人眼對(duì)于PWM驅(qū)動(dòng)下的LED亮度感知水平的提高

高維惜 顧 鑫 沈海平 劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

LED的迅猛發(fā)展是離不開(kāi)其自身優(yōu)秀的特性的，但是LED對(duì)溫度、對(duì)電源的苛刻要求已經(jīng)限制了它的發(fā)展。在不同的驅(qū)動(dòng)條件下，LED的發(fā)光情況會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生不同的視覺(jué)效應(yīng)。PWM驅(qū)動(dòng)與恒流驅(qū)動(dòng)一樣，都已經(jīng)在LED的主流驅(qū)動(dòng)方式中占有一席之地，但是由于PWM脈沖驅(qū)動(dòng)存在電路繁瑣，實(shí)際操作復(fù)雜等缺點(diǎn)使其還未被廣泛的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活當(dāng)中［1］。

2008年，日本科學(xué)家Masafumi JINNO用紅綠藍(lán)三色LED來(lái)研究在脈沖驅(qū)動(dòng)下LED光效和視覺(jué)功效的提高，提出了一種使得脈沖驅(qū)動(dòng)更為有節(jié)能價(jià)值的觀點(diǎn)，也讓人們意識(shí)到，PWM脈沖驅(qū)動(dòng)調(diào)制方式有著足夠明顯的優(yōu)勢(shì)來(lái)替代傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)方式，做到更節(jié)能，更低碳［2］。

根據(jù)以上的想法，實(shí)驗(yàn)從人眼視覺(jué)的角度出發(fā)，比較PWM與恒流驅(qū)動(dòng)在視覺(jué)功效方面的不同表現(xiàn)，來(lái)總結(jié)規(guī)律，并為提出更為節(jié)能低碳的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案提供實(shí)驗(yàn)支持。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了研究PWM驅(qū)動(dòng)方式下的人眼亮度感知水平的提高，實(shí)驗(yàn)將兩種驅(qū)動(dòng)方式下的LED發(fā)光面拼成一個(gè)整體，由觀測(cè)者觀察比較選擇哪一側(cè)看起來(lái)更為明亮來(lái)獲得每一組數(shù)據(jù)。所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 觀測(cè)者觀察的發(fā)光面元Fig.1 The front view for the observers

為了比較二者對(duì)于人眼亮度感知水平的影響，雜散光對(duì)其的影響需要排除，因此實(shí)驗(yàn)為暗室測(cè)量。為了準(zhǔn)確測(cè)得亮度值，實(shí)驗(yàn)采取硅光電二極管PIN－13DSB定點(diǎn)測(cè)量，將兩顆光電探頭分別置于兩條LED模組正前方處的擴(kuò)散板上，由光電探頭將測(cè)得的亮度值轉(zhuǎn)換為電流值。由于所得電流值與亮度值成正比，因此可以很好的衡量LED實(shí)際的亮度水平［3］。

為保證人眼感覺(jué)不到頻閃，實(shí)驗(yàn)脈沖驅(qū)動(dòng)一側(cè)必須采用60Hz頻率以上的頻率，在該實(shí)驗(yàn)中，選擇100Hz。占空比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、100%，每一占空比下得到一組數(shù)據(jù)，即每一位觀測(cè)者要完成8組定量觀測(cè)的比較。在占空比為100%時(shí)得到的測(cè)量數(shù)值為參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，用于校正誤差。兩條LED模組各有7顆白光LED，發(fā)出的光的色溫在4500左右，色坐標(biāo) X:0.4123，色坐標(biāo)Y:0.5853。實(shí)驗(yàn)中，會(huì)每隔一段時(shí)間用亮度計(jì)測(cè)量擴(kuò)散板處，整體來(lái)看，色溫變化不大，對(duì)于人眼觀測(cè)基本無(wú)影響。

由于該實(shí)驗(yàn)是依托于人眼的亮度感知情況，因此選取了47名觀測(cè)者。實(shí)驗(yàn)中考慮男女、老少、是否近視等客觀因素，盡可能的增強(qiáng)了樣本的多樣性。如圖2～圖4所示。

圖2 觀測(cè)者男女比例Fig.2 Observers'sex ratio

圖3 觀測(cè)者近視比例Fig.3 Observers'myopia ratio

圖4 觀測(cè)者年齡比Fig.4 Observers'age ratio

實(shí)驗(yàn)除了定性測(cè)量，由觀測(cè)者指出在某一占空比下，PWM和恒流驅(qū)動(dòng)的LED哪一種看起來(lái)更亮，還采用更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩繙y(cè)量，來(lái)獲得PWM驅(qū)動(dòng)下的LED相對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng)下的LED的人眼亮度感水平提升倍數(shù)。

