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LED亮度与灰度在应用产品中的技术分析

上传人:孟庆云

上传时间: 2011-08-08

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  由图一所示,人眼对亮度的识别是非线性的,在物体表面亮度从0到0.0001尼特的变化,人眼能够非常敏感的辨识出来,亮度从0.0001至0.6尼特变化时,人眼对亮度的变化反映是迟钝的,如果引入灰度等级的概念也就是说,如果人眼能够辨别0-255级灰度的条件下,在0灰度与1级灰度间人眼对亮度的感觉非常的敏感,随着灰度等级在1级到24级间变化的时候,人眼对其每一级别间的变化较为不敏感,随着亮度的持续升高,人眼能够较为轻松的分辨灰度等级间的亮度变化,在人眼接受的能力范围内,达到灰度等级200级以上的时候,人眼对亮度的变化又呈现不敏感的状态。这种灰度等级分类技术在LED显示屏方面已经成功的应用。

  由上分析,我们在LED照明产品的研发上,怎么样符合人眼的感知?是最为关键的因素之一。

  目前LED调光手段采用恒流PMW(脉宽调制技术)调光技术,是一种从原理上能够较为完美的,符合LED特点的驱动技术,但是在实际的应用中LED驱动恒流电源,由于LED是一种功率器件以及其它辅助电路的影响,实际LED恒流源产品往往不能达到我们所期望值,造成LED产品设计的失败,或者LED照明产品不能达到实用要求。

  PMW恒流调光技术原理,是基于LED对电流影响较为敏感原理基础之上的,基于LED反应时间较为迅速的基础上的,理想状态下在特定时段内提供LED恒定的驱动电流,使LED在这一段时间内发出光能量是恒定的。而对于人眼来讲,如果这个时间段过于断暂,人眼就不能准确的识别出亮度的变化,因为人眼仅仅能够觉察到光源大于1/.24秒钟变化,如果变化短于这个时间,人眼将不能分辨,人眼感知的将是在1/24秒内亮度变化的平均值。这就是PMW恒流调光技术所要满足人眼感官的本质。

  从恒流波形上分析(见图二):


  理论上恒流驱动的波形是非常完美的方波,而实际上不是,是一种近似的锯齿波,在理论的设计中T1(见上图二)时间内LED所发的光是能够达到LED理论值的,而在实际中,LED所发的光能够达到LED理论值的T1’(见上图二)是小于理论设计值的,这就导致实际的LED产品在应用中结合人眼对亮度的平均适应性亮度小于理论设计值。

  由上分析可以得出,在实际应用中,恒流源输出电流波形,受到现实产品的影响非常大,进而影响LED的发光强度(电磁干扰的影响更不可忽略,这里不加分析),从而影响LED照明产品的品质。

  人眼的辨别能力理论上来说,超过24Hz已经不能分辨出照明灯具的黑、亮转换了,但是为了保险起见可以采用在60-100Hz间对LED进行黑和亮的调节。即LED横流电源采用恒定的频率,如60Hz,在这个频率范围内适当拉长LED关断或者开启的时间长度,达到调节LED亮暗的目的,不必要追求较高的频率的电流变化来调节LED的亮度。

  在LED照明产品中,高频率的LED恒流源亮度调节技术,是一种较为复杂的LED调光技术,在单位时间内通过调节LED开关次数来调节LED亮度,从技术理论上是可行的,但是在实际的应用中由于LED是一种功率型器件,加上辅助电路的电磁干扰等影响,使用环境影响(电磁屏蔽、热效应等等),往往不能达到预期的目的。

  但是恒流源高频技术的调光应用在LED显示屏方面应用却非常的广泛,目前衡量LED显示屏品质的一个重要的指标就是灰度等级,在这里就是通过每秒钟几万次的频繁调节LED的开关次数而达到的。

  在显示屏恒流驱动中,要认清的一个最为关键的因素是LED显示屏是一个亮的物体,而不是被LED显示屏照亮的物体,人眼直接分辨的是发光物体的亮度,而不是被发光物体所照亮的物体的亮度,这是与大功率LED照明所不同。人眼对发光物体的光敏感度比光源照到被照物体上再反射到人眼的敏感度要高(因为被照物体经过漫反射对光进行了二次平均,或者说受到了环境的影响)。LED灰度等级的形成,是来自于显示屏内部所有像素点之间的比较、差异,而不是与环境条件中的亮度所比较的(按照图二的解释,所有的LED都是锯齿波电流驱动,所以彼此间就没有差异),LED显示屏的灰度等级起始点始终是零,而最高亮度始终默认为255(能够有效的达到显示效果为限),跟环境无关,所以LED显示的亮度再高也就是定义为人眼能够认识的255级。当然,这个255级的最高亮度是随着环境变化而提高的,提高的目的就是为了增加LED显示屏跟环境的对比度,以此来达到吸引人的瞩目的目的。

  在LED显示屏中,描述或者显示一段动态画面时,每一幅场景都要经过60Hz以上的刷新,然后换到另外一个场景(当然这是一个一般性的指标),如果一个点的亮度要描述为高灰度等级,那么这个点的亮时间总长度要长,这样人眼才能够不断的平均LED的亮与暗,平均相邻像素间的亮度,从而描述出一个较为完整的画面。

  总之,恒流源驱动技术在LED驱动的应用中应该因循简单而有效的原则,一味的追求高精尖的技术,往往达不到实际的使用效果。


  作者博客地址:http://blog.alighting.cn/mqycc21

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