夏振平， 付保川， 程 成

(1. 蘇州科技大學 電子與信息工程學院， 江蘇 蘇州 215009；2. 蘇州市虛擬現(xiàn)實智能交互及應用技術(shù)重點實驗室， 江蘇 蘇州 215009)

1 引 言

白光發(fā)光二極管(Light emitting diode，LED)具有使用壽命長、體積小、光效高、節(jié)能、環(huán)保、可控性強等特點，因此被廣泛應用于家庭、商場、道路等各種照明場合[1-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對LED照明的光品質(zhì)、安全性、智能化也提出了越來越高的要求。

以簡單的相關(guān)色溫指標表述的照明光色度在各種不同的照明場合都有重要的影響。家庭照明中，不同的光色度對人的情緒會產(chǎn)生不同的影響，同時會影響晝夜生物節(jié)律。商業(yè)照明中，環(huán)境光色度會影響消費者對商品的選擇。醫(yī)療照明中，光色度的周期性變化可以影響人體免疫功能。道路照明中，光色度會影響交通參與者對道路狀況的分辨能力和反應速度[6]。智能照明中，除了光色度的調(diào)節(jié)，光強度的調(diào)節(jié)也是最基本的需求之一。LED照明常用的調(diào)光方式有脈沖寬度調(diào)光(Pulse width modulation,PWM)和線性調(diào)光。PWM調(diào)光通過控制LED驅(qū)動電流的通斷時間比例進行平均光強調(diào)節(jié)，其優(yōu)點是調(diào)節(jié)范圍內(nèi)光色度相對恒定并且可以進行精確控制，其缺點是存在閃爍有健康風險。線性調(diào)光控制通過LED電流的大小調(diào)控光強度，其優(yōu)點是調(diào)控電路簡單易實現(xiàn)，其缺點是調(diào)節(jié)范圍內(nèi)存在較大的色度差[2,7]。

為了滿足不同照明場合的需求，光色度、光強度可調(diào)的智能照明成為LED照明的研究熱點?？蓪崿F(xiàn)以上功能的技術(shù)包括：紅、綠、藍三基色LED混合照明；紅光、藍光、白光LED混合照明；冷暖白光LED混合照明等[4,8]。其中，冷暖白光LED混色穩(wěn)定性好，混色模型簡單易于實現(xiàn)，實用性強。然而，現(xiàn)有冷暖白光LED混合照明技術(shù)仍然存在諸多問題需要改進：(1)多以PWM調(diào)光為主，潛在健康隱患；(2)光色度差的定義以色溫為依據(jù)，致使模型輸出的光色度恒定效果不佳；(3)光強度的等級劃分以客觀亮度(Luminance)為依據(jù)，不符合主觀需求。為了解決以上問題，本文提出了基于冷暖白光LED的線性調(diào)光混合照明技術(shù)。系統(tǒng)中，冷暖白光LED均采用線性調(diào)光無閃爍；光色度差的定義采用了CIE 1976u′v′圓色差表示方法，避免了相關(guān)色溫和色坐標一對多的不確定關(guān)系；光強度調(diào)控的等級以明度(Lightness)為依據(jù)，更加符合主觀實際需求。

2 冷暖白光LED混光理論

任一種光顏色都可以用CIE 1931色度圖上的坐標進行表示，如圖1所示。為了量化某個光源所發(fā)出光的顏色，物理學家定義了一種理想的熱輻射體——黑體。黑體輻射中，隨著溫度的不同，所輻射光的顏色呈現(xiàn)由紅、橙紅、黃、黃白、白、藍白漸變的過程，相應的色坐標形成黑體軌跡(圖1(a))。光源呈現(xiàn)的顏色與黑體輻射在某一溫度呈現(xiàn)的顏色相同時，黑體溫度稱為該光源的色溫。然而絕大部分光源的色坐標并不會恰好落在黑體軌跡上，因此提出了相關(guān)色溫的概念，即利用距離光源色坐標點最近的黑體軌跡坐標點對應的溫度表示，同一相關(guān)色溫對應“等溫線”上所有色坐標點(圖1(a))[9]。

