談 茜 饒 豐 張永林 楊 帆 徐何辰

(1.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇檢驗(yàn)檢疫車(chē)輛燈具實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江燈具檢測(cè)中心，江蘇丹陽(yáng) 212300)

1 引言

LED被稱(chēng)為第四代照明光源或綠色光源，與傳統(tǒng)光源相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如光效高、無(wú)汞環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等。LED已經(jīng)應(yīng)用于指示、顯示、裝飾、背光源、城市夜景、道路和室內(nèi)等照明領(lǐng)域［1］，其中許多場(chǎng)合往往趨于中間視覺(jué)范圍。人類(lèi)感覺(jué)器官在中間視覺(jué)和明視覺(jué)不同，因此在中間視覺(jué)時(shí)，亮度、顏色、空間和響應(yīng)特性均與明視覺(jué)不同［2］。

中間視覺(jué)研究始于20世紀(jì)五十年代［3］。1996年，美國(guó)Rensselaer大學(xué)照明研究所的 He Y和Rea M等人使用了反應(yīng)時(shí)間這一參數(shù)對(duì)光源在中間視覺(jué)狀態(tài)下的光譜光視效率函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)［4］。2008年，復(fù)旦大學(xué)建立了新型中間視覺(jué)S光度學(xué)模型，通過(guò)此模型計(jì)算了各種光源在不同亮度水平下的中間視覺(jué)修正系數(shù)Rm(即中間視覺(jué)光通量與明視覺(jué)光通量之比)［5］，此系數(shù)可用來(lái)修正得到中間視覺(jué)下的光度參數(shù)，但他們并沒(méi)有研究電流對(duì)于兩者之間關(guān)系的影響。X模型和MOVE模型分別由Rea等人在2004年以及Goodman等人在2007年提出的，X模型和MOVE模型的主要區(qū)別在于對(duì)明視覺(jué)到中間視覺(jué)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)的定義不同，X模型把中間視覺(jué)的上限定義為0.6cd/m2，而MOVE模型把上限定義為10cd/m2。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)X模型的上限亮度太低了，而MOVE模型定義的上限亮度太高了［6］。因此，在2008年Viikari M等人提出了一種新的改進(jìn)的MOVE模型，其亮度的最大值滿足在不同天氣條件下的實(shí)際道路和街道照明的亮度值。他們還比較了MOVE模型、X模型和修正過(guò)的MOVE模型在三個(gè)獨(dú)立的視覺(jué)評(píng)價(jià)差異［7］，此被修正的MOVE模型可作為新的實(shí)用的中間視覺(jué)光度學(xué)的基礎(chǔ)。2005年，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司建立了一個(gè)改進(jìn)的高斯模型，并通過(guò)分析證明該模型可用于描述真實(shí)LED的平均光譜，并論述了如何利用該模型對(duì)光學(xué)特性進(jìn)行理論分析［8］。這一數(shù)學(xué)模型對(duì)于LED光譜特性的研究具有一定的價(jià)值，但是該模型要求知道峰值波長(zhǎng)、半波寬等參數(shù)，不能直接應(yīng)用于工程領(lǐng)域。最近，以“中間視覺(jué)范圍內(nèi)的視覺(jué)功能”為研究主題的國(guó)際照明委員會(huì) (CIE)技術(shù)委員會(huì)TC l—58完成了“基于視覺(jué)功能的中間光度學(xué)推薦系統(tǒng)”，并通過(guò) CIE 官方發(fā)布了技術(shù)報(bào)告 CIE 191∶2010［9，10］。2011年，江蘇檢驗(yàn)檢疫車(chē)輛燈具實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用matlab軟件構(gòu)建了常用的中間視覺(jué)模型，并給出了編程流程和程序源代碼，這為快速計(jì)算中間視覺(jué)光視效率函數(shù)奠定了基礎(chǔ)［11］。

本文選擇紅、黃、藍(lán)、綠和白五種顏色LED為研究對(duì)象，每種顏色LED均為同一型號(hào)同一產(chǎn)地，采用LED光色電綜合分析儀，測(cè)量不同驅(qū)動(dòng)電流下LED的光譜，計(jì)算出平均光譜，并比較平均光譜與實(shí)際光譜之間的差異，最后分析了不同LED的Rm值與亮度的關(guān)系特性。該研究得到了LED在不同驅(qū)動(dòng)電流和不同外界亮度下的照明特性，為低照度下LED燈具的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

本研究的實(shí)驗(yàn)裝置是杭州遠(yuǎn)方公司的LED光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，數(shù)控高精度恒流電源給待測(cè)LED提供電源，積分球、光譜計(jì)能夠快速測(cè)量待測(cè)LED的光通量和光譜分布。

圖1 LED光色電綜合分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本研究選擇五種顏色的LED，每種10只，不同顏色LED的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LED樣品參數(shù)

日常LED燈具的功率一般在額定功率的50%～110%之間，因此，本研究用LED光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)每只LED樣品12mA至24mA的光電特性，相當(dāng)于額定功率的60%到110%，測(cè)量間隔為2mA。測(cè)試環(huán)境溫度為10℃。測(cè)試時(shí)采用脈沖點(diǎn)燈，以防止結(jié)溫的影響。本實(shí)驗(yàn)分成兩部分:一部分測(cè)同一LED在不同電流下的光譜;另一部分測(cè)相同電流下，同一型號(hào)的不同LED的光譜。通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和仿真軟件編程，分析它們的光譜特性并研究Rm與電參數(shù)的關(guān)系。

