈門 361004)

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三基色白光LED的司辰節律因子研究

鄭莉莉1， 郭自泉1*， 嚴 威1， 吳挺竹1， 呂毅軍1， 高玉琳1， 史 園2， 陳 忠1

(1. 廈門大學電子科學系 福建省半導體照明工程技術研究中心， 福建 廈門 361005;2. 廈門市產品質量監督檢驗院 國家半導體發光器件(LED)應用產品質量監督檢驗中心， 福建 廈門 361004)

采用司辰節律因子模型，通過計算三基色白光LED光源在不同工作電流下的司辰節律因子，對可調色溫的三基色白光LED光源進行非視覺效應研究。為了獲取與自然光非視覺效應類似的LED白光，建立了司辰節律因子和相關色溫分別相對于工作電流的關系模型，從而已知自然光的司辰節律因子和相關色溫，就可以確定三基色LED的工作電流。通過測試一天內不同時刻的自然光光譜，根據上述模型推算出了三基色LED的工作電流。在所推算的三基色電流下，測試了白光LED光譜參數并計算了相應的司辰節律因子。與自然光司辰節律因子的對比結果表明，理論值和實驗值的誤差在1.1%以內，證實該方法具有可行性。本文所呈現的方法對于利用三基色白光LED模擬自然光具有一定的指導意義。

非視覺效應； 三基色白光LED； 司辰節律因子； 自然光

1 引 言

發光二極管(LEDs)是一種半導體發光器件，被稱為第四代照明光源。LED光源相比于白熾燈、熒光燈等傳統光源，在節能、環保、光效和壽命等各方面均占有絕對優勢。隨著光效的進一步提高和成本的進一步下降，LED被廣泛應用于交通信號燈、顯示屏、手機背光源、室內照明和城市夜景工程等領域[1]。通常利用LED實現白光主要有以下3種方法：藍光LED激發釔鋁石榴石(YAG∶Ce3+)黃色熒光粉[2]；近紫外LED激發紅、綠和藍三基色熒光粉；紅/綠/藍三基色白光LED(RGB-LEDs)。RGB-LEDs照明光源是采用不同配比光功率的紅、綠和藍3種基色光混合成白光，比較容易通過改變發光功率配比來實現色溫動態可調，以滿足不同照明場合的需求。目前，關于RGB-LEDs白光光源已經有眾多相關研究和應用[3-4]，但是人工光源與自然光源之間仍存在一定差距，尤其是在顯色性和非視覺效應上[5]。

人類經歷幾百萬年的進化過程已經養成了“日出而作，日落而息”的習慣。光對人類和其他哺乳動物的生理系統至關重要。它不僅提供視覺信息，還參與生物節律、大腦認知等非視覺系統生理功能的調節，學術界稱后者為“光的非視覺生物效應”。2002年，美國Brown大學的Berson等發現了哺乳動物視網膜的第三類感光細胞——視網膜特化感光神經節細胞(ipRGC)[6]。當光線進入人眼后，通過第三類感光細胞接收產生光生物學效應，可以影響褪黑素、皮質醇等激素的形成和轉換。在正常生理狀態下，人體褪黑素的分泌是夜多晝少，呈現晝夜節律性的波動。要營造健康的光照環境，首先要了解光照對人體晝夜節律的影響。Berman結合褪黑素抑制光譜與明視覺、暗視覺函數曲線，給出了表征光生物效應影響因子，即司辰節律因子(Circadian action factor,CAF,acv)，用于表征光生物效應的強弱[7]。Bellia等比較了不同光譜功率分布的光源在室內照明領域的視覺和非視覺效應，得到在可見光領域的人體生理節律效率和生理節律因子的具體公式[8]。宋麗妍等研究了以發光二極管為背光源的平板顯示對人體非視覺效應的影響[9]。魯玉紅等研究了不同波長的藍光LED對人體光生物節律效應的影響[10]。Oh等實驗研究了基于不同背光源的手機顯示屏對人體非視覺效應的影響，并提出一種減小智能手機顯示屏對人體健康影響的方法[11]。?ukauskas等對四基色白光LED進行了基于光源的司辰節律因子的優化[12]。

本文通過測試不同工作電流下的RGB-LEDs的光譜，計算并分析了CAF與工作電流的關系。同時，建立了工作電流與CAF、工作電流與相關色溫(Correlated color temperature,CCT)[13]的關系模型，結合實驗實現了對自然光的模擬。

2 相關理論基礎

本文所使用的光譜生理響應曲線是基于Gall等提出的c(λ)曲線[14]，明視覺曲線采用1978 Judd-Vos 修正后的2°視角的光譜光視效率函數曲線，如圖1所示。

