LED混色燈具在線檢測標定平臺

陳闊家 甄何平

【摘 要】 結合影視舞臺專業LED燈具需求，闡述LED混色燈具方案的優點及產品化過程中的一些關鍵問題，提出提高生 產效率的自動化解決方案，即LED混色燈具在線檢測標定平臺。

【關鍵詞】 影視舞臺；顯色性；一致性；LED混色；燈具；自動化；在線檢測；標定

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.001

【Abstract】combined with the needs of LED lighting in movie and TV stage industry， the author expounds the advantages of LED mixed color lamp scheme and some key problems in the process of product development， and proposes an automatic solution， LED online test platform for color mixing lamps.

【Key Words】movie and TV stage； color rendering； consistency； LED color mixing； luminaire； automation； on-line test； calibration

目前，受限于技術瓶頸LED光源的光色一致性控制是一個短期內難以解決的難題，產品個體差異性大，影響使用效果。為了實現燈具輸出光色良好的一致性，采用多組LED進行混光補償是一個較合理的方案。通過混光比例來控制最終輸出光色一致的方法，需要提前對每組色別的LED參數在不同的工作溫度下進行測試，為每臺燈具建立實測參數庫，燈具控制軟件依據參數庫進行自動混色計算和補償控制，從而實現輸出光的一致性。但對燈具內LED光源參數的測試是一個比較費時費力的過程，人工檢測調試生產效率低。每臺燈具需要測試的數據量很大，手工測試往往需要幾個小時才能完成一臺燈具的測試，無法應用于批量生產。

因此，開發效率高、測量準確度高的LED燈具自動化在線檢測平臺，實現產品在線100%檢測和分選，對于提高燈具生產效率，保證產品一致性，并實現大批量生產，可起到極大的推動作用。

1 LED燈具自動化測試系統開發原理

通過研究多色LED混光燈具的光色一致性影響因素和顯色性[1]優化方案，筆者開發了目前的基于恒溫箱的自動化測試系統。整套系統基于工業自動化控制系統，快速光譜測量技術、色度學數據處理技術，應用于LED專業燈具生產線，能極大地提高產品一致性和生產效率，降低生產成本，提升產品競爭力。

根據色度學原理，對多色LED燈具混色可靈活輸出各種彩色光、連續可調色溫的白光，滿足舞臺照明的多重需求。但多色LED燈具混色的精度與燈具中各種顏色LED的出光精度密切相關，而LED發光強度除了與電流相關以外，還與LED的結溫等因素密切相關。筆者通過試驗明確了燈具中影響LED發光性能的主要因素，通過大量試驗數據分析，擬合出LED發光強度受溫度、PWM占空比影響的關系曲線，并設計補償算法，實現每種顏色LED的發光強度的精確控制，從而實現整體燈具混色精度的精確控制，通過RDM等雙向通信協議將根據測試結果得出的混色補償參數發送給燈具，由燈具儲存并進行補償計算。

LED光源在工作狀態，不同的溫度下，光源的發光性能中的各個指標會有些偏移。光源的溫度對光輸出的影響如圖1所示[2]。

通常，LED光源廠家會提供典型的LED發光特性受結溫及電流影響的關系曲線，但對實際應用幫助不大，無法提取出有效的參考數據；而且，同一型號的LED通常又會根據發光效能、色坐標、工作電壓等參數分出很多bin區，供應商供貨時也會有限制，往往會綁定多個bin區銷售給客戶，因此，想要從采購源頭精確控制LED的一致性非常困難，會對采購造成很大壓力。而針對燈具進行光源參數測試相對來說可行性更強一些。

燈具中各種顏色的光源在不同溫度下光輸出的比例是不同的。為了保證燈具在工作狀態下計算數據的準確性，首先需要對燈具進行詳細的測試。

筆者最初的想法是測試每種顏色LED在正常工作電流下不同溫度的照度數據，見表1。

僅以LED受結溫的影響作為主要干擾因素，只針對結溫變化對燈具進行混色補償，數字模型假定為：

L（t）=a0×t2+b0×t+c0

但經過實際燈具驗證，基于該補償方法的混色精度仍然不夠理想，特別是低亮度情況下，混色色差較大。經過分析，確認為低亮度時，LED發光特性受驅動電路影響較大。理想情況下，基于LED恒流驅動電路，LED發光強度與驅動電路的PWM調光占空比成理想線性關系；而實際情況下，影視舞臺燈具對于LED調光頻率要求較高[3]，高達20 kHz以上。而在如此高的調光頻率下，驅動電路中的MOS管導通延遲等因素的影響就會凸顯出來，特別是PWM占空比較低時，LED的光輸出與PWM占空比就會呈現出明顯的非線性。