定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程為，恒流側(cè)由低開(kāi)始慢慢升高其電流源電流，由坐在距離發(fā)光口2m處的觀測(cè)者觀察，當(dāng)觀測(cè)者目測(cè)兩側(cè)亮度開(kāi)始相等時(shí)，記下PWM驅(qū)動(dòng)的LED模組前方對(duì)應(yīng)的光電探頭的電流值S(即PWM驅(qū)動(dòng)一側(cè)的實(shí)際亮度)，同時(shí)記下此時(shí)恒流驅(qū)動(dòng)一側(cè)的光電探頭電流值M。繼續(xù)升高恒流側(cè)的電流值，當(dāng)觀測(cè)者覺(jué)得恒流側(cè)亮度開(kāi)始高于PWM側(cè)時(shí)，記下恒流驅(qū)動(dòng)一側(cè)光電探頭電流值N。由此，便得到了每一位觀測(cè)者眼中，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)的LED看起來(lái)一樣亮?xí)r，PWM驅(qū)動(dòng)一側(cè)的LED對(duì)應(yīng)的實(shí)際亮度值，與恒流驅(qū)動(dòng)一側(cè)LED對(duì)應(yīng)的的實(shí)際亮度范圍值。

3 數(shù)據(jù)處理

由于每個(gè)人的人眼感知水平不同，因此所得的數(shù)據(jù)情況也因人而異。

表1 觀測(cè)者X觀察所得數(shù)據(jù)Table 1 Data from observer X

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)示例如表1所示，設(shè)該觀測(cè)者名為X。定義PWM脈沖驅(qū)動(dòng)相對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng)而言的亮度感知水平提升倍數(shù)為

下面對(duì)表1中的數(shù)據(jù)加以解釋說(shuō)明:

DC始光電流 (M):在某一占空比下，從低往高調(diào)節(jié)恒流一側(cè)的LED電流值，當(dāng)觀測(cè)者表示擴(kuò)散板上兩側(cè)剛開(kāi)始看起來(lái)一樣亮?xí)r，恒流一側(cè)LED對(duì)應(yīng)的光電探頭上讀出的電流值，即可代表其亮度值。

DC止光電流 (N):在某一占空比下，繼續(xù)調(diào)高恒流一側(cè)的LED電流值，當(dāng)觀測(cè)者表示擴(kuò)散板上，恒流一側(cè)的LED將要亮于脈沖一側(cè)的LED時(shí)，恒流一側(cè)LED對(duì)應(yīng)的光電探頭上讀出的電流值，即可代表其亮度值。

DC平均光電流:將范圍值M、N加以平均，得到的人眼感知到兩者等亮度時(shí)的恒流一側(cè)的平均值。

Pulse光電流 (S):在PWM驅(qū)動(dòng)下的LED對(duì)應(yīng)光電探頭上讀出的電流值，即可代表其亮度值。

DC平均光電流與Pulse光電流 (S)的比值便是亮度感知水平提升倍數(shù)。

以上對(duì)DC一側(cè)恒流源的緩緩升高其電流值的調(diào)節(jié)過(guò)程可能顯得很復(fù)雜，但是，這是十分必要的。這是因?yàn)閷?duì)于人眼來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的找到兩邊擴(kuò)散板看起來(lái)一樣亮的某一點(diǎn)，是十分困難甚至是不可能的。因此，我們選擇一種更合理的方法，PWM脈沖一側(cè)不動(dòng)，以某一占空比下它驅(qū)動(dòng)的LED的明亮程度為參考亮度，而在更易于調(diào)節(jié)的恒流源一側(cè)尋找這樣一個(gè)范圍——在這個(gè)范圍里，人眼感知到的，兩種情況下的LED明亮程度是相等的。那么反過(guò)來(lái)，通過(guò)對(duì)兩者實(shí)際物理量度值的測(cè)量與掌握，就能分析出來(lái)哪一種方式能讓人眼“高估”了其明亮程度。

當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)一側(cè)占空比為100%時(shí)，相當(dāng)于兩側(cè)均為恒流驅(qū)動(dòng)，因此獲得參考數(shù)據(jù)組。這是為了說(shuō)明，即使兩側(cè)都是恒流驅(qū)動(dòng)的情況，但是由于客觀條件的不同，如電路搭建方面，LED模組的些微差異，甚至是擴(kuò)散板，盒子，光電探頭等的小小差別，都可以導(dǎo)致觀測(cè)者在該情況下也能感覺(jué)得到兩者對(duì)于亮度感知提升的不同。另外，由于人眼也會(huì)有疲憊和視覺(jué)鈍化的現(xiàn)象，盡管在每一組實(shí)驗(yàn)之間都安排了一段相對(duì)合理的休息時(shí)間，但是這一組100%的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)還是能夠更好的，也最大程度的消減這種主觀因素帶來(lái)的誤差。

