基于“视觉亮度”的白光LED光色性能研究

霍东旭，鄢 波，施建青，隋成华,郭雄彬，沈 煜，魏高尧

(1.浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023；2.浙江省能源与核技术应用研究院，浙江 杭州 310012)

引言

白光LED以其节能、环保、寿命长等优点被广泛地应用在指示灯、显示屏、景观照明等领域。大多数的白光LED采用传统的恒流驱动，在这种驱动模式下，白光LED长时间工作后，不断积累的热量会引起器件结温升高，从而影响LED的光通量、发光效率、寿命以及可靠性[1]。因此，为了达到更好的节能效果，白光LED需要采用新的驱动模式来提高光通量和解决散热问题。Bath大学的研究者发现PWM脉冲驱动的白光LED具有更高的量子效率和电流密度饱和点[2]。2008年，日本Ehime大学Masafumi Jinno等人提出了一种可使人眼“视觉亮度”翻倍的新型LED脉冲驱动方式[3]，使人们开始意识到脉冲驱动更为节能的独特优势。

然而，目前关于脉冲驱动下LED器件性能的深入研究却很少。基于此，本文在人眼“视觉亮度”的基础上，结合视觉脉冲响应函数、视觉惰性和人眼的感光特性，研究了PWM脉冲驱动下白光LED的光色特性，对比分析了脉冲驱动和恒流驱动的驱动功率、光通量和色坐标等随着脉冲占空比的变化，进一步解释了脉冲驱动能够提高“视觉亮度”的机制，为脉冲驱动的实际应用提供了实验支持。

1 实验

为了研究脉冲驱动对白光LED“视觉亮度”的影响，本实验测试了频率为100Hz，占空比分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的脉冲驱动与直流驱动在人眼“视觉亮度”一致时白光LED的光色电性能。实验中，方波脉冲电流由数字信号发生器提供，示波器用来测量电路总电压和小电阻两端的电压，并监测通过LED的电流情况。采用光谱分析仪、数字电参数测量仪和直径为0.3m的积分球对白光LED光色电性能进行测量。此外，测试所用的灯珠样品为1W大功率暖白LED，色温为3200～3500K，灯珠电流350mA，电压3.0～3.4V。

由于脉冲驱动情况下不宜直接用电压表和电流表来测试LED两端电压和电流值，故在电路中串联一个稳压小电阻，其阻值为1.23Ω。通过调节数字信号发生器的频率、电位、幅度和占空比使其输出为方波脉冲信号，待信号稳定后，从示波器上分别得到电路的总电压波形图、小电阻两端的电压波形图和对应的占空比。然后再次通过调节数字信号发生器的电位，幅度，使示波器显示的两个波形图同步同相位，当LED发光稳定后读取电压值。示波器两电压通道的差值即为白光LED两端的电压，小电阻两端电压与其阻值的比值为通过LED的峰值电流，从而可以得到脉冲白光LED的功率PL为

(1)

其中，U为电路总电压，UR为小电阻两端的电压，R为小电阻阻值，D为脉冲信号的占空比。

“视觉亮度”属于人眼的主观感受，随不同个体差异而不同。本研究参照文献[4]中的方法，将同一批次的两只1W白光LED灯珠置于边长为20cm、高度为60cm的黑色方形暗室一端，分别以直流和脉冲电源驱动，中间用挡板将两只灯珠发出的光彼此分开。随机选择20名观察者，让其在环境亮度一致的黑暗环境中，从暗室另一端的中间位置同时观察两只LED灯珠。在某个占空比的观察过程中保持脉冲驱动LED的驱动参数不变，同时以脉冲驱动LED的亮度为参考不断调整直流驱动LED的电压值，直至观察者认为两者亮度相同时，记录下相应直流驱动的电流和电压值。然后取20名观察者对于直流驱动的电压和电流平均值，得到平均功率[4]。将此平均功率驱动下人眼感觉的LED亮度，确定为与对应占空比脉冲驱动下人眼感觉的亮度相同。在此平均功率驱动下测量LED的光通量、色坐标、光谱三原色色比值，并与此占空比脉冲驱动下的参数作对比。

2 结果与讨论

2.1 光电性能

将20名观察者在“视觉亮度”一致时，所测的直流驱动模式下的平均功率值与相应的脉冲驱动功率值进行对比。图1为两种驱动模式下的驱动功率值随占空比的变化曲线。从图1中可以看出，当D<40%时，脉冲驱动功率明显比直流驱动功率要小，并且占空比越低，二者的差值也越大。当D=20%时，直流驱动消耗的功率约是脉冲驱动的1.36倍；当占空比在50%附近时，二者消耗的功率值基本相等；然而，当D>70%时，直流驱动功率明显又高于脉冲驱动的功率值，这主要是由于在直流驱动时LED产生的热量不能及时散出而导致结温升高，使其发光效率和能量转化效率的下降趋势比脉冲驱动更为明显[5-6]。

图1 “视觉亮度”一致时驱动功率随着脉冲占空比的变化Fig.1 Driving power varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

图2 “视觉亮度”一致时光通量随着脉冲占空比的变化Fig.2 Luminous flux varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

最直观的表征一个光源亮度的物理量是该光源的光通量。图2为在“视觉亮度”一致时，脉冲和直流驱动下的光通量随脉冲占空比的变化曲线图。如图所示，当D<70%时，脉冲驱动的光通量明显比直流驱动的低，D=20%时，直流驱动的光通量是脉冲驱动的3.6倍， 符合“视觉亮度”翻倍的报道。随着脉冲占空比的增加，二者的差值逐渐减少。当D=70%时，两种驱动下的光通量趋于相等。然而，当D>70%时，脉冲驱动模式下的光通量值大于直流驱动模式下的光通量值。

