基于三基色LED的线性调光混合照明.pdf
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1、文章编号2097-1842(2024)01-0108-10基于三基色 LED 的线性调光混合照明黄涛,夏振平*,彭子雄,刘宇杰,李超超,顾敏明(苏州科技大学电子与信息工程学院,江苏苏州215009)uvuv摘要:为提供高品质、智能健康的照明光源,基于三基色 LED 光源构建了线性调光混合照明系统,并提出一种调光调色的优化方法。混合光源的光色度和光强度分别用色温和明度等级来设定,使得混合照明效果更加符合“人因照明”的需求。在系统的智能优化配光过程中,将色温转化为 CIE色度坐标,明度转化为亮度,使优化计算更加精确。该系统采用线性调光的方式,既能有效避免混合光源闪烁带来的健康安全问题,配合优化算法
2、又有效解决了线性调光色度漂移大的问题。实验结果表明,在 2000K8000K 的色温范围内,混合照明系统混合光的色度稳定性保持在 1 阶 CIE圆内,在对应色温下的整个光强度调节范围内无可察觉的色差。采用线性调光方式在保持光色度稳定上比脉冲宽度调光方式效果更佳。理论探究和实验结果表明该混光照明系统简易可行,具有较高的实用价值。uv关键词:三基色 LED;混合照明;线性调光;人因照明;色差;CIE圆中图分类号:TN206文献标志码:Adoi:10.37188/CO.2023-0084Mixedlightingbasedonthelineardimmingofthree-primary-color
3、LEDsHUANGTao,XIAZhen-ping*,PENGZi-xiong,LIUYu-jie,LIChao-chao,GUMin-ming(College of Electronics and Information Engineering,Suzhou University ofScience and Technology,Suzhou 215009,China)*Corresponding author,E-mail:uvAbstract:Toprovidehigh-quality,intelligent,andhealthylightingsources,alineardimmin
4、gmixedlightingsystemisconstructedusingthree-primary-colorLEDlightsources.Anoptimizationmethodfordimmingandcolormixingisproposed.Thelightchromaticityandlightintensityofthemixedlightsourcearesetbycolortemperatureandbrightnesslevel,whichmakesthemixedlightingeffectmoreinlinewiththedemandofhu-man-centric
5、lighting.Intheintelligentoptimizationofthesystem,thecolortemperatureisconvertedintoCIEchromaticitycoordinates,andthebrightnessisconvertedintoluminancetomaketheoptimizationcalculationsmoreaccurate.Thesystemadoptsthelineardimmingmethod,effectivelyavoidingthehealthandsafetyhazardscausedbylightsourcefli
6、cker,andeffectivelysolvestheproblemoflargelineardimmingchromaticitydriftwithanoptimizationalgorithm.Experimentresultsdemonstatethatthechromaticstability收稿日期:2023-05-09;修订日期:2023-05-19基金项目:国家自然科学基金(No.62002254);江苏省自然科学基金(No.BK20200988)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.62002254)
