基于三基色LED 的線性調光混合照明

黃 濤，夏振平，彭子雄，劉宇杰，李超超，顧敏明

（蘇州科技大學 電子與信息工程學院,江蘇 蘇州 215009）

1 引言

與傳統的熒光燈和白熾燈相比，發光二極管（Light Emitting Diode,LED）具有亮度高、壽命長、體積小、綠色節能、響應快等優點，在照明領域、光通信領域有著廣泛的應用[1-8]。自2002 年美國Brown 大學的Berson D M 等[9]發現了哺乳動物視網膜存在第三類感光細胞——內在光敏視網膜神經節細胞（intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells,ipRGCs）以來，研究人員一直在探究光對人體健康的生物學和心理學影響[10-13]。因此，現在的LED 照明不僅僅是為了照亮周圍環境，更應該考慮光的非視覺效應，并將光學安全和健康作為室內照明的首要任務[14-16]。

在智能照明領域中，LED 是常用的照明技術之一，其調光方式通常有兩種：脈沖寬度調光（Pulse Width Modulation,PWM）和線性調光。其中，PWM 調光通過數字化脈沖控制LED 驅動器實現，通過改變平均輸出電流實現LED 亮度的調節。盡管其可實現對LED 平均電流的精準控制，并將光源閃爍頻率控制在人眼無法感知的范疇內，但在一定程度上會對人的注意力和視覺感知產生負面影響，存在健康安全方面的隱患[17-18]。線性調光通過連續、線性地調節LED 電流從而實現亮度控制。由于LED 線性調光可以在不改變頻率的情況下實現光源的連續調光，因此調光過程更加自然且平滑，不會產生明顯的閃爍和眩光，可以很好地避免PWM 調光可能引起的視覺疲勞和不適，不過其在調光范圍內可能存在較大色差[19]。

實現光色度、光強度可調的技術包括冷暖白光混合照明[4,19]、紅綠藍三基色混合照明[5]以及紅、綠、藍、青、黃、暖白6 色LED 混合照明[20]等。但目前的照明系統存在以下問題：通常采用的PWM 調光存在因調光方式導致LED 閃爍并由此帶來的健康安全隱患；用客觀亮度劃分光強度等級，并未考慮人的主觀感知；光色度的定義以相關色溫為依據，導致調光過程中光色度恒定效果不佳。

針對上述問題，本文提出基于紅綠藍三基色LED 的線性調光混合照明系統。該系統采用線性調光方式，因此并不存在因光源閃爍而引起的健康及安全問題。為更契合“人因照明”理念，在光強度調節過程中以明度代替亮度，使得混合照明光源的調光等級更符合人的感知等級。光色度差采用CIE 1976u′v′中的圓色差定義，避免由相關色溫定義色度偏差而帶來的不準確性。同時采用三基色LED 進行混合照明，解決了冷暖白光混合照明色域范圍小，多色LED 混合照明所需成本高的問題。

2 三基色LED 混光理論

色溫是描述光源顏色的重要參數。人們可以根據光源色溫的高低來判斷光源的顏色。色溫通常以黑體輻射源發出的顏色進行表征，即當光源顏色與某一特定溫度T下的黑體輻射源發出的顏色相同時，該黑體的溫度就代表該光源的色溫。然而，任何溫度下的黑體輻射源所發出的顏色并不可能與實際光源顏色完全相同。因此，物理學家引入了相關色溫（Correlated Color Temperature,CCT）的概念。根據國際照明委員會（Commission Internationale de I'Eclairage,CIE）的標準，任何顏色都能在CIE 1931xy色度圖上表示出來，如圖1(a)（彩圖見期刊電子版）所示。圖1(a)中的黑色曲線稱為黑體軌跡，它代表的是不同溫度下的黑體輻射源的顏色坐標。光源色坐標與黑體軌跡最接近的色品坐標對應的黑體輻射源溫度稱為該光源的相關色溫，同一相關色溫對應“等溫線”上所有色坐標點（即與圖1(a)黑色曲線相交的斜線）。

圖1 CIE 1931 xy 色度圖。（a）黑體軌跡及相關色溫等溫線；（b）三基色混光區域圖及色漂移示意圖Fig.1 CIE 1931 xy chromaticity diagram.(a) Blackbody locus and correlated color temperature isotherms;(b) three primary colors mixed lighting region diagram and color draft schematic