經過進一步思考分析，筆者考慮在LED測試環節中增加LED受驅動電路非線性影響的因素，增加了不同PWM占空比下的LED發光特性測試，見表2。

測試時，首先測試燈具穩定工作。先將燈具放置在恒溫箱中或通過物理升溫的方法進行升溫（結溫穩定在某些溫度點），待燈具工作穩定后，調節燈具焦距，使得光斑直徑調至1 m，固定點分別測得R、G、B、W四種光源在不同PWM占空比下的照度值及光譜。用離散數學理論建立數學模型，對測試到的多組數據分析，通過Matlab對測試數據處理，整理出LED光效受溫度變化及LED恒流驅動電路非線性影響的二元補償公式，建立符合溫度變化規律的數學模型。紅光采樣數據折線見圖2。

經過測試的數據比對，數字模型符合：

L（t，s）=（a0×t2+b0×t+c0）×s2+（a1×t2+b1×t+c1）×s+（a2×t2+b2×t+c2）

其中L為照度，t為溫度，s為PWM占空比，通過測試數據需計算出相關的常數系數。

圖3是對紅光測試數據處理后，根據處理結果繪制的幾條曲線，圖中從上到下，依次是溫度為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的曲線，對比采樣點數據，擬合函數計算結果誤差基本在 2%以內。

由于測試過程中需要根據PWM占空比、溫度等多個因素進行測試，測試點非常多，而且每個測試點都需要對燈具溫度進行穩定控制，因此，設計專用的恒溫箱設備作為測試工具，對于縮短測試時間、提高測試效率就顯得尤為重要。恒溫箱需要能夠做到快速的加熱或降溫，將燈具設備穩定到指定的溫度，需要使用PLC控制器采用PID算法對恒溫箱進行溫度控制。恒溫箱內要預留燈具常用的電源插頭、信號線等與恒溫箱控制器連接，實現同步控制。

另外，測試過程中系統需要采集燈具運行信息，如LED工作結溫，并且在測試結束后處理的校準參數需要傳遞給燈具。恒溫箱需要與燈具進行雙向交互通信，需要設計相關通信協議實現數據交互，目前，燈具通用控制協議中RDM[4]正在普及，并且支持雙向通信，基于RDM的數據交互是一個比較好的選擇，因此，筆者的設計也通過RDM通信協議與燈具進行雙向通信。

最后，多色LED混色算法也很關鍵?；焐惴ㄒ鶕枧_燈光的應用需求進行優化配置LED混色比例。比如，有些客戶除了要求Ra達到一定數值以外，還要求R9達到指定數值，混色算法就需要在Ra、R9目標值達標基礎上選擇輸出光照度較高的比例。如果客戶對于白光的顯色性要求不高，對照度要求較高，就可以通過降低Ra目標值的方式提高混色光的光效，提升燈具輸出光照度，因此，數據處理工具需要能夠靈活配置，優化目標，根據應用需求進行優化配置，見圖4。

借助計算機的強大運算能力，對于白光混色中每一個目標色溫點，都可以找出達到目標顯色性的比例中光照度輸出最高的混色比例。

測試結果見表3。

色差分析：

由上表中的測試數據及比對結果可以看出：表中的Δu'v'[5] 的數據在0.000 1--0.001 7之間，其色差值滿足行業規范中<0.003的要求；按照麥克亞當圓的階數要求，計算的指標均在二階之內，具有良好的視覺特征。

顯色性分析：

以3 200 K白光為例，黑體輻射（接近鹵鎢燈）曲線如圖5所示。

四色LED燈具混色后的光譜如圖6所示。

當色溫C=3 200 K時，測試數據為：一般顯色指數為Ra=95.070 8；

特殊顯色指數R1到R15分別為：

R1=99.553 3；R2=95.718 5；R3=85.207 4；R4=93.808 4；

R5=97.634 5；R6=93.371 1；R7=94.357 0；R8=95.916 2；

R9=99.414 8；R10=88.120 5；R11=92.951 5；R12=79.572 9；

R13= 98.470 8；R14= 92.917 5；R15= 99.449 4；

根據視敏函數特征，結合色溫在3 200 K時的能量分布圖，繪出人眼視覺效果圖，如圖7所示：

圖7中，黑色線條為人眼對鹵鎢燈光譜感應的能量分布，粉色線條為人眼對混色LED光譜感應的能量分布，二者差異很小。LED光源最主要的優勢在于節能，光源幾乎沒有紅外輻射能量。而從人眼對于可見光的敏感程度來看，在明視覺下，人眼對于波長大于650 nm以及小于450 nm的光譜能量感知度已經非常低了，因此，盡管LED光譜在650 nm以后輻射能量快速衰減，但這一現象對于人眼色彩感覺的影響并沒有想象中那么嚴重。圖7中的鹵鎢燈和LED混色后的兩個曲線非常接近。