3 結(jié)果及分析

3.1 各顏色LED的光譜

測(cè)每種顏色十只LED在七個(gè)電流下的光譜，再將測(cè)得的每種顏色的七十個(gè)光譜做均值，將其定義為平均光譜S(λ)model，公式如下:

式中，S(λ)real——實(shí)際光譜曲線;

n——實(shí)際光譜曲線的個(gè)數(shù)。

用誤差函數(shù)E來(lái)表征各光譜與平均光譜之間的誤差［8］，定義為:

圖2從左到右依次為白、藍(lán)、綠、黃、紅色LED的平均光譜。其峰值波長(zhǎng)、半波寬等參數(shù)見(jiàn)表2。為了表征不同電流下LED光譜與平均光譜的差異大小，表2中還給出了標(biāo)準(zhǔn)差，其中，峰值標(biāo)準(zhǔn)差為每種顏色LED在不同電流下的實(shí)際光譜的峰值波長(zhǎng)與相應(yīng)的平均光譜峰值波長(zhǎng)的離散程度;同理，可求得各顏色LED的平均光譜的半波寬與半波寬標(biāo)準(zhǔn)差?？梢?jiàn):綠光的峰值標(biāo)準(zhǔn)差最大，紅光的最小，說(shuō)明綠光的峰值波長(zhǎng)受電流的影響最明顯，紅光則相反;白光的半波寬受電流的影響最大，黃光的影響最小。

圖2 平均光譜

表2 各顏色LED峰值波長(zhǎng)與半波寬的平均值

圖3為式 (2)計(jì)算的每個(gè)電流下，各顏色的十只LED與對(duì)應(yīng)的平均光譜誤差的平均值，其范圍為:紅7.29% ～9.80%，黃4.40% ～7.92%，藍(lán)5.10%～7.31%，綠4.63%～8.52%，白2.73%～4.14%。由圖3可知:電流變化對(duì)綠光光譜的影響最大，對(duì)白光光譜的影響最小。但總體上觀察，同一顏色LED的相對(duì)光譜整體變化小于8%，因此在普通照明要求下，可以用圖2中的平均光譜來(lái)描述LED的相對(duì)光譜。

圖3 各光譜與平均光譜誤差

3.2 Rm與亮度的關(guān)系

將中間視覺(jué)光通量與明視覺(jué)光通量之比定義為Rm［5］。

式中，Φm——中間視覺(jué)下的光通量;

Φp——明視覺(jué)下的光通量。

本研究中，中間視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)采用CIE 191∶2010年的推薦模型。借助仿真軟件，擬合五種顏色LED的Rm與亮度的關(guān)系，公式如下:

式中，P1、P2、P3、…、Pn——系數(shù);

L——環(huán)境亮度;

Rm——中間視覺(jué)修正系數(shù)。

利用回歸分析判斷曲線擬合的精確程度，在回歸分析中用F檢驗(yàn)法對(duì)擬合方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。一階擬合時(shí)，紅、黃、藍(lán)色LED的回歸方程的顯著性水平為0.05，未能精確的表示兩者之間的關(guān)系;用二階擬合時(shí)，回歸方程的顯著性水平為0.01，可信度達(dá)到99%，此時(shí)回歸已高度顯著。而綠、白色LED一階擬合回歸方程的可信度已達(dá)99%，可以較精確的表示Rm與亮度之間的關(guān)系。因此綠、白色LED的Rm的對(duì)數(shù)與亮度的對(duì)數(shù)的關(guān)系用一階線性擬合，紅、黃和藍(lán)色LED的該關(guān)系用二階擬合。

用上面求得平均光譜計(jì)算不同亮度下的值，并代入式 (4)，求得式中的系數(shù)，如表3所示。表3中sigma為殘余誤差百分?jǐn)?shù)，由sigma可知黃光曲線擬合的相關(guān)程度最高，藍(lán)光次之，紅光的最低。但總體上看各顏色LED曲線擬合的相關(guān)程度都較高。

表3 綠、白擬合系數(shù)及殘余標(biāo)準(zhǔn)差百分?jǐn)?shù)

圖4從上到下依次為藍(lán)、綠、白、黃和紅色LED的lg(Rm)與lg L的關(guān)系，可見(jiàn):紅、黃LED的Rm隨亮度的增大而增大;藍(lán)、綠和白色LED則相反，且藍(lán)光的下降趨勢(shì)最為明顯。

圖4 Rm與亮度的關(guān)系

4 結(jié)論

本研究利用LED光色電綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)五種顏色各十只LED在驅(qū)動(dòng)電流為12mA至24mA的光電參數(shù)，同時(shí)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及仿真軟件編程分析，總結(jié)了各顏色LED的Rm與亮度的關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn):在12～24mA電流范圍內(nèi)，同種型號(hào)不同LED的相對(duì)光譜可以用平均光譜來(lái)表示，這樣無(wú)需通過(guò)光譜儀便可獲得LED的光譜，有利于節(jié)省硬件成本和快速測(cè)算。同時(shí)，紅、黃、藍(lán)LED的Rm的對(duì)數(shù)與亮度的對(duì)數(shù)存在二次曲線關(guān)系;綠、白LED的Rm的對(duì)數(shù)與亮度的對(duì)數(shù)具有線性關(guān)系，該研究對(duì)中間視覺(jué)下光度量測(cè)量?jī)x器的研究及低照度下LED燈具的設(shè)計(jì)具有重要意義。

［1］劉木清．照明用LED光效的熱特性及其測(cè)試與評(píng)價(jià)方法的研究 ［D］．上海:復(fù)旦大學(xué)，2009．

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