LED混色燈具在線檢測標(biāo)定平臺

陳闊家 甄何平

【摘 要】 結(jié)合影視舞臺專業(yè)LED燈具需求，闡述LED混色燈具方案的優(yōu)點(diǎn)及產(chǎn)品化過程中的一些關(guān)鍵問題，提出提高生 產(chǎn)效率的自動化解決方案，即LED混色燈具在線檢測標(biāo)定平臺。

【關(guān)鍵詞】 影視舞臺；顯色性；一致性；LED混色；燈具；自動化；在線檢測；標(biāo)定

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.001

【Abstract】combined with the needs of LED lighting in movie and TV stage industry， the author expounds the advantages of LED mixed color lamp scheme and some key problems in the process of product development， and proposes an automatic solution， LED online test platform for color mixing lamps.

【Key Words】movie and TV stage； color rendering； consistency； LED color mixing； luminaire； automation； on-line test； calibration

目前，受限于技術(shù)瓶頸LED光源的光色一致性控制是一個短期內(nèi)難以解決的難題，產(chǎn)品個體差異性大，影響使用效果。為了實(shí)現(xiàn)燈具輸出光色良好的一致性，采用多組LED進(jìn)行混光補(bǔ)償是一個較合理的方案。通過混光比例來控制最終輸出光色一致的方法，需要提前對每組色別的LED參數(shù)在不同的工作溫度下進(jìn)行測試，為每臺燈具建立實(shí)測參數(shù)庫，燈具控制軟件依據(jù)參數(shù)庫進(jìn)行自動混色計(jì)算和補(bǔ)償控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出光的一致性。但對燈具內(nèi)LED光源參數(shù)的測試是一個比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程，人工檢測調(diào)試生產(chǎn)效率低。每臺燈具需要測試的數(shù)據(jù)量很大，手工測試往往需要幾個小時(shí)才能完成一臺燈具的測試，無法應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

因此，開發(fā)效率高、測量準(zhǔn)確度高的LED燈具自動化在線檢測平臺，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在線100%檢測和分選，對于提高燈具生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品一致性，并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，可起到極大的推動作用。

1 LED燈具自動化測試系統(tǒng)開發(fā)原理

通過研究多色LED混光燈具的光色一致性影響因素和顯色性[1]優(yōu)化方案，筆者開發(fā)了目前的基于恒溫箱的自動化測試系統(tǒng)。整套系統(tǒng)基于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，快速光譜測量技術(shù)、色度學(xué)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，應(yīng)用于LED專業(yè)燈具生產(chǎn)線，能極大地提高產(chǎn)品一致性和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品競爭力。

根據(jù)色度學(xué)原理，對多色LED燈具混色可靈活輸出各種彩色光、連續(xù)可調(diào)色溫的白光，滿足舞臺照明的多重需求。但多色LED燈具混色的精度與燈具中各種顏色LED的出光精度密切相關(guān)，而LED發(fā)光強(qiáng)度除了與電流相關(guān)以外，還與LED的結(jié)溫等因素密切相關(guān)。筆者通過試驗(yàn)明確了燈具中影響LED發(fā)光性能的主要因素，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，擬合出LED發(fā)光強(qiáng)度受溫度、PWM占空比影響的關(guān)系曲線，并設(shè)計(jì)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)每種顏色LED的發(fā)光強(qiáng)度的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)整體燈具混色精度的精確控制，通過RDM等雙向通信協(xié)議將根據(jù)測試結(jié)果得出的混色補(bǔ)償參數(shù)發(fā)送給燈具，由燈具儲存并進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

LED光源在工作狀態(tài)，不同的溫度下，光源的發(fā)光性能中的各個指標(biāo)會有些偏移。光源的溫度對光輸出的影響如圖1所示[2]。

通常，LED光源廠家會提供典型的LED發(fā)光特性受結(jié)溫及電流影響的關(guān)系曲線，但對實(shí)際應(yīng)用幫助不大，無法提取出有效的參考數(shù)據(jù)；而且，同一型號的LED通常又會根據(jù)發(fā)光效能、色坐標(biāo)、工作電壓等參數(shù)分出很多bin區(qū)，供應(yīng)商供貨時(shí)也會有限制，往往會綁定多個bin區(qū)銷售給客戶，因此，想要從采購源頭精確控制LED的一致性非常困難，會對采購造成很大壓力。而針對燈具進(jìn)行光源參數(shù)測試相對來說可行性更強(qiáng)一些。

