三基色白光LED的司辰節(jié)律因子研究

鄭莉莉， 郭自泉*， 嚴(yán) 威， 吳挺竹， 呂毅軍， 高玉琳， 史 園， 陳 忠

(1. 廈門大學(xué)電子科學(xué)系 福建省半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心， 福建 廈門 361005;2. 廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 國家半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 福建 廈門 361004)

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三基色白光LED的司辰節(jié)律因子研究

鄭莉莉1， 郭自泉1*， 嚴(yán) 威1， 吳挺竹1， 呂毅軍1， 高玉琳1， 史 園2， 陳 忠1

(1. 廈門大學(xué)電子科學(xué)系 福建省半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心， 福建 廈門 361005;2. 廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院 國家半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 福建 廈門 361004)

采用司辰節(jié)律因子模型，通過計(jì)算三基色白光LED光源在不同工作電流下的司辰節(jié)律因子，對可調(diào)色溫的三基色白光LED光源進(jìn)行非視覺效應(yīng)研究。為了獲取與自然光非視覺效應(yīng)類似的LED白光，建立了司辰節(jié)律因子和相關(guān)色溫分別相對于工作電流的關(guān)系模型，從而已知自然光的司辰節(jié)律因子和相關(guān)色溫，就可以確定三基色LED的工作電流。通過測試一天內(nèi)不同時(shí)刻的自然光光譜，根據(jù)上述模型推算出了三基色LED的工作電流。在所推算的三基色電流下，測試了白光LED光譜參數(shù)并計(jì)算了相應(yīng)的司辰節(jié)律因子。與自然光司辰節(jié)律因子的對比結(jié)果表明，理論值和實(shí)驗(yàn)值的誤差在1.1%以內(nèi)，證實(shí)該方法具有可行性。本文所呈現(xiàn)的方法對于利用三基色白光LED模擬自然光具有一定的指導(dǎo)意義。

非視覺效應(yīng)； 三基色白光LED； 司辰節(jié)律因子； 自然光

1 引 言

發(fā)光二極管(LEDs)是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，被稱為第四代照明光源。LED光源相比于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，在節(jié)能、環(huán)保、光效和壽命等各方面均占有絕對優(yōu)勢。隨著光效的進(jìn)一步提高和成本的進(jìn)一步下降，LED被廣泛應(yīng)用于交通信號(hào)燈、顯示屏、手機(jī)背光源、室內(nèi)照明和城市夜景工程等領(lǐng)域[1]。通常利用LED實(shí)現(xiàn)白光主要有以下3種方法：藍(lán)光LED激發(fā)釔鋁石榴石(YAG∶Ce3+)黃色熒光粉[2]；近紫外LED激發(fā)紅、綠和藍(lán)三基色熒光粉；紅/綠/藍(lán)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紅、綠和藍(lán)3種基色光混合成白光，比較容易通過改變發(fā)光功率配比來實(shí)現(xiàn)色溫動(dòng)態(tài)可調(diào)，以滿足不同照明場合的需求。目前，關(guān)于RGB-LEDs白光光源已經(jīng)有眾多相關(guān)研究和應(yīng)用[3-4]，但是人工光源與自然光源之間仍存在一定差距，尤其是在顯色性和非視覺效應(yīng)上[5]。

人類經(jīng)歷幾百萬年的進(jìn)化過程已經(jīng)養(yǎng)成了“日出而作，日落而息”的習(xí)慣。光對人類和其他哺乳動(dòng)物的生理系統(tǒng)至關(guān)重要。它不僅提供視覺信息，還參與生物節(jié)律、大腦認(rèn)知等非視覺系統(tǒng)生理功能的調(diào)節(jié)，學(xué)術(shù)界稱后者為“光的非視覺生物效應(yīng)”。2002年，美國Brown大學(xué)的Berson等發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜的第三類感光細(xì)胞——視網(wǎng)膜特化感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGC)[6]。當(dāng)光線進(jìn)入人眼后，通過第三類感光細(xì)胞接收產(chǎn)生光生物學(xué)效應(yīng)，可以影響褪黑素、皮質(zhì)醇等激素的形成和轉(zhuǎn)換。在正常生理狀態(tài)下，人體褪黑素的分泌是夜多晝少，呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性的波動(dòng)。要營造健康的光照環(huán)境，首先要了解光照對人體晝夜節(jié)律的影響。Berman結(jié)合褪黑素抑制光譜與明視覺、暗視覺函數(shù)曲線，給出了表征光生物效應(yīng)影響因子，即司辰節(jié)律因子(Circadian action factor,CAF,acv)，用于表征光生物效應(yīng)的強(qiáng)弱[7]。Bellia等比較了不同光譜功率分布的光源在室內(nèi)照明領(lǐng)域的視覺和非視覺效應(yīng)，得到在可見光領(lǐng)域的人體生理節(jié)律效率和生理節(jié)律因子的具體公式[8]。宋麗妍等研究了以發(fā)光二極管為背光源的平板顯示對人體非視覺效應(yīng)的影響[9]。魯玉紅等研究了不同波長的藍(lán)光LED對人體光生物節(jié)律效應(yīng)的影響[10]。Oh等實(shí)驗(yàn)研究了基于不同背光源的手機(jī)顯示屏對人體非視覺效應(yīng)的影響，并提出一種減小智能手機(jī)顯示屏對人體健康影響的方法[11]。?ukauskas等對四基色白光LED進(jìn)行了基于光源的司辰節(jié)律因子的優(yōu)化[12]。

