夏振平， 付保川， 程 成

(1. 蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215009；2. 蘇州市虛擬現(xiàn)實(shí)智能交互及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)、體積小、光效高、節(jié)能、環(huán)保、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于家庭、商場(chǎng)、道路等各種照明場(chǎng)合[1-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)LED照明的光品質(zhì)、安全性、智能化也提出了越來(lái)越高的要求。

以簡(jiǎn)單的相關(guān)色溫指標(biāo)表述的照明光色度在各種不同的照明場(chǎng)合都有重要的影響。家庭照明中，不同的光色度對(duì)人的情緒會(huì)產(chǎn)生不同的影響，同時(shí)會(huì)影響晝夜生物節(jié)律。商業(yè)照明中，環(huán)境光色度會(huì)影響消費(fèi)者對(duì)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(huì)影響交通參與者對(duì)道路狀況的分辨能力和反應(yīng)速度[6]。智能照明中，除了光色度的調(diào)節(jié)，光強(qiáng)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(guò)控制LED驅(qū)動(dòng)電流的通斷時(shí)間比例進(jìn)行平均光強(qiáng)調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍內(nèi)光色度相對(duì)恒定并且可以進(jìn)行精確控制，其缺點(diǎn)是存在閃爍有健康風(fēng)險(xiǎn)。線性調(diào)光控制通過(guò)LED電流的大小調(diào)控光強(qiáng)度，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)控電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)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(chǎng)合的需求，光色度、光強(qiáng)度可調(diào)的智能照明成為L(zhǎng)ED照明的研究熱點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)以上功能的技術(shù)包括：紅、綠、藍(lán)三基色LED混合照明；紅光、藍(lán)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(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性強(qiáng)。然而，現(xiàn)有冷暖白光LED混合照明技術(shù)仍然存在諸多問(wèn)題需要改進(jìn)：(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(qiáng)度的等級(jí)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(wèn)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(wú)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(biāo)一對(duì)多的不確定關(guān)系；光強(qiáng)度調(diào)控的等級(jí)以明度(Lightness)為依據(jù)，更加符合主觀實(shí)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(biāo)進(jìn)行表示，如圖1所示。為了量化某個(gè)光源所發(fā)出光的顏色，物理學(xué)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(lán)白漸變的過(guò)程，相應(yīng)的色坐標(biāo)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(shí)，黑體溫度稱為該光源的色溫。然而絕大部分光源的色坐標(biāo)并不會(huì)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(biāo)點(diǎn)最近的黑體軌跡坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度表示，同一相關(guān)色溫對(duì)應(yīng)“等溫線”上所有色坐標(biāo)點(diǎn)(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(jìn)行混光。為避免閃爍可能帶來(lái)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(duì)應(yīng)表達(dá)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(biāo)(xm,ym)必定落在冷暖白光LED色坐標(biāo)的連線上。由于xy色品空間并不是線性空間，具體混色坐標(biāo)的計(jì)算必須在三刺激值空間(CIE 1931XYZ)進(jìn)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(yīng)色品坐標(biāo)。

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(gè)0～100%光強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，單獨(dú)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(qiáng)度比例，會(huì)存在極大的不確定性。

3 白光LED照明的色度偏差

光強(qiáng)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(qiáng)度時(shí)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(biāo)之間存在一對(duì)多的關(guān)系，利用相關(guān)色溫差表示色差并不準(zhǔn)確。

麥克亞當(dāng)(Macadam)在1942年設(shè)計(jì)了顏色匹配實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中一個(gè)顏色為固定參考色，受測(cè)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(biāo)為中心的橢圓范圍內(nèi)，以每個(gè)方向上顏色匹配結(jié)果變動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差確定橢圓的邊界，便形成了CIE 1931 色度圖上的25個(gè)麥克亞當(dāng)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(lái)表示麥克亞當(dāng)橢圓，1階麥克亞當(dāng)橢圓內(nèi)的色坐標(biāo)幾乎沒有任何差別，3階麥克亞當(dāng)橢圓對(duì)應(yīng)顏色的恰可覺察差，能源之星以7階麥克亞當(dāng)橢圓定義照明產(chǎn)品的色差允許范圍。

麥克亞當(dāng)橢圓表示的是標(biāo)準(zhǔn)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(wú)法精確表示色度差。CIE 1976 USC色度系統(tǒng)將CIE 1931xy色度坐標(biāo)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(dāng)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(dāng)橢圓轉(zhuǎn)換到u′v′坐標(biāo)系后近似圓形，考慮到1942年實(shí)驗(yàn)可能存在的不確定度和實(shí)際差異的微小性，CIE提出了u′v′圓的方式替代麥克亞當(dāng)橢圓。CIEu′v′圓的階數(shù)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)麥克亞當(dāng)橢圓的中心點(diǎn)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(dòng)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(hào)，調(diào)光信號(hào)包含光強(qiáng)度和光色度設(shè)定信號(hào)；微處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后得到冷暖白光LED的驅(qū)動(dòng)電流控制信號(hào)；直流驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電流控制信號(hào)，產(chǎn)生直流電流直接驅(qū)動(dòng)冷暖白光LED；為增強(qiáng)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(shí)時(shí)性，輸入的調(diào)光信號(hào)與輸出驅(qū)動(dòng)電流控制信號(hào)之間通過(guò)查找表建立關(guān)系，如圖5所示。首先，分別測(cè)量冷暖白光LED在不同工作電流下的XYZ三刺激值，測(cè)量的照明系統(tǒng)確保是最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括LED的排布、燈罩的使用等，測(cè)試過(guò)程在暗室中進(jìn)行，只改變驅(qū)動(dòng)電流的大小，其他條件保持一致?；跍y(cè)試結(jié)果，通過(guò)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(qiáng)度調(diào)控需求，需要依據(jù)明度劃分光強(qiáng)度調(diào)控等級(jí)，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(yàn)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(gè)明度等級(jí)的色溫、色溫差、u′v′色差及其對(duì)應(yīng)的階數(shù)。明度等級(jí)為從10%到100%的均分10個(gè)等級(jí)。冷暖白光LED單獨(dú)工作時(shí)，在整個(gè)明度的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，無(wú)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(jí)分別對(duì)應(yīng)3階和2階。表1所列6種混合照明的效果分別對(duì)應(yīng)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(gè)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(jí)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(biāo)兩種對(duì)LED照明色度的表示方法各有優(yōu)劣。相關(guān)色溫的表示對(duì)于普通消費(fèi)者更易于理解和使用；而相關(guān)色溫和u′v′色坐標(biāo)之間是一對(duì)多的關(guān)系，u′v′色坐標(biāo)在均勻色空間表示色度及其差異更加準(zhǔn)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(dá)，在實(shí)際的色差計(jì)算和調(diào)控過(guò)程中，采用由色溫轉(zhuǎn)換而來(lái)的u′v′色坐標(biāo)的表達(dá)。由此可以理解6種混光的設(shè)定色溫和實(shí)際測(cè)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L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)追求的目標(biāo)?；谥悄芑囊?，本文提出了基于冷暖白光LED的光強(qiáng)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(gè)光強(qiáng)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(biāo)中的色差定義，避免相關(guān)色溫差定義帶來(lái)的不確定性。除此以外，系統(tǒng)的光強(qiáng)度設(shè)定采用明度為量化等級(jí)，使其更加符合主觀需求。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)色度設(shè)定下的整個(gè)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)無(wú)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(shí)，通過(guò)混光算法解決了單色冷暖白光LED線性調(diào)光時(shí)色度漂移大的問(wèn)題，提供了高品質(zhì)的智能LED調(diào)光解決方案。

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