三基色白光LED的司辰节律因子研究

郑莉莉， 郭自泉*， 严 威， 吴挺竹， 吕毅军， 高玉琳， 史 园， 陈 忠

(1. 厦门大学电子科学系 福建省半导体照明工程技术研究中心， 福建 厦门 361005;2. 厦门市产品质量监督检验院 国家半导体发光器件(LED)应用产品质量监督检验中心， 福建 厦门 361004)



三基色白光LED的司辰节律因子研究

郑莉莉1， 郭自泉1*， 严 威1， 吴挺竹1， 吕毅军1， 高玉琳1， 史 园2， 陈 忠1

(1. 厦门大学电子科学系 福建省半导体照明工程技术研究中心， 福建 厦门 361005;2. 厦门市产品质量监督检验院 国家半导体发光器件(LED)应用产品质量监督检验中心， 福建 厦门 361004)

采用司辰节律因子模型，通过计算三基色白光LED光源在不同工作电流下的司辰节律因子，对可调色温的三基色白光LED光源进行非视觉效应研究。为了获取与自然光非视觉效应类似的LED白光，建立了司辰节律因子和相关色温分别相对于工作电流的关系模型，从而已知自然光的司辰节律因子和相关色温，就可以确定三基色LED的工作电流。通过测试一天内不同时刻的自然光光谱，根据上述模型推算出了三基色LED的工作电流。在所推算的三基色电流下，测试了白光LED光谱参数并计算了相应的司辰节律因子。与自然光司辰节律因子的对比结果表明，理论值和实验值的误差在1.1%以内，证实该方法具有可行性。本文所呈现的方法对于利用三基色白光LED模拟自然光具有一定的指导意义。

非视觉效应； 三基色白光LED； 司辰节律因子； 自然光

1 引 言

发光二极管(LEDs)是一种半导体发光器件，被称为第四代照明光源。LED光源相比于白炽灯、荧光灯等传统光源，在节能、环保、光效和寿命等各方面均占有绝对优势。随着光效的进一步提高和成本的进一步下降，LED被广泛应用于交通信号灯、显示屏、手机背光源、室内照明和城市夜景工程等领域[1]。通常利用LED实现白光主要有以下3种方法：蓝光LED激发钇铝石榴石(YAG∶Ce3+)黄色荧光粉[2]；近紫外LED激发红、绿和蓝三基色荧光粉；红/绿/蓝三基色白光LED(RGB-LEDs)。RGB-LEDs照明光源是采用不同配比光功率的红、绿和蓝3种基色光混合成白光，比较容易通过改变发光功率配比来实现色温动态可调，以满足不同照明场合的需求。目前，关于RGB-LEDs白光光源已经有众多相关研究和应用[3-4]，但是人工光源与自然光源之间仍存在一定差距，尤其是在显色性和非视觉效应上[5]。

人类经历几百万年的进化过程已经养成了“日出而作，日落而息”的习惯。光对人类和其他哺乳动物的生理系统至关重要。它不仅提供视觉信息，还参与生物节律、大脑认知等非视觉系统生理功能的调节，学术界称后者为“光的非视觉生物效应”。2002年，美国Brown大学的Berson等发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞——视网膜特化感光神经节细胞(ipRGC)[6]。当光线进入人眼后，通过第三类感光细胞接收产生光生物学效应，可以影响褪黑素、皮质醇等激素的形成和转换。在正常生理状态下，人体褪黑素的分泌是夜多昼少，呈现昼夜节律性的波动。要营造健康的光照环境，首先要了解光照对人体昼夜节律的影响。Berman结合褪黑素抑制光谱与明视觉、暗视觉函数曲线，给出了表征光生物效应影响因子，即司辰节律因子(Circadian action factor,CAF,acv)，用于表征光生物效应的强弱[7]。Bellia等比较了不同光谱功率分布的光源在室内照明领域的视觉和非视觉效应，得到在可见光领域的人体生理节律效率和生理节律因子的具体公式[8]。宋丽妍等研究了以发光二极管为背光源的平板显示对人体非视觉效应的影响[9]。鲁玉红等研究了不同波长的蓝光LED对人体光生物节律效应的影响[10]。Oh等实验研究了基于不同背光源的手机显示屏对人体非视觉效应的影响，并提出一种减小智能手机显示屏对人体健康影响的方法[11]。Žukauskas等对四基色白光LED进行了基于光源的司辰节律因子的优化[12]。

本文通过测试不同工作电流下的RGB-LEDs的光谱，计算并分析了CAF与工作电流的关系。同时，建立了工作电流与CAF、工作电流与相关色温(Correlated color temperature,CCT)[13]的关系模型，结合实验实现了对自然光的模拟。

