中间视觉条件下LED光通量随驱动电流的变化

饶 丰，葛志诚，朱金连，陆创新

(1.江苏检验检疫车辆灯具检测实验室，镇江灯具检测中心，丹阳212300;2.镇江出入境检验检疫局，镇江212000;3.江苏科技大学，镇江212003)

0 引言

一般地，亮度在10-3cd/m2到几个cd/m2之间为中间视觉(Mesopic vision)，此时视锥细胞和视杆细胞同时对人眼视觉产生作用。在此视觉范围内，随着亮度水平的降低，人眼的视见函数从明视觉视见函数逐渐向短波方向偏移，直到暗视觉视见函数。2010年，以“中间视觉范围内的视觉功能”为研究主题的国际照明委员会(CIE)技术委员会TC 1-58完成了工作，出台了基于视觉功能的中间视觉模型，从而得到了不同亮度水平下的视见函数，这对以往基于明视觉光度学构建的照明系统带来挑战，也对LED的发展和应用带来重要影响。

LED是目前国内外照明领域研究的热点。研究LED光通量随电流的变化，是设计LED驱动电路和调光器的基础。在明视觉范围内，LED光通量随着正向电流的增大而线性增大。然而，LED已经被广泛地应用于中间视觉照明场合，如停车场照明、隧道照明、夜间道路照明等，而中间视觉的视见函数与明视觉的不同，因此，其光通量必然与明视觉不同，在明视觉下的研究结果也不适用于中间视觉，这就很有必要研究在中间视觉条件下电流对LED光通量的影响，为设计对应的驱动电源和调光器提供依据。

笔者选择5种颜色LED，用光色电综合分析仪分别测量电流从12 mA至24 mA时LED的光谱，间隔为2 mA，测试环境温度为20℃，然后结合CIE推荐的中间视觉模型，得到不同亮度水平下光通量随驱动电流的变化关系，该研究对在中间视觉条件下使用的LED灯具设计具有重要意义。

1 方法

1.1 CIE推荐的中间视觉模型

CIE 191:2010将中间视觉视见函数Vmes(λ)描述成明视觉视见函数V(λ)和暗视觉视见函数V'(λ)的线性组合，中间视觉亮度范围设定中间视觉亮度为0.005～5.0 cd/m2之间，该模型的具体形式为

式中，m是由视觉环境决定的系数，M(m)是使Vmes(λ)最大值为1的归一化系数，Vmes(λ0)是波长为555 nm时中间视觉视见函数的值，Le(λ)为物体反射光谱，Lmes为在中间视觉下物体的亮度。m值由下式迭代得到:

式中，m0是m的初始值，Lp是明视觉视域亮度，Ls是暗视觉视域亮度，Lmes是中间视觉视域亮度，角标n是迭代序号。

中间视觉视见函数计算方法是，首先根据明视觉视域亮度Lp，暗视觉视域亮度Ls，经式(4)、式(5)反复迭代至 m，Lmes不再变化，如果 Lmes∈［0.005，5］，将m代入(1)，即可计算出 M(m)和Vmes(λ)，如果 Lmes小于0.005 cd/m2，Vmes(λ)等于暗视觉视见函数，Lmes若大于5 cd/m2，Vmes(λ)等于明视觉视见函数。

1.2 中间视觉下LED光通量的计算

中间视觉下光通量计算公式见文献［8，9］。

式中，S(λ)是辐射通量的光谱分布，Vmes(λ)是中间视觉视见函数。我们先测量光源的辐射谱，然后与中间视觉视见函数加权积分，并乘以最大光谱光视效率(683/Vmes(λ0))，得到中间视觉下的光通量。

2 实验与结果

2.1 辐射谱的测量

LED光色电综合测试系统的结构见图1，数控高精度恒流电源给待测LED提供电源，积分球、照度计和光谱计能够快速测量待测LED的明视觉光通量和辐射谱分布。其恒流源稳定度为0.1%，电压、电流均四位数显，准确度为0.2级，光谱测量范围为380～780 nm，波长准确度为1 nm，完全满足本研究的要求。

图1 LED光色电综合分析系统结构示意图

本研究选择5种颜色的LED，每种10只，具体参数见表1。用光色电综合分析仪分别测量电流从12 mA至24 mA时，5种颜色LED的光谱，间隔为2 mA，篇幅所限，图2仅给出白色和黄色LED的测量结果，其中，左边为白色LED的辐射谱，右边为黄色LED的辐射谱。由此可见，随着电流的减小，谱线整体不断下降。

