基于兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法

0 引 言

　　2002 年美國(guó)Brown 大學(xué)David Berson 等人在哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第三種感光細(xì)胞，它主要在調(diào)節(jié)人體內(nèi)分泌、控制生理節(jié)律等非視覺生物效應(yīng)方面發(fā)揮功能。照明設(shè)計(jì)也從單一地考慮視覺功能逐步過(guò)渡到考慮視覺與非視覺雙重功能上。研究表明，動(dòng)態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機(jī)時(shí)差效應(yīng)、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。

　　為實(shí)現(xiàn)LED 的動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì)，需對(duì)光源的光色量進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制，調(diào)制出符合光生物學(xué)要求的光譜。

　　這里的光色量是光度量和色度量的合稱。LED 常用的調(diào)光方法有模擬調(diào)光和PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)光兩種。前者是線性調(diào)節(jié)LED 電流，后者是使用開關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別力足夠高的頻率來(lái)改變光輸出的平均值。在調(diào)光過(guò)程中，防止色度量發(fā)生偏移相當(dāng)重要。產(chǎn)生色偏的因素主要有兩個(gè)：正向?qū)娏骱蚉-N 結(jié)溫度。模擬調(diào)光產(chǎn)生的色差取決于兩者，PWM 則主要決定于后者。一般情況下PWM 產(chǎn)生較小的色差（白光LED因結(jié)溫引起的色差不超過(guò)4SDCM），工程實(shí)踐中多不考慮PWM調(diào)光產(chǎn)生的色差。

　　恒流驅(qū)動(dòng)下的PWM 具有以下特點(diǎn)：改變LED 的占空比，光度量相應(yīng)地線性改變而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整數(shù)倍于方波周期時(shí)間內(nèi)的平均值。PWM 也因具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

　　目前對(duì)PWM 調(diào)光調(diào)色的研究相對(duì)較少，此前尚缺乏一個(gè)利用PWM 同時(shí)控制光源光度量和色度量的量化計(jì)算方案。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了兩通道PWM 調(diào)光調(diào)色的混光模型，建立了期望光色量與兩通道占空比之間的一一映射。該算法能定量地調(diào)制出期望光度、色度要求的光譜，為L(zhǎng)ED 的動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 方 法

　　1.1 兩通道PWM 調(diào)光調(diào)色的確定性

　　理論上可以證明，通過(guò)對(duì)LED 進(jìn)行混光，兩通道PWM 的占空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關(guān)系。這種確定性由PWM 混光技術(shù)下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。

　　1.1.1 幾何約束條件

　　由色度學(xué)知識(shí)可知，混合光的色品坐標(biāo)必在參與混光的兩光源色品坐標(biāo)連線上，具體位置取決于兩種光源的混合比例。以此表示兩通道PWM 混光的幾何約束條件，用公式表示如下：


式中：xc、yc 和xw、yw 分別為參與混光的冷光源（高色溫LED）和暖光源（低色溫LED）在滿電流、占空比為100%下的色坐標(biāo)；xm、ym 為混合光的色坐標(biāo)。

　　1.1.2 光度約束條件

　　改變驅(qū)動(dòng)LED 的PWM 占空比，其色度量不變而光度量相應(yīng)地線性變化，且光度量的比值等于占空比的比值。根據(jù)測(cè)試條件，光度量可以是光通量、照度、亮度或光強(qiáng)，色度量可以是色品坐標(biāo)或相關(guān)色溫。

　　若已知兩光源的占空比，則混合光的光度量可結(jié)合疊加原理計(jì)算如下：

　式中：Yc、Yw 分別為參與混光的冷光源和暖光源在滿電流、占空比為100%下的光度量；Dc、Dw 分別為冷光源和暖光源的占空比；Ym 為混合光的光度量。這就是兩通道PWM 混光的光度約束條件。

　　1.1.3 色度約束條件

　　根據(jù)加混色原理及CIE1931 色坐標(biāo)計(jì)算方法，占空比分別為Dc、Dw 時(shí)兩光源混光后的色坐標(biāo)應(yīng)滿足：


　式中： Rc = Y c / yc ， Rw = Yw / yw 。實(shí)際上，由幾何約束條件可知，當(dāng)已知兩光源的色品坐標(biāo)和混合光的x坐標(biāo)時(shí)，混合光的y 坐標(biāo)是確定的，且是唯一的。故兩通道PWM 混光的色度約束條件可簡(jiǎn)化為：