紅綠藍三基色LED 混合照明系統是采用紅光LED、綠光LED、藍光LED 進行線性混光。在混合白光的同時，線性調光避免了閃爍可能引起的健康安全隱患。在CIE 1931xyY色彩空間中，通過色品坐標和亮度值Y來唯一表征顏色，即通過xyY來表示顏色。紅光、綠光、藍光對應表達分別為xryrYr、xgygYg、xbybYb，相應的色坐標點在圖1(b)（彩圖見期刊電子版）中用R、G、B 表示。根據格拉斯曼定律，紅光、綠光LED 混合得到的中間色的色坐標必定落在兩色坐標點連線上，如圖1(b)中的點Q，點Q的具體坐標是由紅色、綠色LED 光源的混合比例決定的。然后，再利用中間色Q與藍光LED 根據某一混合比例得到目標色，如圖1(b)中P點。從圖中可以看出，三基色所圍成的區域涵蓋了大部分的黑體軌跡，這也從理論上說明采用三基色能夠混合任意色溫的白光。

由于xy色品空間是非線性空間，根據CIE 1931 色坐標計算方法[21]，混色坐標的計算須在三刺激值空間CIE 1931XYZ）進行。二者之間的轉換關系為：

三刺激值空間線性可加，故三基色混合光的三刺激值矢量表示為：

再通過式（1）變換得到CIE 1931xyY色彩空間，從而得到對應的混合光源的色品坐標。

在該系統中三基色LED 光源均采用線性調光，在整個0～100%光強度調節范圍內,單獨的三基色LED 也存在色度偏差，如圖1(b)中RGB 三個頂點處。當混合白光的色溫確定時，分別調節三基色LED 的發光強度，實際的混合色坐標也可能和理論上色坐標存在較大差異,如圖1(b)中紅色圈出來的色坐標點（所代表的含義是混光目標色溫為3 000 K 時，調節三基色的驅動電流進行混光時所產生的色漂移）。

3 三基色LED 混合照明的色度偏差

智能照明系統中的LED 具有豐富多變的光譜特點，使得它可以廣泛應用于照明領域。然而，由于LED 光源的靈活性和多變性，三基色LED混光照明應用中存在光色不一致的問題。在顏色工程領域中，色差用于度量光色度的變化。在光色度和光強度均可調節的智能照明系統中，當光色度固定時，光強度調節要求色差在不可察覺的范圍內，即光色度無顯著變化。盡管相關色溫與色坐標之間存在關系，但由于其是一對多的關系，因此用相關色溫來表示色差并不準確。

美國顏色科學家麥克亞當進行了大量顏色匹配實驗，并從CIE 1931xy色品坐標系中選擇了25 個參考點。他認為每個參考點的觀察誤差服從正態分布，且在不同方向上可能有不同的標準差。因此，他考慮了1 個標準差的誤差坐標點，并將這些點繪制成封閉曲線。研究后發現，這些封閉曲線近似為橢圓形，這就是CIE 1931 色度圖中的25 個麥克亞當橢圓。通常用“階”數來表示麥克亞當橢圓，1 個標準差表示1 階。1 階麥克亞當橢圓內的色坐標基本沒有差異，而3 階麥克亞當橢圓代表恰可察覺的色差，7 階麥克亞當橢圓用于定義照明產品的色差容忍范圍。當光源的色差超出人眼能夠容忍的范圍時，照明會造成光學和健康安全方面的影響。圖2（彩圖見期刊電子版）為帶有25 個麥克亞當橢圓的色度圖（為方便觀察，橢圓的長短軸已各放大10 倍）。

圖2 CIE1931 xy 色度圖上的10 階麥克亞當橢圓Fig.2 10-step MacAdam ellipse in CIE1931 xy chromaticity diagram

CIE TN 001:2014 指出麥克亞當當初對于3階的恰可察覺色差定義不清，且由于CIE1931色品空間是非均勻的，用基于CIE 1931 色品坐標系定義的麥克亞當橢圓的色差概念并不準確?？紤]到CIE 1976 色品空間是個均勻的色品空間，在CIE 1976 的白光區域，麥克亞當橢圓近似為圓，LED 的大部分實際應用就在這個區域，所以用u′v′圓代替橢圓表示色差更加精確。圖3 是5 階u′v′圓，其圓心與對應的麥克亞當橢圓的中心點一致[22]。

圖3 CIE 1976 u′v′ 色度圖上的5 階 u′v′圓Fig.3 5-step u′v′ circle on the CIE 1976 u′v′ chromaticity diagram

CIE 1976 USC 色度坐標表示為(u′,v′)，其是在CIE 1931 色度坐標(x,y)基礎上進行轉換得到的，轉換過程如式（4）所示：

由于CIE 1976 色品空間是均勻空間，人眼視覺差異相同的不同顏色大致是等距的，所以通過兩個顏色點的相對距離可以直觀看出兩顏色的色差大小。CIE 1976 色品空間色差可以表示為：

