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]。隨著技術的發(fā)展，人們對LED照明的光品質、安全性、智能化也提出了越來越高的要求。

以簡單的相關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，除了光色度的調節(jié)，光強度的調節(jié)也是最基本的需求之一。LED照明常用的調光方式有脈沖寬度調光(Pulse width modulation,PWM)和線性調光。PWM調光通過控制LED驅動電流的通斷時間比例進行平均光強調節(jié)，其優(yōu)點是調節(jié)范圍內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。線性調光控制通過LED電流的大小調控光強度，其優(yōu)點是調控電路簡單易實現(xiàn)，其缺點是調節(jié)范圍內存在較大的色度差[2,7]。

為了滿足不同照明場合的需求，光色度、光強度可調的智能照明成為LED照明的研究熱點。可實現(xiàn)以上功能的技術包括：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混合照明技術仍然存在諸多問題需要改進：(1)多以PWM調光為主，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的線性調光混合照明技術。系統(tǒng)中，冷暖白光LED均采用線性調光無閃爍；光色度差的定義采用了CIE 1976u′v′圓色差表示方法，避免了相關色溫和色坐標一對多的不確定關系；光強度調控的等級以明度(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)黑體軌跡及相關色溫等溫線；(b)冷暖白光LED線性調光下的色漂移。

冷暖白光LED混合照明系統(tǒng)中分別選擇一組冷色調白光LED和一組暖色調白光LED進行混光。為避免閃爍可能帶來的健康隱患，兩組LED的調光方式均為線性調光。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。兩者之間的轉換關系如下：

(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均采用線性調光的方式，在整個0～100%光強度調節(jié)范圍內，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、光色度可調的智能照明系統(tǒng)要求在設定的色度下，調節(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。由于相關色溫和色坐標之間存在一對多的關系，利用相關色溫差表示色差并不準確。

麥克亞當(Macadam)在1942年設計了顏色匹配實驗，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，所有的色匹配結果落在以參考色坐標為中心的橢圓范圍內，以每個方向上顏色匹配結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 混合照明的線性調光調色方法

4.1 系統(tǒng)組成及調光調色方法

冷暖白光LED混合照明系統(tǒng)由LED調光控制器、微處理系統(tǒng)、直流驅動器組和LED模組組成。如圖4所示，LED調光控制器用于輸入調光信號，調光信號包含光強度和光色度設定信號；微處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的調光信號，經過處理后得到冷暖白光LED的驅動電流控制信號；直流驅動器根據(jù)電流控制信號，產生直流電流直接驅動冷暖白光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 設定與輸出參量的查找表構建

為確保照明系統(tǒng)調控的實時性，輸入的調光信號與輸出驅動電流控制信號之間通過查找表建立關系，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)確保是最終的產品設計，包括LED的排布、燈罩的使用等，測試過程在暗室中進行，只改變驅動電流的大小，其他條件保持一致?；跍y試結果，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)值關系，如式(6)所示：

(6)

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

(7)

亮度Y與明度L是非線性關系，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，在整個明度的調節(jié)范圍內，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定色溫下，整個明度調節(jié)范圍內的相關色溫差均在25 K以內，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。相關色溫的表示對于普通消費者更易于理解和使用；而相關色溫和u′v′色坐標之間是一對多的關系，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)的調色輸入設置采用色溫表達，在實際的色差計算和調控過程中，采用由色溫轉換而來的u′v′色坐標的表達。由此可以理解6種混光的設定色溫和實際測量相關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 論

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

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