圖1 CIE 1931 xy色度圖。(a)黑體軌跡及相關(guān)色溫等溫線；(b)冷暖白光LED線性調(diào)光下的色漂移。

冷暖白光LED混合照明系統(tǒng)中分別選擇一組冷色調(diào)白光LED和一組暖色調(diào)白光LED進行混光。為避免閃爍可能帶來的健康隱患，兩組LED的調(diào)光方式均為線性調(diào)光。若已知CIE 1931xyY色彩空間中，冷暖白光對應表達分別為xcycYc和xwywYw。根據(jù)格拉斯曼定律和重心原理，冷暖白光LED混合光的色坐標(xm,ym)必定落在冷暖白光LED色坐標的連線上。由于xy色品空間并不是線性空間，具體混色坐標的計算必須在三刺激值空間(CIE 1931XYZ)進行。兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(1)

(2)

CIE 1931XYZ三刺激值空間線性可加，混合光的三刺激值矢量可表示為：

ζm=ζc+ζw,

(3)

得到的混合光三刺激值可以根據(jù)式(2)再變換得到CIE 1931xyY色彩空間，得到相應色品坐標。

然而由于系統(tǒng)中冷暖白光LED均采用線性調(diào)光的方式，在整個0～100%光強度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，單獨冷暖白光LED所發(fā)出的光均具有較大的色漂移(圖1(b))。在給定混色色溫下，要設(shè)置冷暖白光的發(fā)光強度比例，會存在極大的不確定性。

3 白光LED照明的色度偏差

光強度、光色度可調(diào)的智能照明系統(tǒng)要求在設(shè)定的色度下，調(diào)節(jié)光強度時能盡可能地保持色度的恒定，即色差在不可察覺的范圍內(nèi)。由于相關(guān)色溫和色坐標之間存在一對多的關(guān)系，利用相關(guān)色溫差表示色差并不準確。

麥克亞當(Macadam)在1942年設(shè)計了顏色匹配實驗，實驗中一個顏色為固定參考色，受測者需要調(diào)節(jié)另一顏色以匹配參考色，由于人眼精確度有限，所有的色匹配結(jié)果落在以參考色坐標為中心的橢圓范圍內(nèi)，以每個方向上顏色匹配結(jié)果變動的標準差確定橢圓的邊界，便形成了CIE 1931 色度圖上的25個麥克亞當橢圓，如圖2所示(基于可視性，圖中為放大10倍的情況)[10]。通常用“階”數(shù)來表示麥克亞當橢圓，1階麥克亞當橢圓內(nèi)的色坐標幾乎沒有任何差別，3階麥克亞當橢圓對應顏色的恰可覺察差，能源之星以7階麥克亞當橢圓定義照明產(chǎn)品的色差允許范圍。

麥克亞當橢圓表示的是標準差，而不是直接表示色差，另外CIE 1931xy色品空間也并不是均勻色度空間，無法精確表示色度差。CIE 1976 USC色度系統(tǒng)將CIE 1931xy色度坐標加以轉(zhuǎn)換(如式4所示):

(4)

形成更加均勻的色度空間，使得色差得以精確表示。

圖2 CIE 1931 xy色度圖上的10階麥克亞當橢圓

CIE 1976u′v′ 色品空間的色差可以表示為：

(5)

圖2中的麥克亞當橢圓轉(zhuǎn)換到u′v′坐標系后近似圓形，考慮到1942年實驗可能存在的不確定度和實際差異的微小性，CIE提出了u′v′圓的方式替代麥克亞當橢圓。CIEu′v′圓的階數(shù)對應圓半徑Δu′v′除以0.001 1的倍數(shù)。圖3是5階u′v′圓的情況，其圓心與對應麥克亞當橢圓的中心點一致[11]。

圖3 CIE 1976 u′v′色度圖上的5階u′v′圓

4 混合照明的線性調(diào)光調(diào)色方法

4.1 系統(tǒng)組成及調(diào)光調(diào)色方法

冷暖白光LED混合照明系統(tǒng)由LED調(diào)光控制器、微處理系統(tǒng)、直流驅(qū)動器組和LED模組組成。如圖4所示，LED調(diào)光控制器用于輸入調(diào)光信號，調(diào)光信號包含光強度和光色度設(shè)定信號；微處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的調(diào)光信號，經(jīng)過處理后得到冷暖白光LED的驅(qū)動電流控制信號；直流驅(qū)動器根據(jù)電流控制信號，產(chǎn)生直流電流直接驅(qū)動冷暖白光LED；為增強混光效果，LED模組上的冷暖白光LED交叉分布。