2 LED燈具自動化在線檢測與標定系統介紹

通過研發LED光色參數自動化測試技術，建設LED燈具自動化在線檢測與標定系統，實現LED燈具在生產線上的自動檢測和光色標定，可以極大地提升LED燈具的光色一致性，提高燈具顯色性能，進而提升LED照明質量。

2.1 系統主要組成

（1）程序控制的自動恒溫測試平臺

通過采用高精度熱電偶作為溫度傳感器，配合嵌入式數字化控制系統，驅動大功率無觸點控溫電路進行閉環溫度控制，以實現精準、高速的溫控效果，使待測燈具快速、穩定地在預設溫度條件下實行不同溫度下LED的光色光度參數檢測。

（2）在線快速光譜測量系統

系統采用先進的光纖光譜儀，通過在生產線上實時同步方式，利用CCD傳感器技術、自動控制技術和高速通信技術建立快速光譜測量與數據處理系統，對LED燈具的光譜功率分布、色坐標、色溫、顯色指數進行檢測，實現對可見光全光譜范圍進行精確測量，并由高速數據處理系統對數據進行處理，生成完備的產品光譜數據庫，用于產品的光譜標定和校準。

（3）在線快速照度測量系統

主控制系統通過光電傳感器對不同工作條件下LED的照度進行自動測量，得到相應LED在不同工作溫度和驅動電流下的照度數據，并由高速數據處理系統對數據進行處理，生成完備的產品相對光通數據庫，用于產品的光學參量標定和校準。

（4）在線標定系統

自動優化混色算法：研究以顯色指數和輸出功率為目標的優化算法，基于燈具在線測量的光學數據，自動計算單個燈具的最優混色方案，優化各色LED的驅動電流配比，實現高顯色指數的照明要求。

補償控制軟件：通過不同溫度下各色LED驅動電流的自動補償，達到對LED燈具的恒定色溫和高顯色指數的自動控制，對燈具固件進行在線式標定和校準，保證燈具輸出參數的一致性和穩定性。

2.2 解決的關鍵技術

（1）自動優化混色算法

研究以顯色指數和輸出功率為目標的優化算法，基于燈具在線測量的光學數據，自動計算單個燈具的最優混色方案，優化各色LED的驅動電流配比，實現高顯色指數的照明要求?？筛鶕我庵付ǖ腞a及特殊顯色指數組合作為混色目標進行光譜靈活定制，并對混色光效或總光通量尋優。

圖8中，四種LED光源光譜，其中紅光峰值波長為638 nm，綠光峰值波長為524 nm，藍光峰值波長為447 nm，白光色溫為3 000 K，普通顯色指數為79。RGBW四種光源的光通量依次為：1 226 lm、2 808 lm、414.3 lm、7 718 lm，功率分別為38.7 W、68.8 W、46.6 W、136.6 W。

1）設定混色目標：色溫3 200 K，Ra>95，R9>95可獲得混色光譜如圖9所示。

該混色方案光譜顯色指數為：

Ra= 95.99， R9=97.56

R1～R15依次為：

98.46， 98.1， 86.08， 94.18， 98.68， 97.35， 96.89， 98.18， 97.56， 94.58， 94.51， 83.57， 99.22， 95.26， 99.72

總光通量為8 281.1 lx，LED總功率為151.87 W

2）設定混色目標：色溫3 200 K，Ra>90，R9>80可獲得混色光譜如圖10所示。

該混色方案光譜顯色指數為：

Ra= 90.85， R9=80.26

R1～R15依次為：

91.07， 99.34， 83.02， 84.27， 91.15， 96.04， 93.64， 88.3， 80.26， 99.18， 78.02， 95.07， 92.72， 93.1， 93.11

總光通量為10 169 lm，LED總功率為204.22 W。

3）設定混色目標：色溫3 200 K，Ra>90可獲得混色光譜如圖11所示。

該混色方案光譜顯色指數為：

Ra=90.08，R9=76.78

R1～R15依次為：

90.1， 99.03， 82.77， 83.22， 90.21， 95.46， 93.12， 86.7， 76.78， 98.68， 76.55， 96.1， 91.86， 92.93， 92.02