7、;theNaturalScienceFounda-tionofJiangsuProvince,China(No.BK20200988)第17卷第1期中国光学(中英文)Vol.17No.12024 年 1 月ChineseOpticsJan.2024uvofthemixedlightinthemixedlightingsystemismaintainedwithinthefirststepoftheCIEchromati-citydiagraminthecolortemperaturerangeof2000K8000K.Moreover,thesystemexhibitsimpercept-ib
8、lecolordeviationovertheentirerangeoflightintensityadjustmentsatthecorrespondingcolortemperat-ure.Thisfindingalsoindicatesthatlineardimmingisbetterthanthepulse-widthdimmingmethodinkeep-ingtheopticalchromaticitystable.Theoreticalexplorationandexperimentalresultsdemonstratethatthemixedlightingsystemiss
9、impleandfeasible,withsignificantpracticalvalue.uvKeywords:three-primary-colorLEDs;mixedlighting;lineardimming;human-centriclighting;chromaticaberration;CIEcircle1引言与传统的荧光灯和白炽灯相比,发光二极管(LightEmittingDiode,LED)具有亮度高、寿命长、体积小、绿色节能、响应快等优点,在照明领域、光通信领域有着广泛的应用1-8。自 2002 年美国 Brown 大学的 BersonDM 等9发现了哺乳动物视网膜存在第
10、三类感光细胞内在光敏视网膜神经节细胞(intrinsicallyphotosensitiveRetinalGanglionCells,ipRGCs)以来,研究人员一直在探究光对人体健康的生物学和心理学影响10-13。因此,现在的 LED 照明不仅仅是为了照亮周围环境,更应该考虑光的非视觉效应,并将光学安全和健康作为室内照明的首要任务14-16。在智能照明领域中,LED 是常用的照明技术之一,其调光方式通常有两种:脉冲宽度调光(PulseWidthModulation,PWM)和线性调光。其中,PWM 调光通过数字化脉冲控制 LED 驱动器实现,通过改变平均输出电流实现 LED 亮度的调节。尽管
11、其可实现对 LED 平均电流的精准控制,并将光源闪烁频率控制在人眼无法感知的范畴内,但在一定程度上会对人的注意力和视觉感知产生负面影响,存在健康安全方面的隐患17-18。线性调光通过连续、线性地调节 LED 电流从而实现亮度控制。由于 LED 线性调光可以在不改变频率的情况下实现光源的连续调光,因此调光过程更加自然且平滑,不会产生明显的闪烁和眩光,可以很好地避免 PWM 调光可能引起的视觉疲劳和不适,不过其在调光范围内可能存在较大色差19。实现光色度、光强度可调的技术包括冷暖白光混合照明4,19、红绿蓝三基色混合照明5以及红、绿、蓝、青、黄、暖白 6 色 LED 混合照明20等。但目前的照明系
12、统存在以下问题:通常采用的 PWM 调光存在因调光方式导致 LED 闪烁并由此带来的健康安全隐患;用客观亮度划分光强度等级,并未考虑人的主观感知;光色度的定义以相关色温为依据,导致调光过程中光色度恒定效果不佳。uv针对上述问题,本文提出基于红绿蓝三基色LED 的线性调光混合照明系统。该系统采用线性调光方式,因此并不存在因光源闪烁而引起的健康及安全问题。为更契合“人因照明”理念,在光强度调节过程中以明度代替亮度,使得混合照明光源的调光等级更符合人的感知等级。光色度差采用 CIE1976中的圆色差定义,避免由相关色温定义色度偏差而带来的不准确性。同时采用三基色 LED 进行混合照明,解决了冷暖白光