圖1 人眼光譜靈敏度曲線V(λ)與光譜生理響應曲線C(λ)
Fig.1 Spectral eye sensitivity curveV(λ) and spectral biological action curveC(λ)

通常，用于描述人眼對光能量的轉換度量的光通量的計算公式為：

(1)

其中，km=638 lm/W為明視覺下最大光視效率值，V(λ)為歸一化的明視覺下的光譜光視效率函數，P(λ)為光源的光譜功率分布。類似于光通量的計算公式，同樣對光譜生理響應[14]作如下定義：

(2)

根據上述兩個式子，司辰節律因子[14]可被定義為:

(3)

3 結果與討論

3.1 實驗

本文實驗中采用積分球4π測量方法對被測RGB-LEDs進行光譜測試。實驗裝置包括：德國Instrument Systems公司的光譜儀Spectro-320e、光纖、恒流源、控溫平臺以及計算機。測試自然光實驗裝置包括：光譜儀Spectro-320e、光度探頭Top100、光纖和計算機。首先，測試不同電流條件下RGB-LEDs的光譜功率分布，計算司辰節律因子CAF，建立工作電流與CAF、工作電流與CCT的關系模型。然后，測試不同時刻的自然光光譜，計算各時刻自然光的司辰節律因子。基于模型得到3路驅動電流，實驗上配比出與自然光CAF和CCT相一致的白光光譜。

實驗樣品采用飛利浦照明公司生產的商用RGB三基色LED燈珠，每種顏色芯片的電流都可以獨立地進行控制調節。具體光譜數據(均在電流350 mA下測得)如表1所示，分別為峰值波長(Peak wavelength)、半高寬(FWHM)、光通量(Flux)、光功率(OP)和光電轉換效率(ηe)。

表1 RGB三基色LED芯片的光譜參數

3.2 不同工作電流下的司辰節律因子

首先，設置紅、綠、藍三路初始電流(IR、IG、IB)分別為IR=150 mA，IG=350 mA，IB=80 mA。此時光譜在CIE1931色品圖上的色品坐標(x,y)

Fig.2 Spectra(a) and chromaticity coordinates(b) of RGB-LEDs

為(0.270 3, 0.298 7)以及CCT為10 552 K。在初始電流下，RGB-LEDs的光譜和色品坐標如圖2所示。

在相同溫度下，改變3路電流，分別測試光譜并計算其acv。圖3為在工作環境溫度25 ℃下，RGB三基色LED的acv隨電流的變化情況。

Fig.3 Relationship betweenacvand the currents of RGB-LEDs at 25 ℃

由圖3可知，RGB-LEDs的acv隨著IR和IG的升高而變小，隨著IB的升高而變大。這是因為隨電流升高，藍光LED光功率增大，白光光譜在藍色部分明顯增多。藍光的增多增加了白光光譜與光譜生理響應曲線的重疊，故光源的acv增大。同理，隨電流升高，紅光LED光功率增大，光譜在紅光區域增多，光源acv減小。綠光LED電流升高時，光功率也增大。但是，由于光譜與人眼明視覺響應曲線重疊部分增多，同時與光譜生理曲線重疊部分變少，故光源acv會隨電流的升高反而減小。可見，RGB-LEDs光源在不同基色電流改變下的司辰節律因子的變化不同。通過相關實驗，可以進一步推出acv與各路電流的定量關系，從而得到acv與紅光、綠光和藍光的工作電流的關系模型。

3.3 模型構建

在25 ℃環境溫度下，保持綠光LED的工作電流為350 mA，分別設置紅光LED和藍光LED的工作電流為10，50，80，100，150，200，300，350 mA，測試并分析數據。圖4為不同紅光和藍光電流下的CCT變化情況。

為了使混合光為適合照明的白光，CCT應不超過10 000 K。從圖4可得，須將IB控制于150 mA以下，IR控制于80～350 mA之間。因此，我們對藍光LED輸入10～150 mA電流，對紅光LED輸入80～350 mA電流，測試白光光譜并計算其acv值，如表2所示。

表2 光源在不同IR、IB下的acv值

根據表2數據，對acv和IR、IB進行擬合，得到如下模型:

R2=0.997,

(4)

表征擬合度的R-square值達到了0.997，說明擬合效果較好。根據式(4)，已知一個acv便可反推多組的IR和IB，進而可以混合出多組白光。接著，我們需要確定CCT與電流的關系模型，并與式(4)聯立，針對指定CCT求解出所需工作電流。其中，4 500～6 500 K標準日光的CCT、CAF和色坐標如表3所示。

表3 RGB-LEDs和標準日光的acv與CCT

通過實驗測試，計算的不同電流下的RGB-LEDs的CAF和CCT如圖5所示。取RGB-LEDs的acv-CCT曲線與標準日光acv-CCT的曲線交叉位置的CCT，對CCT和工作電流進行擬合，得到：

CCT=-0.56×IR+104.37×10-4×IB+1950.44,

R2=0.994.

