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）

1 引言

与传统的荧光灯和白炽灯相比，发光二极管（Light Emitting Diode,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Berson D M 等[9]发现了哺乳动物视网膜存在第三类感光细胞——内在光敏视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive Retinal Ganglion Cells,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（Pulse Width Modulation,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。

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CIE 1976u′v′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（Correlated Color Temperature,CCT）的概念。根据国际照明委员会（Commission Internationale de I'Eclairage,CIE）的标准，任何颜色都能在CIE 1931xy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）。

图1 CIE 1931 xy 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.1 CIE 1931 xy chromaticity diagram.(a) Blackbody locus and correlated color temperature isotherms;(b) three primary colors mixed lighting region diagram and color draft schematic

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CIE 1931xyY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，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CIE 1931 色坐标计算方法[21]，混色坐标的计算须在三刺激值空间CIE 1931XYZ）进行。二者之间的转换关系为：

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：

再通过式（1）变换得到CIE 1931xyY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0～100%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3 000 K 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 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CIE 1931xy色品坐标系中选择了25 个参考点。他认为每个参考点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CIE 1931 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）。

图2 CIE1931 xy 色度图上的10 阶麦克亚当椭圆Fig.2 10-step MacAdam ellipse in CIE1931 xy chromaticity diagram

CIE TN 001:2014 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CIE 1931 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CIE 1976 色品空间是个均匀的色品空间，在CIE 1976 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u′v′圆代替椭圆表示色差更加精确。图3 是5 阶u′v′圆，其圆心与对应的麦克亚当椭圆的中心点一致[22]。

图3 CIE 1976 u′v′ 色度图上的5 阶 u′v′圆Fig.3 5-step u′v′ circle on the CIE 1976 u′v′ chromaticity diagram

CIE 1976 USC 色度坐标表示为(u′,v′)，其是在CIE 1931 色度坐标(x,y)基础上进行转换得到的，转换过程如式（4）所示：

由于CIE 1976 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。CIE 1976 色品空间色差可以表示为：

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、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：

本文利用已有的三基色LED 光源进行相关数据拟合，得到三基色LED 光源关于以上相关拟合的拟合系数R-square 均大于0.98，拟合效果良好。

进一步，输入的光色度信号以色温为依据，但在实际调光优化过程中，用CIE 1976 USC 色度坐标来表示色度信息，所以通过数据拟合建立黑体轨迹坐标与色温Tc的函数关系，具体形式如式（9）所示：

为了使得拟合结果更加精确，在色温范围1 000～10 000 K 内，每隔200 K 求取色坐标用来拟合。通过拟合得到相关的拟合系数R-square 均大于0.99。

以主观明度取代客观亮度来划分光强度调控等级，使得光强度的调控需求更符合人的主观感知。式（10）表示的是归一化的亮度Y'与明度L之间的函数关系[23]：

亮度Y′与明度L的关系曲线如图4 所示。

图4 明度与亮度的关系曲线Fig.4 The relationship between brightness and luminance

建立相关查找表的最后一步是通过遍历法，寻找在固定色温和相应明度等级下，对应的三基色LED 光源的电流控制信号。相关流程如图5所示。

为方便确定系统亮度的取值，明度信号以百分数表示，根据式（10）计算出对应等级下的归一化的亮度Y′。选取三基色LED 混合光源的最大亮度中的最小值作为该系统的最大亮度，系统的实际亮度为该亮度与归一化亮度Y′的乘积。

具体的遍历过程如下：已知固定色温Tc，将该色温Tc代入式（9）得到黑体轨迹坐标（）。在明度为100%的情况下，遍历寻找使式（5）中的Δu′v′最小的三基色LED 亮度配比。在后面明度等级非100%的情况下，为了使得色差误差更小，不以该色温Tc下的黑体轨迹坐标作为混合光源的目标坐标，而是以明度在100%等级下使得色差Δu′v′值最小的混合光源实际坐标（）为目标坐标。遍历寻找到对应的使 Δu′v′值最小的三基色亮度配比。通过驱动电流I与亮度Y之间的对应关系（式（6）～（8）），得到对应明度等级和色温下的三基色LED 光源的驱动电流信号，如式（11）所示：

5 混合照明效果分析

为验证三基色LED 线性调光混色照明系统的可行性和实用性，用光谱分析系统（双色云谱HP 8000 Pro）测量了三基色LED 光源在最大正向导通电流下的光色度参数及光谱功率分布，结果如表1 和图6 所示。