由于脉冲光源是以有效光强描述其特性的，经过长期的研究工作[7-8]，Allard提出一种计算光脉冲有效发光强度的方法，如下：

(2)

i(t)为人眼感觉光脉冲的瞬时有效光强，I(t)为瞬时光脉冲的光强，a为常数。其中i(t)为I(t)和视觉脉冲响应函数q(t)的卷积，表示为

i(t)=I(t)⊗q(t)

(3)

(4)

对于脉冲持续时间低于1s的矩形光脉冲，该方法的结果偏大。因此，Ohno等人提出一种修正的Allard法，将q(t)的表达式修改为：

(5)

(6)

对于矩形脉冲，I(t)为在冲击时间内为常数I，则i(t)可表示为

(7)

其中τ为脉冲冲击时间，T为脉冲周期[9]。

光脉冲的光强和其有效光强的理论模型图像如图3所示。图3(a)表示作用于人眼的光脉冲亮度，图3(b)表示主观亮度感觉，它滞后于实际光脉冲亮度从而形成视觉惰性，τ～T为视觉暂留时间。当脉冲频率或占空比增加时，τ～T的积分面积随着减小；当其增加到一定值时，τ～T的积分面积小到可以忽略，脉冲驱动下的有效亮度与直流驱动接近相等。

图3 视觉惰性示意图Fig.3 Schematic plot for visual inertia

由Talbot定律可知，若脉冲频率非常快，可以忽略光在人眼的暂留时间，则人眼对亮度的感觉是实际亮度的平均值[10]，即

(8)

式中L(t)为实际亮度的变化曲线，τ为脉冲冲击时间，T为光变化周期。本实验使用的脉冲光频率为100Hz，接近于人眼的临界频率(45.8Hz)，人眼对亮度的视觉暂留时间不能忽略。因此，视觉暂留时间下的“视觉亮度”也应计算在整体的“视觉亮度”中。这样方程(8)修正为：

(9)

式中Lp为视觉暂留时间段的视觉亮度衰减曲线。式(9)中第一项积分为光脉冲冲击时间内的视觉亮度，第二项积分为视觉暂留时间内的视觉亮度。

当脉冲占空比比较低时(D<70%)，式(9)中的第二个积分值在每一个脉冲周期内，使0～τ时间内对人眼的亮度刺激继续在τ～T时间内保持较高的水平[11]，有效地增加了人眼的整体亮度感觉。虽然脉冲驱动下的光通量明显比直流驱动情况下的低，其“视觉亮度”却能达到一致。从而很好地解释了脉冲驱动能够提高白光LED的人眼“视觉亮度”的现象。随着占空比的增加，这种亮度提高能力逐渐降低，PWM 驱动的脉冲波形开始与恒流波形趋同，脉冲驱动在高占空比下对“视觉亮度”的提高并不明显，所以在D=70%附近脉冲和直流驱动下的光通量趋于相等。当D>70%时，对应的直流驱动下LED的温度过高，导致LED芯片在发光区的辐射复合效率减少；并且电流的增加可能使载流子扩散出势阱，不能有效的辐射出光子，导致其发光效率降低，辐射光通量下降[12]。其结果验证了脉冲驱动可以有效地提高LED的量子效率、电流密度的饱和点和“视觉亮度”。

2.2 光色性能

表1给出了“视觉亮度”一致时，脉冲驱动和直流驱动下的色坐标及其到等能白光点(E点)的距离对比情况。发现，在“视觉亮度”一致时，脉冲驱动下的色坐标向E光源偏移，偏移范围2.5%～4.6%，色纯度也相应的降低。表2给出了“视觉亮度”一致时脉冲和直流驱动下光谱三原色色比值的比较。可以看出，“视觉亮度”一致时，脉冲驱动下的蓝色色比值大于直流驱动的。

出现表1和表2这种现象的主要原因是：由于脉冲驱动时冲击电流比较大，引起芯片内量子限制斯塔克效应，使芯片InGaN/GaN的禁带宽度增大，造成LED峰值波长发生蓝移，且蓝光波峰部分明显增大[13]。由于荧光粉距离LED激发光源较远，黄光部分的峰值波长存在小量的漂移，但是幅度很小，可以忽略不计[14]。从而导致其光谱三原色的蓝色比增加，增加约为5%，光谱的蓝绿部分比例增多，光谱更接近等能白光光谱，色温也得到显著的提高。由于人眼的光谱光视效率曲线的波峰位置在555nm，所以，脉冲驱动增强了白光LED对人眼的刺激响应。进一步解释了在低占空比时，虽然脉冲驱动下LED的功率和光通量比直流驱动下的低，但却能达到相同的“视觉亮度”。

表1 “视觉亮度”一致时所记录的脉冲和直流驱动LED的色坐标值Table 1 Color coordinates of pulse-driven and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

表2 “视觉亮度”一致时脉冲和直流驱动LED的光谱三原色色比值Table 2 The ratio of three primary colors for pulse-driven LEDs and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

3 结论

利用脉冲和直流两种驱动模式，分别驱动同一批次规格参数完全相同的白光LED，并在人眼“视觉亮度”一致时，对比其光色电性能。研究发现，在脉冲驱动情况下，由于脉冲驱动时冲击电流比较大，使LED的峰值波长发生蓝移，发出的光比直流驱动时更接近等能白光光源，色温也明显得到了提高，增强了对人眼的亮度刺激响应；同时由于人眼视觉惰性的特性，当占空比低于70%时，虽然脉冲驱动下白光LED的光通量明显比直流驱动模式下的要低，但却能与其达到相同的“视觉亮度”。此外，运用修正的Talot定律，能够很好的解释脉冲驱动能够提高人眼“视觉亮度”的现象。

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