(5)

3.4 自然光光譜測量與實驗驗證

實驗地點選取廈門大學半導體照明實驗室，經度118°，緯度24°。實驗時間選取2015年12月01日，晴天，天空少云。對白天9∶00～17∶00各整點時刻的自然光光譜進行測量，計算所得的acv值如表4所示。

可以看出，天氣晴朗的情況下，一天不同時刻的色溫都比較高，大約都在6 000 K左右，相應的

表4 一天不同時刻下測量的acv值和CCT值

acv在0.9附近。為了驗證上述方法的可行性，我們分別把一天中各個時刻的自然光的acv和CCT分別代入(4)式和(5)式，計算不同時刻的工作電流IR和IB，然后測試這些電流下的RGB-LEDs的光譜并計算其acv(acv-s)，結果如表5所示。其中與自然光的acv(acv-d)的相對誤差定義為

(6)

表5 計算和實驗測試所得的一天不同時刻的acv值

圖6為利用上述方法得到的RGB-LEDs的色品坐標圖。可以看出混合光的色坐標處于黑體軌跡附近且落在白光區域。不同時刻下，將計算值與實際采集的自然光acv值進行對比，其最大相對誤差為1.1%，從而證明了該方法的可行性。

受RGB白光LED樣品中綠光LED芯片的波長限制，顯色指數較低(低于70)，與自然光相比具有一定差距，且通過調整RGB-LEDs的電流配比很難得到色坐標更加靠近普朗克黑體軌跡的混合白光(即使我們也嘗試改變了綠光LED的電流)。在將來的工作中，我們將著力于對三基色的組合波長進行光譜優化設計，以尋找波長更合適的綠光樣品，使所設計的白光LED的司辰節律因子、顯色指數、相關色溫、色坐標等表征白光的參數更加靠近自然光。此外，實驗中所選取的地理位置和實驗測試時當天的天氣情況也具有一定局限性，將來會在不同地區和不同天氣條件下進行更為深入的探索。

4 結 論

本文基于司辰節律因子模型，對三基色白光LED進行了相關研究，以獲得一種更接近于自然光的白光光源。為了得到和自然光更接近的光源，分別建立了acv、CCT與工作電流的關系模型，通過模型反推電流值，并測試不同時刻的自然光進行了實驗驗證。結果表明誤差在1.1%以內，證明本方法具有較高的可行性。

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鄭莉莉(1992-)，女，福建莆田人，碩士研究生，2014年于廈門大學獲得學士學位，主要從事半導體光電檢測及其特性的研究。

E-mail: 935681005@qq.com郭自泉 (1984-)，男，福建永春人，博士，工程師，2014年于廈門大學獲得博士學位，主要從事白光LED的光譜優化和可靠性的研究。

E-mail: zqguo@xmu.edu.cn

Investigation on The Circadian Action Factor of RGB White LEDs

ZHENG Li-li1, GUO Zi-quan1*, YAN Wei1, WU Ting-zhu1, LYU Yi-jun1, GAO Yu-lin1, SHI Yuan2, CHEN Zhong1

(1.DepartmentofElectronicScience,XiamenUniversity,FujianEngineeringResearchCenterforSolid-stateLighting,Xiamen361005,China;2.XiamenProductsQualitySupervision&InspectionInstitute,NationalTestingCenterforLEDApplicationProducts,Xiamen361004,China)

The circadian action factor (CAF) model was adopted to study the non-visual biological effects for the three-primary color-tunable white LEDs by calculating CAFs at various driving currents. In order to obtain the white light similar to the natural light according to non-visual biological effects, the models of CAFversuscurrent and CCTversuscurrent were generated. Therefore, the driving currents of three-primary LEDs could be determined after the CAF and the CCT of the natural light were known. Based on aforementioned models, and after the natural light at different times in a day was tested, the driving currents of three-primary LEDs were deduced. Then, driven by these currents, white LEDs were tested and their CAFs were calculated. A comparison between calculated values and experimental counterparts shows that the difference lies within 1.1%, suggesting the feasibility of this approach. This work appears meaningful for mimicking the natural light by using three-primary white LEDs.

non-visual effects; RGB LEDs; circadian rhythms factor; natural light

1000-7032(2016)11-1384-06

2016-05-19；

2016-08-24

科技部國際合作項目(2015DFG62190); 國家自然科學基金(61504112)； 福建省產學合作重大專項(2013H6024)； 福建省自然科學基金(2016R0091)； 科技部港澳臺科技合作專項(2015DFT10120)資助項目

TU113.19

A

10.3788/fgxb20163711.1384

*CorrespondingAuthor,E-mail:zqguo@xmu.edu.cn