圖4 混合照明系統(tǒng)的組成

4.2 設(shè)定與輸出參量的查找表構(gòu)建

為確保照明系統(tǒng)調(diào)控的實時性，輸入的調(diào)光信號與輸出驅(qū)動電流控制信號之間通過查找表建立關(guān)系，如圖5所示。首先，分別測量冷暖白光LED在不同工作電流下的XYZ三刺激值，測量的照明系統(tǒng)確保是最終的產(chǎn)品設(shè)計，包括LED的排布、燈罩的使用等，測試過程在暗室中進行，只改變驅(qū)動電流的大小，其他條件保持一致?；跍y試結(jié)果，通過數(shù)據(jù)擬合分別建立冷暖白光LED亮度Y與X、Z以及電流I之間的數(shù)值關(guān)系，如式(6)所示：

(6)

為了符合主觀光強度調(diào)控需求，需要依據(jù)明度劃分光強度調(diào)控等級，因此建立歸一化的亮度Y與明度L之間的函數(shù)關(guān)系，如式(7)所示：

(7)

亮度Y與明度L是非線性關(guān)系，如圖6所示[12]。

圖5 查找表建立流程圖

圖6 明度與亮度之間的非線性關(guān)系

(8)

(9)

5 混合照明效果分析

冷暖白光LED線性混合照明系統(tǒng)的效果驗證采用了額定色溫分別為6 500 K和2 700 K的冷暖白光LED。表1分別列出了單色和混色情況下各個明度等級的色溫、色溫差、u′v′色差及其對應的階數(shù)。明度等級為從10%到100%的均分10個等級。冷暖白光LED單獨工作時，在整個明度的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，無論從色溫變化的范圍還是u′v′色度變化的角度，都具有較大的色度漂移。其中，u′v′色差等級分別對應3階和2階。表1所列6種混合照明的效果分別對應設(shè)定色溫3 000，3 400，3 900，4 400，5 000，5 600 K?；旌险彰髟诟髯缘脑O(shè)定色溫下，整個明度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的相關(guān)色溫差均在25 K以內(nèi)，u′v′色差等級均為1階，表明不可察覺的色差。

表1 冷暖白光LED混合照明的色度穩(wěn)定性

圖7 CIE u′v′圓表示的照明系統(tǒng)色度穩(wěn)定性。(a)單色暖光2 700 K；(b)單色冷光6 400 K；(c)混光3 000 K；(d)混光3 400 K；(e)混光3 900 K；(f)混光4 400 K；(g)混光5 000 K；(h)混光5 600 K。

相關(guān)色溫和u′v′色坐標兩種對LED照明色度的表示方法各有優(yōu)劣。相關(guān)色溫的表示對于普通消費者更易于理解和使用；而相關(guān)色溫和u′v′色坐標之間是一對多的關(guān)系，u′v′色坐標在均勻色空間表示色度及其差異更加準確。因此，提出的混合照明系統(tǒng)的調(diào)色輸入設(shè)置采用色溫表達，在實際的色差計算和調(diào)控過程中，采用由色溫轉(zhuǎn)換而來的u′v′色坐標的表達。由此可以理解6種混光的設(shè)定色溫和實際測量相關(guān)色溫之間存在一定的差異。圖7為CIEu′v′圓表示的照明系統(tǒng)色度穩(wěn)定性。

6 結(jié) 論

光源的高光品質(zhì)、安全性和智能化成為LED照明系統(tǒng)追求的目標?；谥悄芑囊?，本文提出了基于冷暖白光LED的光強度、光色度可調(diào)的智能照明系統(tǒng)；基于安全性的考慮，系統(tǒng)采用線性調(diào)光的方式，避免了PWM調(diào)光方法可能存在的安全隱患；為了追求高的光品質(zhì)，系統(tǒng)采用優(yōu)化算法確保設(shè)定色度下，整個光強度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)色度維持恒定。優(yōu)化算法中采用CIEu′v′均勻色品坐標中的色差定義，避免相關(guān)色溫差定義帶來的不確定性。除此以外，系統(tǒng)的光強度設(shè)定采用明度為量化等級，使其更加符合主觀需求。實驗驗證結(jié)果表明，基于冷暖白光LED的線性調(diào)光混合照明系統(tǒng)混合光的色度穩(wěn)定性可以保持在1階CIEu′v′圓內(nèi)，相應色度設(shè)定下的整個光強度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)無可察覺的色差。系統(tǒng)的優(yōu)化方法采用線性調(diào)光避免閃爍的同時，通過混光算法解決了單色冷暖白光LED線性調(diào)光時色度漂移大的問題，提供了高品質(zhì)的智能LED調(diào)光解決方案。

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