本文通過測試不同工作電流下的RGB-LEDs的光譜，計(jì)算并分析了CAF與工作電流的關(guān)系。同時(shí)，建立了工作電流與CAF、工作電流與相關(guān)色溫(Correlated color temperature,CCT)[13]的關(guān)系模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對自然光的模擬。

2 相關(guān)理論基礎(chǔ)

本文所使用的光譜生理響應(yīng)曲線是基于Gall等提出的c(λ)曲線[14]，明視覺曲線采用1978 Judd-Vos 修正后的2°視角的光譜光視效率函數(shù)曲線，如圖1所示。

圖1 人眼光譜靈敏度曲線V(λ)與光譜生理響應(yīng)曲線C(λ)
Fig.1 Spectral eye sensitivity curveV(λ) and spectral biological action curveC(λ)

通常，用于描述人眼對光能量的轉(zhuǎn)換度量的光通量的計(jì)算公式為：

(1)

其中，km=638 lm/W為明視覺下最大光視效率值，V(λ)為歸一化的明視覺下的光譜光視效率函數(shù)，P(λ)為光源的光譜功率分布。類似于光通量的計(jì)算公式，同樣對光譜生理響應(yīng)[14]作如下定義：

(2)

根據(jù)上述兩個(gè)式子，司辰節(jié)律因子[14]可被定義為:

(3)

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)中采用積分球4π測量方法對被測RGB-LEDs進(jìn)行光譜測試。實(shí)驗(yàn)裝置包括：德國Instrument Systems公司的光譜儀Spectro-320e、光纖、恒流源、控溫平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)。測試自然光實(shí)驗(yàn)裝置包括：光譜儀Spectro-320e、光度探頭Top100、光纖和計(jì)算機(jī)。首先，測試不同電流條件下RGB-LEDs的光譜功率分布，計(jì)算司辰節(jié)律因子CAF，建立工作電流與CAF、工作電流與CCT的關(guān)系模型。然后，測試不同時(shí)刻的自然光光譜，計(jì)算各時(shí)刻自然光的司辰節(jié)律因子。基于模型得到3路驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)驗(yàn)上配比出與自然光CAF和CCT相一致的白光光譜。

實(shí)驗(yàn)樣品采用飛利浦照明公司生產(chǎn)的商用RGB三基色LED燈珠，每種顏色芯片的電流都可以獨(dú)立地進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。具體光譜數(shù)據(jù)(均在電流350 mA下測得)如表1所示，分別為峰值波長(Peak wavelength)、半高寬(FWHM)、光通量(Flux)、光功率(OP)和光電轉(zhuǎn)換效率(ηe)。

表1 RGB三基色LED芯片的光譜參數(shù)

3.2 不同工作電流下的司辰節(jié)律因子

首先，設(shè)置紅、綠、藍(lán)三路初始電流(IR、IG、IB)分別為IR=150 mA，IG=350 mA，IB=80 mA。此時(shí)光譜在CIE1931色品圖上的色品坐標(biāo)(x,y)

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

為(0.270 3, 0.298 7)以及CCT為10 552 K。在初始電流下，RGB-LEDs的光譜和色品坐標(biāo)如圖2所示。

在相同溫度下，改變3路電流，分別測試光譜并計(jì)算其acv。圖3為在工作環(huán)境溫度25 ℃下，RGB三基色LED的acv隨電流的變化情況。

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

由圖3可知，RGB-LEDs的acv隨著IR和IG的升高而變小，隨著IB的升高而變大。這是因?yàn)殡S電流升高，藍(lán)光LED光功率增大，白光光譜在藍(lán)色部分明顯增多。藍(lán)光的增多增加了白光光譜與光譜生理響應(yīng)曲線的重疊，故光源的acv增大。同理，隨電流升高，紅光LED光功率增大，光譜在紅光區(qū)域增多，光源acv減小。綠光LED電流升高時(shí)，光功率也增大。但是，由于光譜與人眼明視覺響應(yīng)曲線重疊部分增多，同時(shí)與光譜生理曲線重疊部分變少，故光源acv會(huì)隨電流的升高反而減小。可見，RGB-LEDs光源在不同基色電流改變下的司辰節(jié)律因子的變化不同。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步推出acv與各路電流的定量關(guān)系，從而得到acv與紅光、綠光和藍(lán)光的工作電流的關(guān)系模型。

