人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高

高维惜 顾 鑫 沈海平 刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

LED的迅猛发展是离不开其自身优秀的特性的，但是LED对温度、对电源的苛刻要求已经限制了它的发展。在不同的驱动条件下，LED的发光情况会对人眼产生不同的视觉效应。PWM驱动与恒流驱动一样，都已经在LED的主流驱动方式中占有一席之地，但是由于PWM脉冲驱动存在电路繁琐，实际操作复杂等缺点使其还未被广泛的应用到实际生产生活当中［1］。

2008年，日本科学家Masafumi JINNO用红绿蓝三色LED来研究在脉冲驱动下LED光效和视觉功效的提高，提出了一种使得脉冲驱动更为有节能价值的观点，也让人们意识到，PWM脉冲驱动调制方式有着足够明显的优势来替代传统的恒流驱动方式，做到更节能，更低碳［2］。

根据以上的想法，实验从人眼视觉的角度出发，比较PWM与恒流驱动在视觉功效方面的不同表现，来总结规律，并为提出更为节能低碳的LED驱动设计方案提供实验支持。

2 实验过程

为了研究PWM驱动方式下的人眼亮度感知水平的提高，实验将两种驱动方式下的LED发光面拼成一个整体，由观测者观察比较选择哪一侧看起来更为明亮来获得每一组数据。所搭建的实验平台如图1所示。

图1 观测者观察的发光面元Fig.1 The front view for the observers

为了比较二者对于人眼亮度感知水平的影响，杂散光对其的影响需要排除，因此实验为暗室测量。为了准确测得亮度值，实验采取硅光电二极管PIN－13DSB定点测量，将两颗光电探头分别置于两条LED模组正前方处的扩散板上，由光电探头将测得的亮度值转换为电流值。由于所得电流值与亮度值成正比，因此可以很好的衡量LED实际的亮度水平［3］。

为保证人眼感觉不到频闪，实验脉冲驱动一侧必须采用60Hz频率以上的频率，在该实验中，选择100Hz。占空比分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、100%，每一占空比下得到一组数据，即每一位观测者要完成8组定量观测的比较。在占空比为100%时得到的测量数值为参考基准数据，用于校正误差。两条LED模组各有7颗白光LED，发出的光的色温在4500左右，色坐标 X:0.4123，色坐标Y:0.5853。实验中，会每隔一段时间用亮度计测量扩散板处，整体来看，色温变化不大，对于人眼观测基本无影响。

由于该实验是依托于人眼的亮度感知情况，因此选取了47名观测者。实验中考虑男女、老少、是否近视等客观因素，尽可能的增强了样本的多样性。如图2～图4所示。

图2 观测者男女比例Fig.2 Observers'sex ratio

图3 观测者近视比例Fig.3 Observers'myopia ratio

图4 观测者年龄比Fig.4 Observers'age ratio

实验除了定性测量，由观测者指出在某一占空比下，PWM和恒流驱动的LED哪一种看起来更亮，还采用更为严谨的定量测量，来获得PWM驱动下的LED相对于恒流驱动下的LED的人眼亮度感水平提升倍数。

定量测量的实验过程为，恒流侧由低开始慢慢升高其电流源电流，由坐在距离发光口2m处的观测者观察，当观测者目测两侧亮度开始相等时，记下PWM驱动的LED模组前方对应的光电探头的电流值S(即PWM驱动一侧的实际亮度)，同时记下此时恒流驱动一侧的光电探头电流值M。继续升高恒流侧的电流值，当观测者觉得恒流侧亮度开始高于PWM侧时，记下恒流驱动一侧光电探头电流值N。由此，便得到了每一位观测者眼中，两侧驱动的LED看起来一样亮时，PWM驱动一侧的LED对应的实际亮度值，与恒流驱动一侧LED对应的的实际亮度范围值。

3 数据处理

由于每个人的人眼感知水平不同，因此所得的数据情况也因人而异。

表1 观测者X观察所得数据Table 1 Data from observer X

实验所得数据示例如表1所示，设该观测者名为X。定义PWM脉冲驱动相对于恒流驱动而言的亮度感知水平提升倍数为

下面对表1中的数据加以解释说明:

DC始光电流 (M):在某一占空比下，从低往高调节恒流一侧的LED电流值，当观测者表示扩散板上两侧刚开始看起来一样亮时，恒流一侧LED对应的光电探头上读出的电流值，即可代表其亮度值。

DC止光电流 (N):在某一占空比下，继续调高恒流一侧的LED电流值，当观测者表示扩散板上，恒流一侧的LED将要亮于脉冲一侧的LED时，恒流一侧LED对应的光电探头上读出的电流值，即可代表其亮度值。

