一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法及装置与流程

本发明涉及LED视觉亮度检测领域，尤其涉及一种用于检测脉冲驱动方式下LED视觉亮度的方法及装置。

背景技术：

LED的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。调节电流，便可以调节光的强度，通过调整材料的能带结构和带隙，可以改变发光颜色。

目前一些学者致力于由脉冲电源代替传统的电源来驱动LED光源，因为，脉冲驱动电源相对于传统电源，不仅可以很好的提高LED光源的发光效率，而且还能有效的改善了散热问题——(以间断的脉冲电流激励LED芯片，能够有效的把产生的热量散失出去。)，Bath大学的研究者提出利用脉冲电流源代替直流源来驱动LED，并发现脉冲驱动比直流驱动具有更高的量子效率，而且电流密度的饱和点也大大提高了，M.Baeumler等人研究了紫外一紫色(AIGaln)N LED在脉冲和直流驱动下的情况，并将上述的饱和现象归结为热效应和由于电流引起的非热效应两部分，更重要的是在脉冲驱动下，可以提高LED光源的“视觉亮度”。日本爱媛大学(えひめだいがく、Ehime University)研究生理工学研究系资讯电子资讯工学专业副教授神野雅文等，利用人眼的感光特性。对LED施加占空比为5％左右、频率为60Hz左右的脉冲电压时，与施加直流电压时相比，人眼感受到的亮度约为2倍。受验者 参与的评测实验显示，采用蓝色LED可感受到的亮度为1.5～1.9倍，绿色LED为2.0～2.2倍，红色LED为1.0～1.3倍。

脉冲光源在消耗同样的能量下的视觉效果比稳态光源有很大区别，更容易引起人们的注意。由于其视觉响应的特性与稳态光源明显不同，所以都是以有效光强描述其特性的。经过长期的研究工作，人们提出了几种测量闪光灯具有效发光强度的方法，即Blondel—Rey法，Form Factor法和Allard法。这三种方法在实际应用中都不是很系统和全面，人们又提出了一些修正。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法，利用人眼的视觉惰性，主观感觉亮度理论和LED光源发光响应速度快的特点，结合闪光灯的有效光强的测试研究和计算方法，Blondel—Rey法、Form Factor法和Allard法的修正和实验测得的数据，计算得到其视觉衰减常数a，由视觉衰减常数a，可以模拟出LED在脉冲驱动下的视觉衰减函数和脉冲光的视觉亮度曲线(亮度感觉曲线)，并应用人眼视觉惰性的特性对Talbot定律做了修正，进一步结合LED的光电特性，对LED在脉冲驱动和直流驱动下的人眼亮度感知水平的提升倍数进行比较，即脉冲驱动和直流驱动下的亮度感知水平的提升倍数，同时也提供了一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法，包括以下步骤：

步骤一、连接直流电路，将直流电源与直流驱动LED光源两端耦合连接，将所述的直流驱动LED光源设置在第一积分球球心处，将第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪安装在所述的第一积分球的输出端；

步骤二、连接脉冲电路，将脉冲驱动LED光源与小电阻串联构成串联电路，将数字信号发生器与串联电路两端耦合连接，将所述的脉冲驱动LED光 源设置在第二积分球球心处，将第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪安装在所述的第二积分球的输出端，将第一示波器耦合连接在所述数字信号发生器两端，将第二示波器耦合连接在所述小电阻两端，所述数字信号发生器输出为矩形脉冲信号，其脉冲频率不小于50Hz，并通过所述第一示波器和第二示波器显示的电压计算出所述数字信号发生器的输出功率；

步骤三、采用“人群统计法”，随机选择20名观察者，每名观察者都采用相同的观察方法，即：在某个固定占空比的观察过程中保持数字信号发生器驱动参数不变，不断调节直流电源的电压值，直至观察者认为两者亮度相同时，记录下相应直流电源的电流和电压值，然后取20名观察者分别对应直流电源电流的平均值。