表1 LED样品参数

图2 白色和黄色LED的辐射谱

2.2 光通量随电流的变化

目前常用的亮度计测量的环境亮度为明视觉亮度，因此，我们选择6种亮度计测量亮度Lp，分别为0.005，0.01，0.1，1，2.5 和 5 cd/m2，通过中间视觉模型，得到对应的中间视觉亮度Lmes和视见函数Vmes(λ)，进而得到中间视觉光通量。

对于白色LED，这5种Lp对应的视见函数见图3，最左边为Lp等于0.005 cd/m2时的视见函数，对应中间视觉亮度Ls为0.0051 cd/m2，因此，它与暗视觉视见函数非常接近。最右边为Lp等于5 cd/m2的视见函数，它与明视觉视见函数相同，其他三条视见函数曲线从左至右，对应Lp分别为0.01，0.1，1，和2.5 cd/m2。

图3 白色LED在不同亮度水平下的视见函数

对于不同颜色LED，由于光谱结构不同，虽然Lp相同，但是对应的中间视觉亮度Ls不同，导致中间视觉视见函数有所差异。图4是Lp为0.1 cd/m2时，白色和黄色LED的视见函数，可见两者并不重合，这是中间视觉的重要特征。

图4 明视觉亮度为0.1 cd/m2时白色和黄色LED对应的视见函数

图5是白色、绿色和蓝色LED在6种Lp下，中间视觉光通量随输入电流的变化。在图5中，不同类型的直线表示不同亮度水平下的结果。可见，光通量均随电流增大而线性增大，在同一驱动电流下，随着亮度水平的降低，光通量增大，这主要是因为在中间视觉条件下视杆细胞对视觉也起作用，随着亮度水平的降低，视杆细胞的影响越来越大，而视杆细胞对光很灵敏，导致最大光谱光视效率(即683/Vmes(λ0))随亮度的降低而增大。由图5还可以看出，白色、绿色和蓝色LED对应的直线斜率分别从0.265，0.250，0.121增至0.606，0.771，0.803，说明随着亮度水平的降低，光通量随电流的变化速率越来越大。因此，设计中间视觉条件使用的白色、绿色和蓝色LED灯具驱动电路时，电流的稳定性应高于明视觉LED灯具的3～7倍。中间视觉下的调光器也应比明视觉下的灵敏数倍。

图6是黄色和红色LED中间视觉下光通量随电流的变化，由于光谱的特殊性，当 Lp为0.005和0.01 cd/m2时，这两种LED的中间视觉亮度均小于0.005 cd/m2，因此进入了暗视觉范围，光通量均为暗视觉光通量，两直线重合，见两图中最下面的直线。从上到下，各直线的斜率逐渐减小，说明随着亮度水平的降低，光通量随电流的变化减小，对于同一电流，光通量随着亮度的减小而减小，这与白色、蓝色和绿色LED相反。这是由于这两种LED的光谱在视见函数的右侧，随着亮度的降低，视见函数左移，两曲线重合部分急剧减小的缘故。图7是不同亮度水平的视见函数和黄色、红色LED光谱示意图，可见，视见函数左移导致光通量减小。因此，设计中间视觉下使用的黄色和红色LED灯具时，电流的变化的允许值可以大些，这对降低恒流源和调光器的设计难度，降低成本均有重要意义。

图5 中间视觉条件下，白色、绿色和黄色LED光通量随电流的变化

图6 黄色和红色LED中间视觉光通量随电流的变化

图7 黄色、红色LED及不同亮度的视见函数

3 结论

中间视觉下LED照明特性是国内外研究的前沿，为了研究中间视觉下使用的LED灯具电源和调光器的要求，笔者运用光色电综合分析仪，测量了白、蓝、黄、绿、红色等5种颜色LED在不同电流、不同中间视觉亮度水平下的光通量，得到光通量随电流的变化关系。研究表明，白色、蓝色和绿色LED的光通量随电流的增大而线性增大，随着亮度的降低，其增大的幅度越来越大，当驱动电流相同时，光通量随着亮度的降低而增大。绿色和黄色LED的光通量也随电流的增大而线性增大，但是随着亮度水平的降低，其光通量的变化越来越小，同时，在相同的电流下，其光通量随亮度的降低而减小。

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