五色LED混合光源合成技术

烟台理工学校 高卫东

浙江金光电有限公司 金亦君 范维均 张晓明

宁波工程学院 鲍建宇

高显色性、高光谱连续性、低蓝光伤害的高品质光源是下一代LED健康照明技术发展的核心。为获得高品质的白光，本文采用LED芯片+多种颜色荧光粉的合成方法制备具有高品质的混合白光LED光源；在基于芯片+荧光粉而合成的混合光源中，根据PWM调光的基本原理，通过改变各单色光源驱动电流的占空比，实现混合光源的色度调节。

LED具有体积小、发光效率高、省电环保等特点被广泛应用于各个领域。传统的显色系统一般都是三基色，即熟知的红绿蓝(RGB)。因为人眼对于这三种颜色最为敏感，而且在色域图上这三种颜色分布的较为分散，均匀的分布在整个可见光谱上。根据视觉理论学说可知，不同的颜色混合可以得到其他色域的颜色。

然而三基色调光是有极限的，随着人们对于色彩饱和度，颜色的亮度等的要求越来越高，三基色显示系统已无法满足这些要求。解决的办法主要有两个，其一就是采用更加饱和的三基色。即在CIE-1931图上更加靠近顶点的颜色作为基色。但是要获取更加饱和的三基色就要采用带宽更窄的滤光片，这样会造成基色的亮度下降，使光源效率降低。另一种做法就是增加基色数量，三基色的显示系统在色域图上是一个三角形，多基色则是一个多边形。采用多基色混合方法可以有效扩充色域，增加颜色的饱和度。考虑合成光源的实现复杂程度和实际成本，本文在传统三基色混合光源基础上，通过增加青色（C）和黄色（Y）光源合成五基色LED光源。五基色混合光源与传统三基色光源相比，光的饱和度更高，混合色越均匀，所调制出来的光色域范围更广，可以大大提升人眼的观看舒适度。

1 五基色LED混合光源的合成算法

根据格拉斯曼颜色混合定律，在三基色的混光算法基础上，可推导出五基色LED混合光源的合成算法：

五基色混合光源的光通量：

上述表达式中：i代表五基色中的任意一种；Xi、Yi、Zi代表该光源的三刺激值；Xi+Yi+Zi为三刺激值之和；C1、C2、C3、C4、C5分别代表五种基色三刺激值之和。

由光通量Y除以色坐标y可求得该光源的三刺激值之和；由三刺激值之和乘以色坐标x可得到该光源三刺激值的X，三刺激值之和减去X与Y即为Z的值，由此可以得到五种颜色的三刺激值。

图1 相关色温：2350K；显色指数：93.7

图2 相关色温：5024K；显色指数：92.6

图3 相关色温：6278K；显色指数：93.0

2 实验结果

为验证五色LED混合光源合成算法的可行性，本文设计了一款实验样机。其中，输入直流电压24V，输出30-38V，每通道的额定电流为150mA。通过STM32单片机的PA6、PA7、PA8、PB0和PB1五个I/O口产生五路调光PWM信号，分别接入五路Boost电路的数字调光接口，实现五色LED混合光源的智能驱动。

图1至图3分别示出了各色光源在不同电流占空比控制条件下所拟合出的混合光源特性：（a）图对应合成光源的光谱图；（b）对应合成光源的色度图。其中，图1的各色光源的电流占空比为：R:G:B:Y:C=75:38:1:75:1；图2的各色光源的电流占空比为：R:G:B:Y:C=23:60:9:35:10；图3中的各色光源的电流占空比为：R:G:B:Y:C=13:30:6:12:6。可见，基于五色光源制备的合成光源，在2300K-6500K宽色温范围内均实现了显指大于90的高品质要求。

结论：本文采用LED芯片+荧光粉的多色光源合成技术，开发了一种高品质LED混合光源，弥补普通LED光源在可见光波段光谱比例失调的缺陷，获得高光谱连续性、高显色性、低蓝光伤害的高品质光源。通过优化并调制各单色光源的电流占空比，在2300K-6500K宽色温范围内均实现了显指大于90的高品质要求。由此可见，具备高显指光谱的LED光源不仅可用于博物馆照明，摄影照明等对光品质有极端要求的应用场合，在护眼照明、教育照明、办公照明以至于家居照明等以人为本的照明应用上也有巨大的市场空间。