步骤四、将第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪和第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪分别调到测试光强的档位上，分别测试直流驱动LED光源和脉冲驱动LED光源的光强值，并记录数据；所述第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪可以直接读取所述直流驱动LED光源的光强值；所述第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪的测量值是积分时间内所述脉冲驱动LED光源光强的平均值I_p，其积分时间为T＝20ms；

步骤五、然后步骤四中所述的平均值计算出所述脉冲驱动LED光源21光强的最大值I_max，即D为脉冲驱动的占空比

τ为脉冲冲击时间，T为脉冲驱动周期。

由该最大值结合低频闪光灯的有效光强的测试研究和计算方法，Blondel—Rey法，FormFactor法和Allard法的修正计算。

Allard提出一种计算光脉冲的有效发光强度的方法，如图6所示，该方法中把人眼对闪光脉冲的光感受强度作为时间的函数。

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)

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

其中w₁+w₂＝1；a＝0.2。一个优化解为a₁＝0.113，a₂＝0.869，w₁＝w₂＝0.5。则上述方程为：

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

其中τ为脉冲冲击时间，T为脉冲周期，得到其视觉衰减常数a，通过Matlab对脉冲光信号和视觉衰减函数进行卷积拟合，得到脉冲光的视觉亮度曲线，并应用人眼视觉惰性的特性对Talbot定律做了修正，进一步结合LED的光电特性，对LED在脉冲驱动和直流驱动下的人眼亮度感知水平的提升倍数进 行比较，即脉冲驱动和直流驱动下的亮度感知水平的提升倍数。

进一步的，所述步骤二中，当发稳定光后，将第一示波器调到2V档位，第二示波器调到200mV档位上，第一示波器可以显示电路总的电压U和占空比D，第二示波器可以显示小电阻两端的电压U_R，通过调节数字信号发生器的电位、幅度和占空比旋钮，使第一示波器和第二示波器显示的两个波形图同步同相位，然后分别读取电压数值U和U_R，所以脉冲驱动LED光源的功率P的计算公式为R为小电阻的阻值。

进一步的，所述的小电阻的阻值R为1Ω。

进一步的，所述脉冲频率为50Hz至400Hz。

进一步的，所述直流驱动LED光源和脉冲驱动LED光源均为1W大功率暖白LED。

进一步的，所述占空比τ为20％-80％。

一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的装置，包括：各自独立的直流电路和脉冲电路；

所述的直流电路包括直流电源、直流驱动LED光源、第一积分球和第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪，所述的直流电源与直流驱动LED光源两端耦合连接，所述的直流驱动LED光源设置在第一积分球球心处，所述的第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪设置在所述的第一积分球的输出端；

所述的脉冲电路包括数字信号发生器、脉冲驱动LED光源、第二积分球、第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪、小电阻、第一示波器和第二示波器，所述的脉冲驱动LED光源与小电阻串联构成串联电路，所述的数字信号发生器与串联电路两端耦合连接，所述的脉冲驱动LED光源设置在第二积分球球心处，所述的第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪安装在所述的第二积分球的输出端，所述的第一示波器耦合连接在所述数字信号发生器两端， 所述的第二示波器耦合连接在所述小电阻两端。

进一步的，所述的小电阻的阻值R为1Ω。

进一步的，所述直流驱动LED光源和脉冲驱动LED光源均为1W大功率暖白LED，色温为3200-3500K。

进一步的，所述的第一积分球和第二积分球的直径均为0.3m。

有益效果：本发明的公开的用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法及装置，可以描绘出视觉亮度曲线，对该曲线进行进行积分，得到的积分面积为人眼主观视觉亮度，与直流情况下的亮度感知水平进行比较，可以分析出在不同的占空比时，直流情况和脉冲情况的视觉亮度情况。