DC平均光电流:将范围值M、N加以平均，得到的人眼感知到两者等亮度时的恒流一侧的平均值。

Pulse光电流 (S):在PWM驱动下的LED对应光电探头上读出的电流值，即可代表其亮度值。

DC平均光电流与Pulse光电流 (S)的比值便是亮度感知水平提升倍数。

以上对DC一侧恒流源的缓缓升高其电流值的调节过程可能显得很复杂，但是，这是十分必要的。这是因为对于人眼来说，准确的找到两边扩散板看起来一样亮的某一点，是十分困难甚至是不可能的。因此，我们选择一种更合理的方法，PWM脉冲一侧不动，以某一占空比下它驱动的LED的明亮程度为参考亮度，而在更易于调节的恒流源一侧寻找这样一个范围——在这个范围里，人眼感知到的，两种情况下的LED明亮程度是相等的。那么反过来，通过对两者实际物理量度值的测量与掌握，就能分析出来哪一种方式能让人眼“高估”了其明亮程度。

当PWM驱动一侧占空比为100%时，相当于两侧均为恒流驱动，因此获得参考数据组。这是为了说明，即使两侧都是恒流驱动的情况，但是由于客观条件的不同，如电路搭建方面，LED模组的些微差异，甚至是扩散板，盒子，光电探头等的小小差别，都可以导致观测者在该情况下也能感觉得到两者对于亮度感知提升的不同。另外，由于人眼也会有疲惫和视觉钝化的现象，尽管在每一组实验之间都安排了一段相对合理的休息时间，但是这一组100%的对照组实验还是能够更好的，也最大程度的消减这种主观因素带来的误差。

根据这一参考对照组得到的数据，将20%～80%占空比下所得到的亮度感知水平提升倍数值与相应的100%占空比下的值做比，处理后的数据见表2。

表2 47名观测者观察所得脉冲亮度系数值Table 2 Pulse intensity factor of the 47 observers

综合实验得到的47组数据，将以散点的形式分布于图内，便可得到每一占空比下PWM脉冲驱动较恒流驱动的LED亮度感知提升倍数的平均值。于是得到一般情况下，相对与恒流驱动而言，PWM驱动所能带来的亮度感知水平提升倍数如图5所示。

图5 脉冲驱动较恒流驱动的LED脉冲亮度系数曲线Fig.5 Curve:the Pulse intensity factor under PWM compared with DC condition

可见，对恒流驱动而言，PWM驱动的LED有着明显的亮度感知水平的提升。

4 讨论和总结

由一系列数据、图表可以看出，在人眼看来，PWM驱动的LED以更小的亮度值达到了与恒流驱动的LED相同的照明亮度要求。这是由于人的视觉存在Broca-sulzer效应和时间背景效应，即在高物理亮度条件下，闪光刺激的明亮度会在一开始上升到一个最大值，然后逐渐下降，物理亮度不变的短暂闪光刺激与空间相邻亮度恒定的物体间的时间背景函数［4］。综合人眼的视觉残留现象可知，在PWM驱动的情况下，每一脉冲周期内，nT时间内的闪光刺激明亮度会继续在 (1～n)T时间内维持在一较高水平。从而使得脉冲驱动的LED有着较低的实际亮度，却使人们感觉已经足够亮了。同时，PWM驱动下LED的散热情况不同于恒流驱动，更为有效的散热会使得LED光衰减小。对于热学方面的影响的研究，尚在进一步探索中［5～6］。

同时，由图5可以看出，随着占空比的不断增加，亮度提升系数在趋于减小。这主要是因为在高占空比情况下，PWM驱动的脉冲波形开始与恒流波形趋同，因此人眼对于二者的明亮感受是基本一致的，即脉冲驱动视觉功效的提升在高占空比下并不明显。

然而，在实际应用中，PWM驱动的设计还面临着很多的问题。为了达到提升实际光效、节能、低碳的目的，还需要在PWM脉冲宽度调制驱动电路设计、LED芯片的散热等方面加以优化改进。关于这样的驱动方式是否能在实际应用中达到这种优良效果还有待于进一步研究与评价。

［1］侯建国，陈鸣，陈健.高亮度白光发光二级管发光特性的研究.光源与照明，2006，6.

［2］王峰，梁楚华，郭延生.大功率LED脉冲驱动电源技术的研究.电子技术应用，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］孙伟，黄金仙，杨仲乐.Broca-sulzer效应和时间背景效应的共同机制.中国组织工程研究与临床康复，2007，02.

［5］赵伟强，刘慧，刘建等.探讨利用脉冲源供电减少节能LED的热积累.中国测试，2010，11.

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