3.3 模型構(gòu)建

在25 ℃環(huán)境溫度下，保持綠光LED的工作電流為350 mA，分別設(shè)置紅光LED和藍(lán)光LED的工作電流為10，50，80，100，150，200，300，350 mA，測試并分析數(shù)據(jù)。圖4為不同紅光和藍(lán)光電流下的CCT變化情況。

為了使混合光為適合照明的白光，CCT應(yīng)不超過10 000 K。從圖4可得，須將IB控制于150 mA以下，IR控制于80～350 mA之間。因此，我們對藍(lán)光LED輸入10～150 mA電流，對紅光LED輸入80～350 mA電流，測試白光光譜并計(jì)算其acv值，如表2所示。

表2 光源在不同IR、IB下的acv值

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，對acv和IR、IB進(jìn)行擬合，得到如下模型:

R2=0.997,

(4)

表征擬合度的R-square值達(dá)到了0.997，說明擬合效果較好。根據(jù)式(4)，已知一個(gè)acv便可反推多組的IR和IB，進(jìn)而可以混合出多組白光。接著，我們需要確定CCT與電流的關(guān)系模型，并與式(4)聯(lián)立，針對指定CCT求解出所需工作電流。其中，4 500～6 500 K標(biāo)準(zhǔn)日光的CCT、CAF和色坐標(biāo)如表3所示。

表3 RGB-LEDs和標(biāo)準(zhǔn)日光的acv與CCT

通過實(shí)驗(yàn)測試，計(jì)算的不同電流下的RGB-LEDs的CAF和CCT如圖5所示。取RGB-LEDs的acv-CCT曲線與標(biāo)準(zhǔn)日光acv-CCT的曲線交叉位置的CCT，對CCT和工作電流進(jìn)行擬合，得到：

CCT=-0.56×IR+104.37×10-4×IB+1950.44,

R2=0.994.

(5)

3.4 自然光光譜測量與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取廈門大學(xué)半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)度118°，緯度24°。實(shí)驗(yàn)時(shí)間選取2015年12月01日，晴天，天空少云。對白天9∶00～17∶00各整點(diǎn)時(shí)刻的自然光光譜進(jìn)行測量，計(jì)算所得的acv值如表4所示。

可以看出，天氣晴朗的情況下，一天不同時(shí)刻的色溫都比較高，大約都在6 000 K左右，相應(yīng)的

表4 一天不同時(shí)刻下測量的acv值和CCT值

acv在0.9附近。為了驗(yàn)證上述方法的可行性，我們分別把一天中各個(gè)時(shí)刻的自然光的acv和CCT分別代入(4)式和(5)式，計(jì)算不同時(shí)刻的工作電流IR和IB，然后測試這些電流下的RGB-LEDs的光譜并計(jì)算其acv(acv-s)，結(jié)果如表5所示。其中與自然光的acv(acv-d)的相對誤差定義為

(6)

表5 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試所得的一天不同時(shí)刻的acv值

圖6為利用上述方法得到的RGB-LEDs的色品坐標(biāo)圖?？梢钥闯龌旌瞎獾纳鴺?biāo)處于黑體軌跡附近且落在白光區(qū)域。不同時(shí)刻下，將計(jì)算值與實(shí)際采集的自然光acv值進(jìn)行對比，其最大相對誤差為1.1%，從而證明了該方法的可行性。

受RGB白光LED樣品中綠光LED芯片的波長限制，顯色指數(shù)較低(低于70)，與自然光相比具有一定差距，且通過調(diào)整RGB-LEDs的電流配比很難得到色坐標(biāo)更加靠近普朗克黑體軌跡的混合白光(即使我們也嘗試改變了綠光LED的電流)。在將來的工作中，我們將著力于對三基色的組合波長進(jìn)行光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)，以尋找波長更合適的綠光樣品，使所設(shè)計(jì)的白光LED的司辰節(jié)律因子、顯色指數(shù)、相關(guān)色溫、色坐標(biāo)等表征白光的參數(shù)更加靠近自然光。此外，實(shí)驗(yàn)中所選取的地理位置和實(shí)驗(yàn)測試時(shí)當(dāng)天的天氣情況也具有一定局限性，將來會(huì)在不同地區(qū)和不同天氣條件下進(jìn)行更為深入的探索。