附图说明

图1为本发明一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法的流程示意图；

图2为本发明直流电路的结构示意图；

图3为本发明脉冲电路的结构示意图；

图4为本发明作用于人眼的光脉冲亮度曲线；

图5为本发明视觉亮度曲线；

图6为Allard法有效光强示意图。

图中，10、直流电源，11、直流驱动LED光源，12、第一积分球，13、第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪，20、数字信号发生器，21、脉冲驱动LED光源，22、第二积分球，23、第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪，24、小电阻，25、第一示波器，26、第二示波器。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能 上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。实施例1

如图1所示，一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法，包括以下步骤：

步骤一、如图2所示，连接直流电路，将直流电源10与直流驱动LED光源11两端耦合连接，将所述的直流驱动LED光源11设置在第一积分球12球心处，将第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪13安装在所述的第一积分球12的输出端；

步骤二、如图3所示连接脉冲电路，将脉冲驱动LED光源21与小电阻24串联构成串联电路，将数字信号发生器20与串联电路两端耦合连接，将所述的脉冲驱动LED光源21设置在第二积分球22球心处，将第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪23安装在所述的第二积分球22的输出端，将第一示波器25耦合连接在所述数字信号发生器20两端，将第二示波器26耦合连接在所述小电阻24两端，所述数字信号发生器20输出为矩形脉冲信号，其脉冲频率不小于50Hz，并通过所述第一示波器25和第二示波器26显示的电压计算出所述数字信号发生器20的输出功率；

步骤三、采用“人群统计法”，随机选择20名观察者，每名观察者都采用相同的观察方法，即：在某个固定占空比的观察过程中保持数字信号发生器20驱动参数不变，不断调节直流电源10的电压值，直至观察者认为两者亮度相同时，记录下相应直流电源10的电流和电压值，然后取20名观察者 分别对应直流电源10电流的平均值。

步骤四、将第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪13和第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪23分别调到测试光强的档位上，分别测试直流驱动LED光源11和脉冲驱动LED光源21的光强值，并记录数据；所述第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪13可以直接读取所述直流驱动LED光源11的光强值；所述第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪23的测量值是积分时间内所述脉冲驱动LED光源21光强的平均值I_p，其积分时间为20ms；

步骤五、然后步骤四中所述的平均值计算出所述脉冲驱动LED光源21光强的最大值I_max，即D为脉冲驱动的占空比

τ为脉冲冲击时间，T为脉冲驱动周期。

由该最大值结合低频闪光灯的有效光强的测试研究和计算方法，Blondel—Rey法，FormFactor法和Allard法的修正计算。

Allard提出一种计算光脉冲的有效发光强度的方法，如图6所示，该方法中把人眼对闪光脉冲的光感受强度作为时间的函数。

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)

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

其中w₁+w₂＝1；a＝0.2。一个优化解为a₁＝0.113，a₂＝0.869，w₁＝w₂＝0.5。则上述方程为：

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

其中τ为脉冲冲击时间，T为脉冲周期，得到其视觉衰减常数a，通过Matlab对脉冲光信号和视觉衰减函数进行卷积拟合，得到脉冲光的视觉亮度曲线，并应用人眼视觉惰性的特性对Talbot定律做了修正，进一步结合LED的光电特性，对LED在脉冲驱动和直流驱动下的人眼亮度感知水平的提升倍数β进行比较，即脉冲驱动和直流驱动下的亮度感知水平的提升倍数。

为“视觉亮度”一致时直流驱动下的平均电流值，I_pulse为“视觉亮度”一致时脉冲驱动的有效电流值。

当作用于人眼的光线突然消失后，亮度感觉并非立即消失，而是近似按指数规律下降而逐渐消失的。在日间视觉时约为0.02秒，中介视觉时为0.1秒， 夜间视觉时为0.2秒，中介视觉是介于日视觉与夜视觉之间的状态。人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以及视觉暂留特性，称为视觉惰性。

眼睛在周期性的光脉冲刺激下，如果频率不高，则会产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看容易疲劳。如果将光脉冲频率提高到某一定值以上，由于视觉惰性，则不会再感觉到闪烁，则刚好不感觉到闪烁的最低频率称为临界闪烁频率f_c，它主要与光脉冲的亮度有关。计算它的经验公式是f_c＝9.61gL_m+26.6(Hz)，式中L_m为画面的最大亮度，单位为cd/m²，如L_m一般取值为100cd/m²，则人眼的临界闪烁频率f_c＝45.8Hz。