13、混合照明色域范围小,多色 LED 混合照明所需成本高的问题。2三基色 LED 混光理论色温是描述光源颜色的重要参数。人们可以根据光源色温的高低来判断光源的颜色。色温通常以黑体辐射源发出的颜色进行表征,即当光源颜色与某一特定温度 T 下的黑体辐射源发出的颜色相同时,该黑体的温度就代表该光源的色温。然而,任何温度下的黑体辐射源所发出的颜色并不可能与实际光源颜色完全相同。因此,物理学家引入了相关色温(CorrelatedColorTemperature,CCT)的概念。根据国际照明委员会(Commis-sionInternationaledeIEclairage,CIE)的标准,任何颜色都能在 CI
14、E1931xy 色度图上表示出来,如图 1(a)(彩图见期刊电子版)所示。图 1(a)中的黑第1期黄涛,等:基于三基色 LED 的线性调光混合照明109色曲线称为黑体轨迹,它代表的是不同温度下的黑体辐射源的颜色坐标。光源色坐标与黑体轨迹最接近的色品坐标对应的黑体辐射源温度称为该光源的相关色温,同一相关色温对应“等温线”上所有色坐标点(即与图 1(a)黑色曲线相交的斜线)。0.9(b)(a)520520540560580600620700490480470460380540560580600620490TC(K)TC(K)PQ10 0006 0004 0003 0002 50010 0006 0
15、004 0003 0002 5002 0001 5002 000 1 500RGB48047046038070000.10.20.30.40.50.60.70.80.80.70.60.55005000.4yx0.30.20.100.900.10.20.30.40.50.60.70.80.80.70.60.50.4yx0.30.20.10图1CIE1931xy 色度图。(a)黑体轨迹及相关色温等温线;(b)三基色混光区域图及色漂移示意图Fig.1CIE 1931xy chromaticity diagram.(a)Blackbodylocus and correlated color tempe
16、rature isotherms;(b)threeprimarycolorsmixedlightingregiondia-gramandcolordraftschematic红绿蓝三基色 LED 混合照明系统是采用红光 LED、绿光 LED、蓝光 LED 进行线性混光。在混合白光的同时,线性调光避免了闪烁可能引起的健康安全隐患。在 CIE1931xyY 色彩空间中,通过色品坐标和亮度值 Y 来唯一表征颜色,即通过 xyY 来表示颜色。红光、绿光、蓝光对应表达分别为 xryrYr、xgygYg、xbybYb,相应的色坐标点在图 1(b)(彩图见期刊电子版)中用 R、G、B 表示。根据格拉斯曼定律
17、,红光、绿光 LED 混合得到的中间色的色坐标必定落在两色坐标点连线上,如图 1(b)中的点 Q,点 Q 的具体坐标是由红色、绿色 LED 光源的混合比例决定的。然后,再利用中间色 Q 与蓝光 LED 根据某一混合比例得到目标色,如图 1(b)中 P 点。从图中可以看出,三基色所围成的区域涵盖了大部分的黑体轨迹,这也从理论上说明采用三基色能够混合任意色温的白光。由于 xy 色品空间是非线性空间,根据 CIE1931 色坐标计算方法21,混色坐标的计算须在三刺激值空间 CIE1931XYZ)进行。二者之间的转换关系为:=xyY=YyX/(X+Y+Z)Y/(X+Y+Z)Y,(1)=XYZ=Yyxy
18、1xy.(2)三刺激值空间线性可加,故三基色混合光的三刺激值矢量表示为:m=r+g+b.(3)再通过式(1)变换得到 CIE1931xyY 色彩空间,从而得到对应的混合光源的色品坐标。在该系统中三基色 LED 光源均采用线性调光,在整个 0100%光强度调节范围内,单独的三基色 LED 也存在色度偏差,如图 1(b)中 RGB 三个顶点处。当混合白光的色温确定时,分别调节三基色 LED 的发光强度,实际的混合色坐标也可能和理论上色坐标存在较大差异,如图 1(b)中红色圈出来的色坐标点(所代表的含义是混光目标色温为 3000K 时,调节三基色的驱动电流进行混光时所产生的色漂移)。3三基色 LED
19、 混合照明的色度偏差智能照明系统中的 LED 具有丰富多变的光谱特点,使得它可以广泛应用于照明领域。然而,由于 LED 光源的灵活性和多变性,三基色 LED混光照明应用中存在光色不一致的问题。在颜色110中国光学(中英文)第17卷工程领域中,色差用于度量光色度的变化。在光色度和光强度均可调节的智能照明系统中,当光色度固定时,光强度调节要求色差在不可察觉的范围内,即光色度无显著变化。尽管相关色温与色坐标之间存在关系,但由于其是一对多的关系,因此用相关色温来表示色差并不准确。美国颜色科学家麦克亚当进行了大量颜色匹配实验,并从 CIE1931xy 色品坐标系中选择了 25 个参考点。他认为每个参考点
