中間視覺條件下LED光通量隨驅(qū)動電流的變化

饒 豐，葛志誠，朱金連，陸創(chuàng)新

(1.江蘇檢驗檢疫車輛燈具檢測實驗室，鎮(zhèn)江燈具檢測中心，丹陽212300;2.鎮(zhèn)江出入境檢驗檢疫局，鎮(zhèn)江212000;3.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)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(xì)胞和視桿細(xì)胞同時對人眼視覺產(chǎn)生作用。在此視覺范圍內(nèi)，隨著亮度水平的降低，人眼的視見函數(shù)從明視覺視見函數(shù)逐漸向短波方向偏移，直到暗視覺視見函數(shù)。2010年，以“中間視覺范圍內(nèi)的視覺功能”為研究主題的國際照明委員會(CIE)技術(shù)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(shù)，這對以往基于明視覺光度學(xué)構(gòu)建的照明系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)，也對LED的發(fā)展和應(yīng)用帶來重要影響。

LED是目前國內(nèi)外照明領(lǐng)域研究的熱點。研究LED光通量隨電流的變化，是設(shè)計LED驅(qū)動電路和調(diào)光器的基礎(chǔ)。在明視覺范圍內(nèi)，LED光通量隨著正向電流的增大而線性增大。然而，LED已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(shù)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(jié)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(shè)計對應(yīng)的驅(qū)動電源和調(diào)光器提供依據(jù)。

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(huán)境溫度為20℃，然后結(jié)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(qū)動電流的變化關(guān)系，該研究對在中間視覺條件下使用的LED燈具設(shè)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(shù)Vmes(λ)描述成明視覺視見函數(shù)V(λ)和暗視覺視見函數(shù)V'(λ)的線性組合，中間視覺亮度范圍設(shè)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(huán)境決定的系數(shù)，M(m)是使Vmes(λ)最大值為1的歸一化系數(shù)，Vmes(λ0)是波長為555 nm時中間視覺視見函數(shù)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(biāo)n是迭代序號。

中間視覺視見函數(shù)計算方法是，首先根據(jù)明視覺視域亮度Lp，暗視覺視域亮度Ls，經(jīng)式(4)、式(5)反復(fù)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(shù)，Lmes若大于5 cd/m2，Vmes(λ)等于明視覺視見函數(shù)。

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(xiàn)［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(shù)。我們先測量光源的輻射譜，然后與中間視覺視見函數(shù)加權(quán)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(jié)果

2.1 輻射譜的測量

LED光色電綜合測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1，數(shù)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(wěn)定度為0.1%，電壓、電流均四位數(shù)顯，準(zhǔn)確度為0.2級，光譜測量范圍為380～780 nm，波長準(zhǔn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本研究選擇5種顏色的LED，每種10只，具體參數(shù)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(jié)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(shù)

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(huán)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(yīng)的中間視覺亮度Lmes和視見函數(shù)Vmes(λ)，進(jìn)而得到中間視覺光通量。

對于白色LED，這5種Lp對應(yīng)的視見函數(shù)見圖3，最左邊為Lp等于0.005 cd/m2時的視見函數(shù)，對應(yīng)中間視覺亮度Ls為0.0051 cd/m2，因此，它與暗視覺視見函數(shù)非常接近。最右邊為Lp等于5 cd/m2的視見函數(shù)，它與明視覺視見函數(shù)相同，其他三條視見函數(shù)曲線從左至右，對應(yīng)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(shù)

對于不同顏色LED，由于光譜結(jié)構(gòu)不同，雖然Lp相同，但是對應(yīng)的中間視覺亮度Ls不同，導(dǎo)致中間視覺視見函數(shù)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(shù)，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(yīng)的視見函數(shù)

圖5是白色、綠色和藍(lán)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(jié)果。可見，光通量均隨電流增大而線性增大，在同一驅(qū)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(xì)胞對視覺也起作用，隨著亮度水平的降低，視桿細(xì)胞的影響越來越大，而視桿細(xì)胞對光很靈敏，導(dǎo)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(lán)色LED對應(yīng)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(shè)計中間視覺條件使用的白色、綠色和藍(lán)色LED燈具驅(qū)動電路時，電流的穩(wěn)定性應(yīng)高于明視覺LED燈具的3～7倍。中間視覺下的調(diào)光器也應(yīng)比明視覺下的靈敏數(shù)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(dāng) 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(jìn)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(lán)色和綠色LED相反。這是由于這兩種LED的光譜在視見函數(shù)的右側(cè)，隨著亮度的降低，視見函數(shù)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(shù)和黃色、紅色LED光譜示意圖，可見，視見函數(shù)左移導(dǎo)致光通量減小。因此，設(shè)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(diào)光器的設(shè)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(shù)

3 結(jié)論

中間視覺下LED照明特性是國內(nèi)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(diào)光器的要求，筆者運用光色電綜合分析儀，測量了白、藍(lán)、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(guān)系。研究表明，白色、藍(lán)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(dāng)驅(qū)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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