特别优选的，所述步骤二中，当发稳定光后，将第一示波器25调到2V档位，第二示波器26调到200mV档位上，第一示波器25可以显示电路总的电压U和占空比D，第二示波器26可以显示小电阻两端的电压U_R，通过调节数字信号发生器20的电位、幅度和占空比旋钮，使第一示波器25和第二示波器26显示的两个波形图同步同相位，然后分别读取电压数值U和U_R，所以脉冲驱动LED光源21的功率P的计算公式为R为小电阻的阻值。

特别优选的，所述的小电阻的阻值R为1Ω。

特别优选的，所述脉冲频率为50Hz至400Hz。

特别优选的，所述直流驱动LED光源11和脉冲驱动LED光源21均为1W大功率暖白LED。

特别优选的，“视觉亮度”一致时，脉冲频率为100Hz，占空比D为20％-80％；直流与脉冲驱动下的亮度感知水平提升倍数β如下表：

图4表示作用于人眼的光脉冲亮度曲线，图5表示视觉亮度感觉，它滞后于实际光脉冲亮度形成视觉惰性，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。

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，即：

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。

本实施例优选的脉冲频率为100Hz，非常接近人眼的临界频率，不能忽略人眼对亮度的视觉暂留时间。所以，不能简单的应用Talbot定律，将实际亮度的平均值作为人眼的“视觉亮度”值，而整体的视觉亮度感觉为实际亮度和视觉暂留时间下的亮度和。

则Talbot方程式修正为：

式中LpL为视觉暂留时间段的视觉亮度衰减曲线。式中第一积分值为光脉冲冲击时间内的视觉亮度，第二积分值为视觉暂留时间内的视觉亮度。

当脉冲占空比比较低时(D<80％)，上式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，有效的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。从而很好的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＝80％附近脉冲和直流驱动下的光通量趋于相等。当D>80％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井，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。其结果验证了，脉冲驱动可以有效的提高LED的量子效率、电流密度的饱和点和“视觉亮度”。

实施例2

一种用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的装置，包括：各自独立的直流电路和脉冲电路；

如图2所示，所述的直流电路包括直流电源10、直流驱动LED光源11、第一积分球12和第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪13，所述的直流电源10与直流驱动LED光源11两端耦合连接，所述的直流驱动LED光源11设置在第一积分球12球心处，所述的第一SSP6612LED光色电参数综合测试仪13设置在所述的第一积分球12的输出端。

如图3所示，所述的脉冲电路包括数字信号发生器20、脉冲驱动LED光源21、第二积分球22、第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪23、小电阻24、第一示波器25和第二示波器26，所述的脉冲驱动LED光源21与小电阻24串联构成串联电路，所述的数字信号发生器20与串联电路两端耦合连接，所述的脉冲驱动LED光源21设置在第二积分球22球心处，所述的第二SSP6612LED光色电参数综合测试仪23安装在所述的第二积分球22的输出端，所述的第一示波器25耦合连接在所述数字信号发生器20两端，所述 的第二示波器26耦合连接在所述小电阻24两端。

特别优选的，所述的小电阻的阻值R为1Ω。

特别优选的，所述直流驱动LED光源11和脉冲驱动LED光源21均为1W大功率暖白LED，色温为3200-3500K。

特别优选的，所述的第一积分球12和第二积分球22的直径均为0.3m。

本发明的公开的用于测试分析在脉冲或直流驱动下LED视觉亮度的方法及装置，可以描绘出视觉亮度曲线，对该曲线进行进行积分，得到的积分面积为人眼主观视觉亮度，与直流情况下的亮度感知水平进行比较，可以分析出在不同的占空比时，直流情况和脉冲情况的视觉亮度情况。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。