4 混合照明的線性調光調色方法

4.1 系統組成和調光調色方法

紅綠藍三基色LED 混合照明系統是由LED調光控制器、微處理器、流驅動器和三基色LED 模組構成。整體調光調色通過以下步驟實現：首先，LED 調光控制器輸入一個包含光色度、光強度的調光信號；微處理器接收并分析該調光信息，然后輸出一個三基色LED 的直流驅動控制信號；直流驅動器根據上級傳輸過來的直流驅動控制信號輸出相應的直流電流去驅動LED。

4.2 設定與輸出參量的查找表構建

照明系統要求光源調控具有準確性和實時性，故需在輸入的調光信號和輸出的驅動電流控制信號之間建立查找表。

首先，建立光強度信號與驅動電流控制信號的關系。分別測量紅、綠、藍三組LED 光源在不同電流I下的三刺激值X、Y、Z數據。所測系統是最終的產品設計方案，結果考慮到了LED 光源的排布、散熱等。整個測量過程在積分球中進行，只改變驅動電流這一變量。對測量結果進行數據擬合，分別得到三基色LED 光源的亮度Y與刺激值X、Z及驅動電流I的擬合關系式，如式（6）～（8）所示：

本文利用已有的三基色LED 光源進行相關數據擬合，得到三基色LED 光源關于以上相關擬合的擬合系數R-square 均大于0.98，擬合效果良好。

進一步，輸入的光色度信號以色溫為依據，但在實際調光優化過程中，用CIE 1976 USC 色度坐標來表示色度信息，所以通過數據擬合建立黑體軌跡坐標與色溫Tc的函數關系，具體形式如式（9）所示：

為了使得擬合結果更加精確，在色溫范圍1 000～10 000 K 內，每隔200 K 求取色坐標用來擬合。通過擬合得到相關的擬合系數R-square 均大于0.99。

以主觀明度取代客觀亮度來劃分光強度調控等級，使得光強度的調控需求更符合人的主觀感知。式（10）表示的是歸一化的亮度Y'與明度L之間的函數關系[23]：

亮度Y′與明度L的關系曲線如圖4 所示。

圖4 明度與亮度的關系曲線Fig.4 The relationship between brightness and luminance

建立相關查找表的最后一步是通過遍歷法，尋找在固定色溫和相應明度等級下，對應的三基色LED 光源的電流控制信號。相關流程如圖5所示。

為方便確定系統亮度的取值，明度信號以百分數表示，根據式（10）計算出對應等級下的歸一化的亮度Y′。選取三基色LED 混合光源的最大亮度中的最小值作為該系統的最大亮度，系統的實際亮度為該亮度與歸一化亮度Y′的乘積。

具體的遍歷過程如下：已知固定色溫Tc，將該色溫Tc代入式（9）得到黑體軌跡坐標（）。在明度為100%的情況下，遍歷尋找使式（5）中的Δu′v′最小的三基色LED 亮度配比。在后面明度等級非100%的情況下，為了使得色差誤差更小，不以該色溫Tc下的黑體軌跡坐標作為混合光源的目標坐標，而是以明度在100%等級下使得色差Δu′v′值最小的混合光源實際坐標（）為目標坐標。遍歷尋找到對應的使 Δu′v′值最小的三基色亮度配比。通過驅動電流I與亮度Y之間的對應關系（式（6）～（8）），得到對應明度等級和色溫下的三基色LED 光源的驅動電流信號，如式（11）所示：

5 混合照明效果分析

為驗證三基色LED 線性調光混色照明系統的可行性和實用性，用光譜分析系統（雙色云譜HP 8000 Pro）測量了三基色LED 光源在最大正向導通電流下的光色度參數及光譜功率分布，結果如表1 和圖6 所示。

表1 三基色LED 光源數據Tab.1 Data of three-primary-color LED light sources

圖6 LED 光源相對光譜功率分布Fig.6 Relative spectral power distribution of LED light sources

出于對LED 芯片結溫會導致色漂移和出光效率降低的考慮，測試環境溫度保持在25 °C，LED 光源穩定照明30 分鐘以上再進行測試。

為了使混光效果更精確，實驗過程中將明度等級從5%～100%均分為20 個等級，根據4.2 節提到的方法，遍歷尋找在設定色溫和不同明度等級的最佳亮度配比，同時測量不同色溫和明度等級下混合光源的色坐標，并計算出色溫、色溫差、u′v′色差及其對應的階數。實驗發現該照明系統的混合光在色溫2 000 K～8 000 K 之間有良好的色度穩定性。表2 所示的是照明系統在6 種特定色溫下的相關數據。從表中數據可知，在設定的色溫下，調節混合照明系統的明度等級，其色溫變化在34 K 以內，u′v′色差均小于0.001 1。即色差階數在1 階以內，光色度變化在不可察覺范圍內。表3 所示的是對應色溫在6 500 K 時不同明度等級下的最佳驅電流數據以及對應的u′v′坐標值。