燈具中各種顏色的光源在不同溫度下光輸出的比例是不同的。為了保證燈具在工作狀態(tài)下計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先需要對燈具進(jìn)行詳細(xì)的測試。

筆者最初的想法是測試每種顏色LED在正常工作電流下不同溫度的照度數(shù)據(jù)，見表1。

僅以LED受結(jié)溫的影響作為主要干擾因素，只針對結(jié)溫變化對燈具進(jìn)行混色補(bǔ)償，數(shù)字模型假定為：

L（t）=a0×t2+b0×t+c0

但經(jīng)過實(shí)際燈具驗(yàn)證，基于該補(bǔ)償方法的混色精度仍然不夠理想，特別是低亮度情況下，混色色差較大。經(jīng)過分析，確認(rèn)為低亮度時(shí)，LED發(fā)光特性受驅(qū)動電路影響較大。理想情況下，基于LED恒流驅(qū)動電路，LED發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動電路的PWM調(diào)光占空比成理想線性關(guān)系；而實(shí)際情況下，影視舞臺燈具對于LED調(diào)光頻率要求較高[3]，高達(dá)20 kHz以上。而在如此高的調(diào)光頻率下，驅(qū)動電路中的MOS管導(dǎo)通延遲等因素的影響就會凸顯出來，特別是PWM占空比較低時(shí)，LED的光輸出與PWM占空比就會呈現(xiàn)出明顯的非線性。

經(jīng)過進(jìn)一步思考分析，筆者考慮在LED測試環(huán)節(jié)中增加LED受驅(qū)動電路非線性影響的因素，增加了不同PWM占空比下的LED發(fā)光特性測試，見表2。

測試時(shí)，首先測試燈具穩(wěn)定工作。先將燈具放置在恒溫箱中或通過物理升溫的方法進(jìn)行升溫（結(jié)溫穩(wěn)定在某些溫度點(diǎn)），待燈具工作穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)燈具焦距，使得光斑直徑調(diào)至1 m，固定點(diǎn)分別測得R、G、B、W四種光源在不同PWM占空比下的照度值及光譜。用離散數(shù)學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型，對測試到的多組數(shù)據(jù)分析，通過Matlab對測試數(shù)據(jù)處理，整理出LED光效受溫度變化及LED恒流驅(qū)動電路非線性影響的二元補(bǔ)償公式，建立符合溫度變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。紅光采樣數(shù)據(jù)折線見圖2。

經(jīng)過測試的數(shù)據(jù)比對，數(shù)字模型符合：

L（t，s）=（a0×t2+b0×t+c0）×s2+（a1×t2+b1×t+c1）×s+（a2×t2+b2×t+c2）

其中L為照度，t為溫度，s為PWM占空比，通過測試數(shù)據(jù)需計(jì)算出相關(guān)的常數(shù)系數(shù)。

圖3是對紅光測試數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)處理結(jié)果繪制的幾條曲線，圖中從上到下，依次是溫度為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的曲線，對比采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)計(jì)算結(jié)果誤差基本在 2%以內(nèi)。

由于測試過程中需要根據(jù)PWM占空比、溫度等多個因素進(jìn)行測試，測試點(diǎn)非常多，而且每個測試點(diǎn)都需要對燈具溫度進(jìn)行穩(wěn)定控制，因此，設(shè)計(jì)專用的恒溫箱設(shè)備作為測試工具，對于縮短測試時(shí)間、提高測試效率就顯得尤為重要。恒溫箱需要能夠做到快速的加熱或降溫，將燈具設(shè)備穩(wěn)定到指定的溫度，需要使用PLC控制器采用PID算法對恒溫箱進(jìn)行溫度控制。恒溫箱內(nèi)要預(yù)留燈具常用的電源插頭、信號線等與恒溫箱控制器連接，實(shí)現(xiàn)同步控制。