2 相关理论基础

本文所使用的光谱生理响应曲线是基于Gall等提出的c(λ)曲线[14]，明视觉曲线采用1978 Judd-Vos 修正后的2°视角的光谱光视效率函数曲线，如图1所示。

图1 人眼光谱灵敏度曲线V(λ)与光谱生理响应曲线C(λ)
Fig.1 Spectral eye sensitivity curveV(λ) and spectral biological action curveC(λ)

通常，用于描述人眼对光能量的转换度量的光通量的计算公式为：

(1)

其中，km=638 lm/W为明视觉下最大光视效率值，V(λ)为归一化的明视觉下的光谱光视效率函数，P(λ)为光源的光谱功率分布。类似于光通量的计算公式，同样对光谱生理响应[14]作如下定义：

(2)

根据上述两个式子，司辰节律因子[14]可被定义为:

(3)

3 结果与讨论

3.1 实验

本文实验中采用积分球4π测量方法对被测RGB-LEDs进行光谱测试。实验装置包括：德国Instrument Systems公司的光谱仪Spectro-320e、光纤、恒流源、控温平台以及计算机。测试自然光实验装置包括：光谱仪Spectro-320e、光度探头Top100、光纤和计算机。首先，测试不同电流条件下RGB-LEDs的光谱功率分布，计算司辰节律因子CAF，建立工作电流与CAF、工作电流与CCT的关系模型。然后，测试不同时刻的自然光光谱，计算各时刻自然光的司辰节律因子。基于模型得到3路驱动电流，实验上配比出与自然光CAF和CCT相一致的白光光谱。

实验样品采用飞利浦照明公司生产的商用RGB三基色LED灯珠，每种颜色芯片的电流都可以独立地进行控制调节。具体光谱数据(均在电流350 mA下测得)如表1所示，分别为峰值波长(Peak wavelength)、半高宽(FWHM)、光通量(Flux)、光功率(OP)和光电转换效率(ηe)。

表1 RGB三基色LED芯片的光谱参数

3.2 不同工作电流下的司辰节律因子

首先，设置红、绿、蓝三路初始电流(IR、IG、IB)分别为IR=150 mA，IG=350 mA，IB=80 mA。此时光谱在CIE1931色品图上的色品坐标(x,y)

Fig.2 Spectra(a) and chromaticity coordinates(b) of RGB-LEDs

为(0.270 3, 0.298 7)以及CCT为10 552 K。在初始电流下，RGB-LEDs的光谱和色品坐标如图2所示。

在相同温度下，改变3路电流，分别测试光谱并计算其acv。图3为在工作环境温度25 ℃下，RGB三基色LED的acv随电流的变化情况。

Fig.3 Relationship betweenacvand the currents of RGB-LEDs at 25 ℃

由图3可知，RGB-LEDs的acv随着IR和IG的升高而变小，随着IB的升高而变大。这是因为随电流升高，蓝光LED光功率增大，白光光谱在蓝色部分明显增多。蓝光的增多增加了白光光谱与光谱生理响应曲线的重叠，故光源的acv增大。同理，随电流升高，红光LED光功率增大，光谱在红光区域增多，光源acv减小。绿光LED电流升高时，光功率也增大。但是，由于光谱与人眼明视觉响应曲线重叠部分增多，同时与光谱生理曲线重叠部分变少，故光源acv会随电流的升高反而减小。可见，RGB-LEDs光源在不同基色电流改变下的司辰节律因子的变化不同。通过相关实验，可以进一步推出acv与各路电流的定量关系，从而得到acv与红光、绿光和蓝光的工作电流的关系模型。

3.3 模型构建

在25 ℃环境温度下，保持绿光LED的工作电流为350 mA，分别设置红光LED和蓝光LED的工作电流为10，50，80，100，150，200，300，350 mA，测试并分析数据。图4为不同红光和蓝光电流下的CCT变化情况。

为了使混合光为适合照明的白光，CCT应不超过10 000 K。从图4可得，须将IB控制于150 mA以下，IR控制于80～350 mA之间。因此，我们对蓝光LED输入10～150 mA电流，对红光LED输入80～350 mA电流，测试白光光谱并计算其acv值，如表2所示。

表2 光源在不同IR、IB下的acv值

根据表2数据，对acv和IR、IB进行拟合，得到如下模型:

R2=0.997,

(4)

表征拟合度的R-square值达到了0.997，说明拟合效果较好。根据式(4)，已知一个acv便可反推多组的IR和IB，进而可以混合出多组白光。接着，我们需要确定CCT与电流的关系模型，并与式(4)联立，针对指定CCT求解出所需工作电流。其中，4 500～6 500 K标准日光的CCT、CAF和色坐标如表3所示。

表3 RGB-LEDs和标准日光的acv与CCT

通过实验测试，计算的不同电流下的RGB-LEDs的CAF和CCT如图5所示。取RGB-LEDs的acv-CCT曲线与标准日光acv-CCT的曲线交叉位置的CCT，对CCT和工作电流进行拟合，得到：

CCT=-0.56×IR+104.37×10-4×IB+1950.44,

R2=0.994.