4 結(jié) 論

本文基于司辰節(jié)律因子模型，對三基色白光LED進(jìn)行了相關(guān)研究，以獲得一種更接近于自然光的白光光源。為了得到和自然光更接近的光源，分別建立了acv、CCT與工作電流的關(guān)系模型，通過模型反推電流值，并測試不同時(shí)刻的自然光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明誤差在1.1%以內(nèi)，證明本方法具有較高的可行性。

[1] 甘汝婷,郭震寧,林介本,等. 遺傳算法在LED光源光譜匹配技術(shù)中的應(yīng)用 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2014, 43(7):0730003. GAN R T, GUO Z N, LIN J B,etal.. The genetic algorithm in the application of the LED light source spectral matching technology [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(7):0730003. (in Chinese)

[2] GUO Z Q, SHIH T, GAO Y L,etal.. Optimization studies of two-phosphor-coated white light-emitting diodes [J].IEEEPhotonicsJ., 2013, 5(2):8200112.

[3] 朱鈞,張鶴,金國藩. 一種基于RGB三基色LED的白光光源 [J]. 光學(xué)技術(shù), 2007, 33(6):929-931. ZHU J, ZHANG H, JIN G F. A novel white light source based on RGB LED [J].Opt.Tech., 2007, 33(6):929-931. (in Chinese)

[4] 宋鵬程,文尚勝,尚俊,等. 基于PWM的三基色LED的調(diào)光調(diào)色方法 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(2):223001-1-8. SONG P C, WEN S S, SHANG J,etal.. A dimming method for RGB LED based on three channels’ PWM [J].ActaOpt.Sinica, 2015, 35(2):223001-1-8. (in Chinese)

[5] 姚其,居家奇,程雯婷,等. 不同光源的人體視覺及非視覺生物效應(yīng)的探討 [J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2008, 19(2):14-19. YAQ Q, JU J Q, CHENG W T,etal.. Discussion on the visual and non-visual biological effect of different light sources [J].ChinaIllumin.Eng.J., 2008, 19(2):14-19. (in Chinese)

[6] BERSON D M, DUNN F A, TAKAO M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock [J].Science, 2002, 295(5557):1070-1073.

[7] BERMAN S M. A new retinal photoreceptor should affect lighting practice [J].LightingRes.Technol., 2008, 40(4):373-376.

[8] BELLIA L, BISEGNA F, SPADA G. Lighting in indoor environments: visual and non-visual effects of light sources with different spectral power distributions [J].Build.Environ., 2011, 46(10):1984-1992.

[9] 宋麗妍,李俊凱,牟同升. 以發(fā)光二極管為背光源的平板顯示對人體非視覺的影響 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2013, 42(7): 768-771. SONG L Y, LI J K, MOU T S. Non-visual effects of flat panel display with light emitting diode backlight on human [J].ActaPhoton.Sinica, 2013, 42(7):768-771. (in Chinese)

[10] 魯玉紅,王毓蓉,金尚忠,等. 不同波長藍(lán)光LED對人體光生物節(jié)律效應(yīng)的影響 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2013, 34(8):1061-1065. LU Y H, WANG Y R, JIN S Z,etal.. Influence of different wavelength blue LED on human optical biorhythm effect [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(8):1061-1065. (in Chinese)

[11] OH J H, YOO H, PARK H K,etal.. Analysis of circadian properties and healthy levels of blue light from smartphones at night [J].Sci.Rep., 2015, 5:11325.

[12] ?UKAUSKAS A, VAICEKAUSKAS R. Tunability of the circadian action of tetrachromatic solid-state light sources [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(4):041107.

[13] 林岳,葉烈武,劉文杰,等. 二分法優(yōu)化計(jì)算LED光源相關(guān)色溫 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(10):2791-2794. LIN Y, YE L W, LIU W J,etal.. Optimization algorithm of correlated color temperature for LED light sources by dichotomy [J].ActaOpt.Sinica, 2009, 29(10):2791-2794. (in Chinese)

[14] GALL D. The measurement of circadian radiation quantities [C].ProceedingsofTheLichtandGesundheit,Berlin, 2004.

鄭莉莉(1992-)，女，福建莆田人，碩士研究生，2014年于廈門大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電檢測及其特性的研究。

E-mail: 935681005@qq.com郭自泉 (1984-)，男，福建永春人，博士，工程師，2014年于廈門大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事白光LED的光譜優(yōu)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

科技部國際合作項(xiàng)目(2015DFG62190); 國家自然科學(xué)基金(61504112)； 福建省產(chǎn)學(xué)合作重大專項(xiàng)(2013H6024)； 福建省自然科學(xué)基金(2016R0091)； 科技部港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)(2015DFT10120)資助項(xiàng)目

TU113.19

A

10.3788/fgxb20163711.1384

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