另外，測試過程中系統(tǒng)需要采集燈具運(yùn)行信息，如LED工作結(jié)溫，并且在測試結(jié)束后處理的校準(zhǔn)參數(shù)需要傳遞給燈具。恒溫箱需要與燈具進(jìn)行雙向交互通信，需要設(shè)計(jì)相關(guān)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，目前，燈具通用控制協(xié)議中RDM[4]正在普及，并且支持雙向通信，基于RDM的數(shù)據(jù)交互是一個比較好的選擇，因此，筆者的設(shè)計(jì)也通過RDM通信協(xié)議與燈具進(jìn)行雙向通信。

最后，多色LED混色算法也很關(guān)鍵?；焐惴ㄒ鶕?jù)舞臺燈光的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化配置LED混色比例。比如，有些客戶除了要求Ra達(dá)到一定數(shù)值以外，還要求R9達(dá)到指定數(shù)值，混色算法就需要在Ra、R9目標(biāo)值達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上選擇輸出光照度較高的比例。如果客戶對于白光的顯色性要求不高，對照度要求較高，就可以通過降低Ra目標(biāo)值的方式提高混色光的光效，提升燈具輸出光照度，因此，數(shù)據(jù)處理工具需要能夠靈活配置，優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化配置，見圖4。

借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，對于白光混色中每一個目標(biāo)色溫點(diǎn)，都可以找出達(dá)到目標(biāo)顯色性的比例中光照度輸出最高的混色比例。

測試結(jié)果見表3。

色差分析：

由上表中的測試數(shù)據(jù)及比對結(jié)果可以看出：表中的Δu'v'[5] 的數(shù)據(jù)在0.000 1--0.001 7之間，其色差值滿足行業(yè)規(guī)范中<0.003的要求；按照麥克亞當(dāng)圓的階數(shù)要求，計(jì)算的指標(biāo)均在二階之內(nèi)，具有良好的視覺特征。

顯色性分析：

以3 200 K白光為例，黑體輻射（接近鹵鎢燈）曲線如圖5所示。

四色LED燈具混色后的光譜如圖6所示。

當(dāng)色溫C=3 200 K時(shí)，測試數(shù)據(jù)為：一般顯色指數(shù)為Ra=95.070 8；

特殊顯色指數(shù)R1到R15分別為：

R1=99.553 3；R2=95.718 5；R3=85.207 4；R4=93.808 4；

R5=97.634 5；R6=93.371 1；R7=94.357 0；R8=95.916 2；

R9=99.414 8；R10=88.120 5；R11=92.951 5；R12=79.572 9；

R13= 98.470 8；R14= 92.917 5；R15= 99.449 4；

根據(jù)視敏函數(shù)特征，結(jié)合色溫在3 200 K時(shí)的能量分布圖，繪出人眼視覺效果圖，如圖7所示：

圖7中，黑色線條為人眼對鹵鎢燈光譜感應(yīng)的能量分布，粉色線條為人眼對混色LED光譜感應(yīng)的能量分布，二者差異很小。LED光源最主要的優(yōu)勢在于節(jié)能，光源幾乎沒有紅外輻射能量。而從人眼對于可見光的敏感程度來看，在明視覺下，人眼對于波長大于650 nm以及小于450 nm的光譜能量感知度已經(jīng)非常低了，因此，盡管LED光譜在650 nm以后輻射能量快速衰減，但這一現(xiàn)象對于人眼色彩感覺的影響并沒有想象中那么嚴(yán)重。圖7中的鹵鎢燈和LED混色后的兩個曲線非常接近。

2 LED燈具自動化在線檢測與標(biāo)定系統(tǒng)介紹

通過研發(fā)LED光色參數(shù)自動化測試技術(shù)，建設(shè)LED燈具自動化在線檢測與標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LED燈具在生產(chǎn)線上的自動檢測和光色標(biāo)定，可以極大地提升LED燈具的光色一致性，提高燈具顯色性能，進(jìn)而提升LED照明質(zhì)量。