表1 三基色LED 光源数据Tab.1 Data of three-primary-color LED light sources

图6 LED 光源相对光谱功率分布Fig.6 Relative spectral power distribution of LED light sources

出于对LED 芯片结温会导致色漂移和出光效率降低的考虑，测试环境温度保持在25 °C，LED 光源稳定照明30 分钟以上再进行测试。

为了使混光效果更精确，实验过程中将明度等级从5%～100%均分为20 个等级，根据4.2 节提到的方法，遍历寻找在设定色温和不同明度等级的最佳亮度配比，同时测量不同色温和明度等级下混合光源的色坐标，并计算出色温、色温差、u′v′色差及其对应的阶数。实验发现该照明系统的混合光在色温2 000 K～8 000 K 之间有良好的色度稳定性。表2 所示的是照明系统在6 种特定色温下的相关数据。从表中数据可知，在设定的色温下，调节混合照明系统的明度等级，其色温变化在34 K 以内，u′v′色差均小于0.001 1。即色差阶数在1 阶以内，光色度变化在不可察觉范围内。表3 所示的是对应色温在6 500 K 时不同明度等级下的最佳驱电流数据以及对应的u′v′坐标值。

表2 三基色LED 线性调光混合照明的色度稳定性Tab.2 Chroma stability of mixed lighting based on linear dimming of three-primary-color LEDs

表3 三基色LED 光源在 TC=6 500 K 时不同明度下的电流及 u′v′坐标值Tab.3 The currents and u′v′ coordinate values of three-primary-color LED light sources under different brightnesses at TC=6 500 K

由于相关色温和色品坐标并不是一一对应的关系，利用CIE 1976 USC 色度坐标描述混合光源的色度及其差异更加精确。对于所提出的混合照明系统，用色温表示输入的调光色度信号时，将色温转化为u′v′坐标表达会导致所设定的色温和实际测量的色温之间存在一定的差异。图7 为CIEu′v′圆表示的该线性调光照明系统的色度稳定性。从图7 可知，采用线性调光的调光优化算法能够使得混合光源的色差保持在1 阶u′v′圆内。随着设定色温的增大，不同明度等级下的混合光源的u′v′坐标点越来越密集，即混合光源色温更加趋近于所设定的色温。

图7 CIE u′v′圆表示的照明系统色度稳定性Fig.7 Chroma stability of the lighting system represented by CIE u′v′ circle

为进一步验证本文提出的线性调光优化算法的优势，将线性调光与PWM 调光方式的混光色度稳定性进行比较。在相同的实验条件下，用光谱分析系统分别测量三基色当占空比D从0%变化到100%过程中的光色度参数（占空比调节间隔为1%）。先将亮度Y与刺激值X、Z及占空比D进行数据拟合。根据4.2 节中提到的方法遍历寻找到在设定色温和不同明度等级下使 Δu′v′值最小的三基色亮度配比。最后，根据前面建立的拟合式，得到对应明度等级和色温下的三基色LED 光源的占空比。表4 所示的是照明系统在6 种特定色温下的PWM 调光的色度稳定性相关数据。由表4 可知，在特定的色温下，调节混合照明系统的明度范围，PWM 调光方式下的相关色温变化范围变大，从线性调光方式下的34 K 变为234 K，色差阶数达到了3 阶（3 阶u′v′圆代表恰可察觉的色差）。

表4 三基色LED 的PWM 调光混合照明的色度稳定性Tab.4 Chroma stability of mixed lighting based on PWM dimming of three-primary-color LEDs

为直观表现两种调光方式在采用同种优化算法时，系统混合光的色度稳定性的差异，此处列出色温为6 500 K 时的CIEu′v′圆对比图，如图8 所示。通过图8 可以直观地看出，在所提出的调光优化算法基础上，采用线性调光方式在不同明度等级下的色差保持在1 阶u′v′圆内，而PWM 调光方式的色差达到了3 阶。通过相关数据对比可得在该混合照明系统中，线性调光方式在维持混合光的色度稳定性上效果更佳。

图8 6 500 K 下照明系统色度稳定性比较。（a）线性调光；（b）PWM 调光Fig.8 Comparison of chroma stability of lighting systems at 6 500 K.(a) Linear dimming;(b) PWM dimming

6 结论

LED 照明系统需要的是高品质、智能健康的光源。首先，本文提出了一个基于三基色LED 光源的智能照明系统，可以实现光的色度和强度的自由调节。其次，为了确保照明的安全性，系统使用了线性调光，避免了PWM 调光可能带来的健康隐患。此外，为了提高照明质量，系统采用了一种新颖的优化算法，使得可以在固定色温下，在整个光强度调节范围内，色差在不可察觉的范围内进行调节。同时，系统采用明度等级设置光强度，使得光强度的调控更加符合人的主观感知。实验结果表明：在2 000 K～8 000 K 的色温范围内，基于三基色LED 的线性调光混合照明系统的混合光的色度稳定性在1 阶的CIEu′v′圆内，且随着所设色温的增大，混合光的色差变化幅度更小。相比于PWM 调光，本文提出的线性调光混合照明系统在维持光色度稳定性方面性能突出。结合三基色LED 结构简单、混光方便易行的特点，本文为高品质智能LED 照明需求提供了有一种良好的解决方案，其有助于促进改善人们的视觉体验。