20、的观察误差服从正态分布,且在不同方向上可能有不同的标准差。因此,他考虑了 1 个标准差的误差坐标点,并将这些点绘制成封闭曲线。研究后发现,这些封闭曲线近似为椭圆形,这就是 CIE1931 色度图中的 25 个麦克亚当椭圆。通常用“阶”数来表示麦克亚当椭圆,1 个标准差表示 1 阶。1 阶麦克亚当椭圆内的色坐标基本没有差异,而 3 阶麦克亚当椭圆代表恰可察觉的色差,7 阶麦克亚当椭圆用于定义照明产品的色差容忍范围。当光源的色差超出人眼能够容忍的范围时,照明会造成光学和健康安全方面的影响。图 2(彩图见期刊电子版)为带有 25 个麦克亚当椭圆的色度图(为方便观察,椭圆的长短轴已各放大 10 倍)。
21、0.952054056058060062070048044046000.10.20.30.40.50.60.70.80.80.70.60.55000.4yx0.30.20.10图2CIE1931xy色度图上的 10 阶麦克亚当椭圆Fig.210-stepMacAdamellipseinCIE1931xychromati-citydiagramCIETN001:2014 指出麦克亚当当初对于 3阶的恰可察觉色差定义不清,且由于 CIE1931色品空间是非均匀的,用基于 CIE1931 色品坐标系定义的麦克亚当椭圆的色差概念并不准确。考虑到 CIE1976 色品空间是个均匀的色品空间,在uvuvC
22、IE1976 的白光区域,麦克亚当椭圆近似为圆,LED 的大部分实际应用就在这个区域,所以用圆代替椭圆表示色差更加精确。图 3 是 5 阶圆,其圆心与对应的麦克亚当椭圆的中心点一致22。u0.520.540.56v0.440.160.180.200.220.240.260.280.460.480.50uvuv图3CIE1976色度图上的 5 阶圆uvuvFig.35-stepcircleontheCIE1976chromaticitydiagramuvx yCIE1976USC 色度坐标表示为(,),其是在 CIE1931 色度坐标(,)基础上进行转换得到的,转换过程如式(4)所示:u=4x2
23、x+12y+3v=9y2x+12y+3.(4)由于 CIE1976 色品空间是均匀空间,人眼视觉差异相同的不同颜色大致是等距的,所以通过两个颜色点的相对距离可以直观看出两颜色的色差大小。CIE1976 色品空间色差可以表示为:uv=(u1u0)2+(v1v0)2,(5)u1v1u0v0uvuvuv式中,为实际光源的坐标,为目标光源的坐标。在 CIE1976圆色差的表示方法中,圆的阶数等于除以 0.0011。4混合照明的线性调光调色方法4.1系统组成和调光调色方法红绿蓝三基色 LED 混合照明系统是由 LED调光控制器、微处理器、流驱动器和三基色LED 模组构成。整体调光调色通过以下步骤实第1期
24、黄涛,等:基于三基色 LED 的线性调光混合照明111现:首先,LED 调光控制器输入一个包含光色度、光强度的调光信号;微处理器接收并分析该调光信息,然后输出一个三基色 LED 的直流驱动控制信号;直流驱动器根据上级传输过来的直流驱动控制信号输出相应的直流电流去驱动 LED。4.2设定与输出参量的查找表构建照明系统要求光源调控具有准确性和实时性,故需在输入的调光信号和输出的驱动电流控制信号之间建立查找表。首先,建立光强度信号与驱动电流控制信号的关系。分别测量红、绿、蓝三组 LED 光源在不同电流 I 下的三刺激值 X、Y、Z 数据。所测系统是最终的产品设计方案,结果考虑到了 LED 光源的排布
25、、散热等。整个测量过程在积分球中进行,只改变驱动电流这一变量。对测量结果进行数据拟合,分别得到三基色 LED 光源的亮度 Y 与刺激值 X、Z 及驱动电流 I 的拟合关系式,如式(6)(8)所示:XrZrIr=9.1111056.5271032.2430.118 35.9871054.2381031.1321020.119 56.1911043.4491025.1120.322 8Y3rY2rYr1,(6)XgZgIg=5.6141061.0051030.205 80.175 12.5051064.0481040.119 30.150 94.3571067.7261052.5230.216 2
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