根據(jù)這一參考對(duì)照組得到的數(shù)據(jù)，將20%～80%占空比下所得到的亮度感知水平提升倍數(shù)值與相應(yīng)的100%占空比下的值做比，處理后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 47名觀測(cè)者觀察所得脈沖亮度系數(shù)值Table 2 Pulse intensity factor of the 47 observers

綜合實(shí)驗(yàn)得到的47組數(shù)據(jù)，將以散點(diǎn)的形式分布于圖內(nèi)，便可得到每一占空比下PWM脈沖驅(qū)動(dòng)較恒流驅(qū)動(dòng)的LED亮度感知提升倍數(shù)的平均值。于是得到一般情況下，相對(duì)與恒流驅(qū)動(dòng)而言，PWM驅(qū)動(dòng)所能帶來(lái)的亮度感知水平提升倍數(shù)如圖5所示。

圖5 脈沖驅(qū)動(dòng)較恒流驅(qū)動(dòng)的LED脈沖亮度系數(shù)曲線Fig.5 Curve:the Pulse intensity factor under PWM compared with DC condition

可見(jiàn)，對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)而言，PWM驅(qū)動(dòng)的LED有著明顯的亮度感知水平的提升。

4 討論和總結(jié)

由一系列數(shù)據(jù)、圖表可以看出，在人眼看來(lái)，PWM驅(qū)動(dòng)的LED以更小的亮度值達(dá)到了與恒流驅(qū)動(dòng)的LED相同的照明亮度要求。這是由于人的視覺(jué)存在Broca-sulzer效應(yīng)和時(shí)間背景效應(yīng)，即在高物理亮度條件下，閃光刺激的明亮度會(huì)在一開(kāi)始上升到一個(gè)最大值，然后逐漸下降，物理亮度不變的短暫閃光刺激與空間相鄰亮度恒定的物體間的時(shí)間背景函數(shù)［4］。綜合人眼的視覺(jué)殘留現(xiàn)象可知，在PWM驅(qū)動(dòng)的情況下，每一脈沖周期內(nèi)，nT時(shí)間內(nèi)的閃光刺激明亮度會(huì)繼續(xù)在 (1～n)T時(shí)間內(nèi)維持在一較高水平。從而使得脈沖驅(qū)動(dòng)的LED有著較低的實(shí)際亮度，卻使人們感覺(jué)已經(jīng)足夠亮了。同時(shí)，PWM驅(qū)動(dòng)下LED的散熱情況不同于恒流驅(qū)動(dòng)，更為有效的散熱會(huì)使得LED光衰減小。對(duì)于熱學(xué)方面的影響的研究，尚在進(jìn)一步探索中［5～6］。

同時(shí)，由圖5可以看出，隨著占空比的不斷增加，亮度提升系數(shù)在趨于減小。這主要是因?yàn)樵诟哒伎毡惹闆r下，PWM驅(qū)動(dòng)的脈沖波形開(kāi)始與恒流波形趨同，因此人眼對(duì)于二者的明亮感受是基本一致的，即脈沖驅(qū)動(dòng)視覺(jué)功效的提升在高占空比下并不明顯。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，PWM驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)還面臨著很多的問(wèn)題。為了達(dá)到提升實(shí)際光效、節(jié)能、低碳的目的，還需要在PWM脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、LED芯片的散熱等方面加以優(yōu)化改進(jìn)。關(guān)于這樣的驅(qū)動(dòng)方式是否能在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到這種優(yōu)良效果還有待于進(jìn)一步研究與評(píng)價(jià)。

［1］侯建國(guó)，陳鳴，陳健.高亮度白光發(fā)光二級(jí)管發(fā)光特性的研究.光源與照明，2006，6.

［2］王峰，梁楚華，郭延生.大功率LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的研究.電子技術(shù)應(yīng)用，2008，6.

［3］MasafumiJINNO， KeijiMORITA， YudaiTOMITA，Yukinobu TODA， Hideki MOTOMURA. Effective Illuminance Improvement of a Light Source by Using Pulse Modulation and Its Psychophysical Effect on the Human Eye.J.Light＆Vis.Env，Vol.32，No.2，2008.

［4］孫偉，黃金仙，楊仲樂(lè).Broca-sulzer效應(yīng)和時(shí)間背景效應(yīng)的共同機(jī)制.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2007，02.

［5］趙偉強(qiáng)，劉慧，劉建等.探討利用脈沖源供電減少節(jié)能LED的熱積累.中國(guó)測(cè)試，2010，11.

［6］Douglas，C.A.Computation of Effective Intensity of Flashing Lights.Illuminating Engineering，Vol.52，pp.641～646，1957.