表2 三基色LED 線性調光混合照明的色度穩定性Tab.2 Chroma stability of mixed lighting based on linear dimming of three-primary-color LEDs

表3 三基色LED 光源在 TC=6 500 K 時不同明度下的電流及 u′v′坐標值Tab.3 The currents and u′v′ coordinate values of three-primary-color LED light sources under different brightnesses at TC=6 500 K

由于相關色溫和色品坐標并不是一一對應的關系，利用CIE 1976 USC 色度坐標描述混合光源的色度及其差異更加精確。對于所提出的混合照明系統，用色溫表示輸入的調光色度信號時，將色溫轉化為u′v′坐標表達會導致所設定的色溫和實際測量的色溫之間存在一定的差異。圖7 為CIEu′v′圓表示的該線性調光照明系統的色度穩定性。從圖7 可知，采用線性調光的調光優化算法能夠使得混合光源的色差保持在1 階u′v′圓內。隨著設定色溫的增大，不同明度等級下的混合光源的u′v′坐標點越來越密集，即混合光源色溫更加趨近于所設定的色溫。

圖7 CIE u′v′圓表示的照明系統色度穩定性Fig.7 Chroma stability of the lighting system represented by CIE u′v′ circle

為進一步驗證本文提出的線性調光優化算法的優勢，將線性調光與PWM 調光方式的混光色度穩定性進行比較。在相同的實驗條件下，用光譜分析系統分別測量三基色當占空比D從0%變化到100%過程中的光色度參數（占空比調節間隔為1%）。先將亮度Y與刺激值X、Z及占空比D進行數據擬合。根據4.2 節中提到的方法遍歷尋找到在設定色溫和不同明度等級下使 Δu′v′值最小的三基色亮度配比。最后，根據前面建立的擬合式，得到對應明度等級和色溫下的三基色LED 光源的占空比。表4 所示的是照明系統在6 種特定色溫下的PWM 調光的色度穩定性相關數據。由表4 可知，在特定的色溫下，調節混合照明系統的明度范圍，PWM 調光方式下的相關色溫變化范圍變大，從線性調光方式下的34 K 變為234 K，色差階數達到了3 階（3 階u′v′圓代表恰可察覺的色差）。

表4 三基色LED 的PWM 調光混合照明的色度穩定性Tab.4 Chroma stability of mixed lighting based on PWM dimming of three-primary-color LEDs

為直觀表現兩種調光方式在采用同種優化算法時，系統混合光的色度穩定性的差異，此處列出色溫為6 500 K 時的CIEu′v′圓對比圖，如圖8 所示。通過圖8 可以直觀地看出，在所提出的調光優化算法基礎上，采用線性調光方式在不同明度等級下的色差保持在1 階u′v′圓內，而PWM 調光方式的色差達到了3 階。通過相關數據對比可得在該混合照明系統中，線性調光方式在維持混合光的色度穩定性上效果更佳。

圖8 6 500 K 下照明系統色度穩定性比較。（a）線性調光；（b）PWM 調光Fig.8 Comparison of chroma stability of lighting systems at 6 500 K.(a) Linear dimming;(b) PWM dimming

6 結論

LED 照明系統需要的是高品質、智能健康的光源。首先，本文提出了一個基于三基色LED 光源的智能照明系統，可以實現光的色度和強度的自由調節。其次，為了確保照明的安全性，系統使用了線性調光，避免了PWM 調光可能帶來的健康隱患。此外，為了提高照明質量，系統采用了一種新穎的優化算法，使得可以在固定色溫下，在整個光強度調節范圍內，色差在不可察覺的范圍內進行調節。同時，系統采用明度等級設置光強度，使得光強度的調控更加符合人的主觀感知。實驗結果表明：在2 000 K～8 000 K 的色溫范圍內，基于三基色LED 的線性調光混合照明系統的混合光的色度穩定性在1 階的CIEu′v′圓內，且隨著所設色溫的增大，混合光的色差變化幅度更小。相比于PWM 調光，本文提出的線性調光混合照明系統在維持光色度穩定性方面性能突出。結合三基色LED 結構簡單、混光方便易行的特點，本文為高品質智能LED 照明需求提供了有一種良好的解決方案，其有助于促進改善人們的視覺體驗。