人眼對于PWM驅動下的LED亮度感知水平的提高

高維惜 顧 鑫 沈海平 劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

LED的迅猛發展是離不開其自身優秀的特性的，但是LED對溫度、對電源的苛刻要求已經限制了它的發展。在不同的驅動條件下，LED的發光情況會對人眼產生不同的視覺效應。PWM驅動與恒流驅動一樣，都已經在LED的主流驅動方式中占有一席之地，但是由于PWM脈沖驅動存在電路繁瑣，實際操作復雜等缺點使其還未被廣泛的應用到實際生產生活當中［1］。

2008年，日本科學家Masafumi JINNO用紅綠藍三色LED來研究在脈沖驅動下LED光效和視覺功效的提高，提出了一種使得脈沖驅動更為有節能價值的觀點，也讓人們意識到，PWM脈沖驅動調制方式有著足夠明顯的優勢來替代傳統的恒流驅動方式，做到更節能，更低碳［2］。

根據以上的想法，實驗從人眼視覺的角度出發，比較PWM與恒流驅動在視覺功效方面的不同表現，來總結規律，并為提出更為節能低碳的LED驅動設計方案提供實驗支持。

2 實驗過程

為了研究PWM驅動方式下的人眼亮度感知水平的提高，實驗將兩種驅動方式下的LED發光面拼成一個整體，由觀測者觀察比較選擇哪一側看起來更為明亮來獲得每一組數據。所搭建的實驗平臺如圖1所示。

圖1 觀測者觀察的發光面元Fig.1 The front view for the observers

為了比較二者對于人眼亮度感知水平的影響，雜散光對其的影響需要排除，因此實驗為暗室測量。為了準確測得亮度值，實驗采取硅光電二極管PIN－13DSB定點測量，將兩顆光電探頭分別置于兩條LED模組正前方處的擴散板上，由光電探頭將測得的亮度值轉換為電流值。由于所得電流值與亮度值成正比，因此可以很好的衡量LED實際的亮度水平［3］。

為保證人眼感覺不到頻閃，實驗脈沖驅動一側必須采用60Hz頻率以上的頻率，在該實驗中，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據，即每一位觀測者要完成8組定量觀測的比較。在占空比為100%時得到的測量數值為參考基準數據，用于校正誤差。兩條LED模組各有7顆白光LED，發出的光的色溫在4500左右，色坐標 X:0.4123，色坐標Y:0.5853。實驗中，會每隔一段時間用亮度計測量擴散板處，整體來看，色溫變化不大，對于人眼觀測基本無影響。

由于該實驗是依托于人眼的亮度感知情況，因此選取了47名觀測者。實驗中考慮男女、老少、是否近視等客觀因素，盡可能的增強了樣本的多樣性。如圖2～圖4所示。

圖2 觀測者男女比例Fig.2 Observers'sex ratio

圖3 觀測者近視比例Fig.3 Observers'myopia ratio

圖4 觀測者年齡比Fig.4 Observers'age ratio

實驗除了定性測量，由觀測者指出在某一占空比下，PWM和恒流驅動的LED哪一種看起來更亮，還采用更為嚴謹的定量測量，來獲得PWM驅動下的LED相對于恒流驅動下的LED的人眼亮度感水平提升倍數。

定量測量的實驗過程為，恒流側由低開始慢慢升高其電流源電流，由坐在距離發光口2m處的觀測者觀察，當觀測者目測兩側亮度開始相等時，記下PWM驅動的LED模組前方對應的光電探頭的電流值S(即PWM驅動一側的實際亮度)，同時記下此時恒流驅動一側的光電探頭電流值M。繼續升高恒流側的電流值，當觀測者覺得恒流側亮度開始高于PWM側時，記下恒流驅動一側光電探頭電流值N。由此，便得到了每一位觀測者眼中，兩側驅動的LED看起來一樣亮時，PWM驅動一側的LED對應的實際亮度值，與恒流驅動一側LED對應的的實際亮度范圍值。

3 數據處理

由于每個人的人眼感知水平不同，因此所得的數據情況也因人而異。

表1 觀測者X觀察所得數據Table 1 Data from observer X

實驗所得數據示例如表1所示，設該觀測者名為X。定義PWM脈沖驅動相對于恒流驅動而言的亮度感知水平提升倍數為

下面對表1中的數據加以解釋說明:

DC始光電流 (M):在某一占空比下，從低往高調節恒流一側的LED電流值，當觀測者表示擴散板上兩側剛開始看起來一樣亮時，恒流一側LED對應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，繼續調高恒流一側的LED電流值，當觀測者表示擴散板上，恒流一側的LED將要亮于脈沖一側的LED時，恒流一側LED對應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的恒流一側的平均值。

Pulse光電流 (S):在PWM驅動下的LED對應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。

以上對DC一側恒流源的緩緩升高其電流值的調節過程可能顯得很復雜，但是，這是十分必要的。這是因為對于人眼來說，準確的找到兩邊擴散板看起來一樣亮的某一點，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脈沖一側不動，以某一占空比下它驅動的LED的明亮程度為參考亮度，而在更易于調節的恒流源一側尋找這樣一個范圍——在這個范圍里，人眼感知到的，兩種情況下的LED明亮程度是相等的。那么反過來，通過對兩者實際物理量度值的測量與掌握，就能分析出來哪一種方式能讓人眼“高估”了其明亮程度。

當PWM驅動一側占空比為100%時，相當于兩側均為恒流驅動，因此獲得參考數據組。這是為了說明，即使兩側都是恒流驅動的情況，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，甚至是擴散板，盒子，光電探頭等的小小差別，都可以導致觀測者在該情況下也能感覺得到兩者對于亮度感知提升的不同。另外，由于人眼也會有疲憊和視覺鈍化的現象，盡管在每一組實驗之間都安排了一段相對合理的休息時間，但是這一組100%的對照組實驗還是能夠更好的，也最大程度的消減這種主觀因素帶來的誤差。

根據這一參考對照組得到的數據，將20%～80%占空比下所得到的亮度感知水平提升倍數值與相應的100%占空比下的值做比，處理后的數據見表2。

表2 47名觀測者觀察所得脈沖亮度系數值Table 2 Pulse intensity factor of the 47 observers

綜合實驗得到的47組數據，將以散點的形式分布于圖內，便可得到每一占空比下PWM脈沖驅動較恒流驅動的LED亮度感知提升倍數的平均值。于是得到一般情況下，相對與恒流驅動而言，PWM驅動所能帶來的亮度感知水平提升倍數如圖5所示。

圖5 脈沖驅動較恒流驅動的LED脈沖亮度系數曲線Fig.5 Curve:the Pulse intensity factor under PWM compared with DC condition

可見，對恒流驅動而言，PWM驅動的LED有著明顯的亮度感知水平的提升。

4 討論和總結

由一系列數據、圖表可以看出，在人眼看來，PWM驅動的LED以更小的亮度值達到了與恒流驅動的LED相同的照明亮度要求。這是由于人的視覺存在Broca-sulzer效應和時間背景效應，即在高物理亮度條件下，閃光刺激的明亮度會在一開始上升到一個最大值，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間背景函數［4］。綜合人眼的視覺殘留現象可知，在PWM驅動的情況下，每一脈沖周期內，nT時間內的閃光刺激明亮度會繼續在 (1～n)T時間內維持在一較高水平。從而使得脈沖驅動的LED有著較低的實際亮度，卻使人們感覺已經足夠亮了。同時，PWM驅動下LED的散熱情況不同于恒流驅動，更為有效的散熱會使得LED光衰減小。對于熱學方面的影響的研究，尚在進一步探索中［5～6］。

同時，由圖5可以看出，隨著占空比的不斷增加，亮度提升系數在趨于減小。這主要是因為在高占空比情況下，PWM驅動的脈沖波形開始與恒流波形趨同，因此人眼對于二者的明亮感受是基本一致的，即脈沖驅動視覺功效的提升在高占空比下并不明顯。

然而，在實際應用中，PWM驅動的設計還面臨著很多的問題。為了達到提升實際光效、節能、低碳的目的，還需要在PWM脈沖寬度調制驅動電路設計、LED芯片的散熱等方面加以優化改進。關于這樣的驅動方式是否能在實際應用中達到這種優良效果還有待于進一步研究與評價。

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

［2］王峰，梁楚華，郭延生.大功率LED脈沖驅動電源技術的研究.電子技術應用，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.Broca-sulzer效應和時間背景效應的共同機制.中國組織工程研究與臨床康復，2007，02.

［5］趙偉強，劉慧，劉建等.探討利用脈沖源供電減少節能LED的熱積累.中國測試，2010，11.

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