總光通量為10 277.0 lm，LED總功率為207.23 W。

4）設定混色目標：色溫3 200 K，Ra>85可獲得混色光譜如圖12所示。

該混色方案光譜顯色指數為：

Ra=85.05， R9=55.29

R1～R15依次為：

84.03， 96.61， 81.19， 76.49， 84.25， 91.66， 89.53， 76.59， 55.29， 93.11， 67.32， 96.28， 86.46， 91.85， 85.19

總光通量為11 010.0 lm，LED總功率為 227.65 W。

如圖13所示，紅綠藍黑四條光譜曲線，依次為上面1～4種混色方案的混色光譜。

由以上不同的混色方案對比可知，混色目標不同，混色比例優化后的結果也不同，燈具可達到的光通量和功率也不同。從趨勢看，目標顯色指數越高，混色后燈具的光通量越小，LED功率也越低。因此，燈具的混色優化方案，需要依據客戶需求，進行定制化設計，對于顯色性要求稍低的需求，可以通過設定合適的顯色指數指標來提高燈具輸出光光通量。因此，混色軟件需要做到可以根據客戶需求靈活定制需要的性能參數，并且混色程序需要根據LED燈具中的LED配置進行比例優化，使混色比例在滿足客戶需求情況下盡量提高燈具輸出的光通量。

（2）補償控制軟件

研究自動溫度補償控制軟件，通過不同溫度下各色LED驅動電流的自動補償，達到對LED燈具的恒定色溫和高顯色指數的自動控制，對燈具固件進行在線式標定和校準，保證燈具輸出參數的一致性和穩定性。

LED發光性能不只受結溫影響，還受驅動電路及PWM周期等因素影響，因此，精確地測量LED結溫以及明確驅動電路等因素對LED發光性能的影響關系很關鍵，需要模擬出LED正常工作時的環境進行測量試驗，開發專用的測量設備。另外，還要依據試驗總結出的補償算法開發配套的測試數據處理軟件，實現對測量數據的分析計算，提取出補償系數，并將補償參數傳遞給燈具，由燈具存儲并在運行時調用，見圖14。

最終，整個系統將LED燈具數據測量、數據處理、混色計算、燈具參數設置等一些列過程串聯起來，由系統自動化分步執行，整個過程只需要提前設置好目標參數，然后一鍵啟動，這對于提高生產效率，降低人工成本重要意義。

通過多色LED混色，可實現以任意指定的Ra及特殊顯色指數組合作為混色目標進行光譜靈活定制，并對混色光效或總光通量尋優。根據測試，采用低顯色指數LED光源元件仍然可混出高顯色指數白光，有助于降低光源采購要求。通過靈活配置光源中不同色彩的功率比例，可實現高光效高顯指白光應用。利用混色方式，可充分發揮LED彩色優勢，燈具功能靈活。

LED混色方案有以上諸多優點，但LED混色燈具產品的實施并不容易。通過本文中闡述的自動化檢測標定平臺能夠大大降低LED混色方案實施難度，但LED混色燈具還要特別注意的另一個關鍵點是燈具的光學設計，如何將多色LED發出的光進行均勻混合，這是產品實施過程中的另一個難點，值得各位業內同行深入探討。

參考文獻：

[1] GB/T 5702-2003，光源顯色性評價方法[s].

[2] Cree，Inc.Cree? XLamp? XM-L Color LEDs[R]，Cree.com，2017.

[3] GB/T 32486-2016，舞臺LED燈具通用技術條件要求.

[4] ANSI E1.20-2006，ENTERTAINMENT TECHNOLOGY-RDM - REMOTE DEVICE MANAGEMENT OVER DMX512 NETWORKS[S].CP/2003-1003R4.

[5] 黃艷，任勝東，陳聰，潘建根. CIE關于光源色差的最新技術注解解讀[J]. 照明工程學報，2013，12.

作者簡介：

陳闊家，2008年畢業于中國傳媒大學，本科學歷。曾任北京星光影視設備科技股份有限公司研發部經理，工作期間主導開發了easyworks實時操作系統內核，并成功應用于公司各種新開發燈具吊桿設備中，主導開發了Art-Net解碼器、LED混色燈具控制器系統、LED混色燈具自動化測量標定系統等，設計了鳥巢吸引舞臺控制系統、通用軸控制器控制系統等，并申請多項專利。目前專注于通用控制系統研究。