(5)

3.4 自然光光谱测量与实验验证

实验地点选取厦门大学半导体照明实验室，经度118°，纬度24°。实验时间选取2015年12月01日，晴天，天空少云。对白天9∶00～17∶00各整点时刻的自然光光谱进行测量，计算所得的acv值如表4所示。

可以看出，天气晴朗的情况下，一天不同时刻的色温都比较高，大约都在6 000 K左右，相应的

表4 一天不同时刻下测量的acv值和CCT值

acv在0.9附近。为了验证上述方法的可行性，我们分别把一天中各个时刻的自然光的acv和CCT分别代入(4)式和(5)式，计算不同时刻的工作电流IR和IB，然后测试这些电流下的RGB-LEDs的光谱并计算其acv(acv-s)，结果如表5所示。其中与自然光的acv(acv-d)的相对误差定义为

(6)

表5 计算和实验测试所得的一天不同时刻的acv值

图6为利用上述方法得到的RGB-LEDs的色品坐标图。可以看出混合光的色坐标处于黑体轨迹附近且落在白光区域。不同时刻下，将计算值与实际采集的自然光acv值进行对比，其最大相对误差为1.1%，从而证明了该方法的可行性。

受RGB白光LED样品中绿光LED芯片的波长限制，显色指数较低(低于70)，与自然光相比具有一定差距，且通过调整RGB-LEDs的电流配比很难得到色坐标更加靠近普朗克黑体轨迹的混合白光(即使我们也尝试改变了绿光LED的电流)。在将来的工作中，我们将着力于对三基色的组合波长进行光谱优化设计，以寻找波长更合适的绿光样品，使所设计的白光LED的司辰节律因子、显色指数、相关色温、色坐标等表征白光的参数更加靠近自然光。此外，实验中所选取的地理位置和实验测试时当天的天气情况也具有一定局限性，将来会在不同地区和不同天气条件下进行更为深入的探索。

4 结 论

本文基于司辰节律因子模型，对三基色白光LED进行了相关研究，以获得一种更接近于自然光的白光光源。为了得到和自然光更接近的光源，分别建立了acv、CCT与工作电流的关系模型，通过模型反推电流值，并测试不同时刻的自然光进行了实验验证。结果表明误差在1.1%以内，证明本方法具有较高的可行性。

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郑莉莉(1992-)，女，福建莆田人，硕士研究生，2014年于厦门大学获得学士学位，主要从事半导体光电检测及其特性的研究。

E-mail: 935681005@qq.com郭自泉 (1984-)，男，福建永春人，博士，工程师，2014年于厦门大学获得博士学位，主要从事白光LED的光谱优化和可靠性的研究。

E-mail: zqguo@xmu.edu.cn

Investigation on The Circadian Action Factor of RGB White LEDs

ZHENG Li-li1, GUO Zi-quan1*, YAN Wei1, WU Ting-zhu1, LYU Yi-jun1, GAO Yu-lin1, SHI Yuan2, CHEN Zhong1

(1.DepartmentofElectronicScience,XiamenUniversity,FujianEngineeringResearchCenterforSolid-stateLighting,Xiamen361005,China;2.XiamenProductsQualitySupervision&InspectionInstitute,NationalTestingCenterforLEDApplicationProducts,Xiamen361004,China)

The circadian action factor (CAF) model was adopted to study the non-visual biological effects for the three-primary color-tunable white LEDs by calculating CAFs at various driving currents. In order to obtain the white light similar to the natural light according to non-visual biological effects, the models of CAFversuscurrent and CCTversuscurrent were generated. Therefore, the driving currents of three-primary LEDs could be determined after the CAF and the CCT of the natural light were known. Based on aforementioned models, and after the natural light at different times in a day was tested, the driving currents of three-primary LEDs were deduced. Then, driven by these currents, white LEDs were tested and their CAFs were calculated. A comparison between calculated values and experimental counterparts shows that the difference lies within 1.1%, suggesting the feasibility of this approach. This work appears meaningful for mimicking the natural light by using three-primary white LEDs.

non-visual effects; RGB LEDs; circadian rhythms factor; natural light

1000-7032(2016)11-1384-06

2016-05-19；

2016-08-24

科技部国际合作项目(2015DFG62190); 国家自然科学基金(61504112)； 福建省产学合作重大专项(2013H6024)； 福建省自然科学基金(2016R0091)； 科技部港澳台科技合作专项(2015DFT10120)资助项目

TU113.19

A

10.3788/fgxb20163711.1384

*CorrespondingAuthor,E-mail:zqguo@xmu.edu.cn