2.1 系統(tǒng)主要組成

（1）程序控制的自動恒溫測試平臺

通過采用高精度熱電偶作為溫度傳感器，配合嵌入式數(shù)字化控制系統(tǒng)，驅(qū)動大功率無觸點(diǎn)控溫電路進(jìn)行閉環(huán)溫度控制，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高速的溫控效果，使待測燈具快速、穩(wěn)定地在預(yù)設(shè)溫度條件下實(shí)行不同溫度下LED的光色光度參數(shù)檢測。

（2）在線快速光譜測量系統(tǒng)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的光纖光譜儀，通過在生產(chǎn)線上實(shí)時(shí)同步方式，利用CCD傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)和高速通信技術(shù)建立快速光譜測量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對LED燈具的光譜功率分布、色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對可見光全光譜范圍進(jìn)行精確測量，并由高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成完備的產(chǎn)品光譜數(shù)據(jù)庫，用于產(chǎn)品的光譜標(biāo)定和校準(zhǔn)。

（3）在線快速照度測量系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)通過光電傳感器對不同工作條件下LED的照度進(jìn)行自動測量，得到相應(yīng)LED在不同工作溫度和驅(qū)動電流下的照度數(shù)據(jù)，并由高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成完備的產(chǎn)品相對光通數(shù)據(jù)庫，用于產(chǎn)品的光學(xué)參量標(biāo)定和校準(zhǔn)。

（4）在線標(biāo)定系統(tǒng)

自動優(yōu)化混色算法：研究以顯色指數(shù)和輸出功率為目標(biāo)的優(yōu)化算法，基于燈具在線測量的光學(xué)數(shù)據(jù)，自動計(jì)算單個燈具的最優(yōu)混色方案，優(yōu)化各色LED的驅(qū)動電流配比，實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的照明要求。

補(bǔ)償控制軟件：通過不同溫度下各色LED驅(qū)動電流的自動補(bǔ)償，達(dá)到對LED燈具的恒定色溫和高顯色指數(shù)的自動控制，對燈具固件進(jìn)行在線式標(biāo)定和校準(zhǔn)，保證燈具輸出參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性。

2.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)

（1）自動優(yōu)化混色算法

研究以顯色指數(shù)和輸出功率為目標(biāo)的優(yōu)化算法，基于燈具在線測量的光學(xué)數(shù)據(jù)，自動計(jì)算單個燈具的最優(yōu)混色方案，優(yōu)化各色LED的驅(qū)動電流配比，實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的照明要求。可根據(jù)任意指定的Ra及特殊顯色指數(shù)組合作為混色目標(biāo)進(jìn)行光譜靈活定制，并對混色光效或總光通量尋優(yōu)。

圖8中，四種LED光源光譜，其中紅光峰值波長為638 nm，綠光峰值波長為524 nm，藍(lán)光峰值波長為447 nm，白光色溫為3 000 K，普通顯色指數(shù)為79。RGBW四種光源的光通量依次為：1 226 lm、2 808 lm、414.3 lm、7 718 lm，功率分別為38.7 W、68.8 W、46.6 W、136.6 W。

1）設(shè)定混色目標(biāo)：色溫3 200 K，Ra>95，R9>95可獲得混色光譜如圖9所示。

該混色方案光譜顯色指數(shù)為：

Ra= 95.99， R9=97.56

R1～R15依次為：

98.46， 98.1， 86.08， 94.18， 98.68， 97.35， 96.89， 98.18， 97.56， 94.58， 94.51， 83.57， 99.22， 95.26， 99.72

總光通量為8 281.1 lx，LED總功率為151.87 W

2）設(shè)定混色目標(biāo)：色溫3 200 K，Ra>90，R9>80可獲得混色光譜如圖10所示。

該混色方案光譜顯色指數(shù)為：

Ra= 90.85， R9=80.26

R1～R15依次為：

91.07， 99.34， 83.02， 84.27， 91.15， 96.04， 93.64， 88.3， 80.26， 99.18， 78.02， 95.07， 92.72， 93.1， 93.11

總光通量為10 169 lm，LED總功率為204.22 W。

3）設(shè)定混色目標(biāo)：色溫3 200 K，Ra>90可獲得混色光譜如圖11所示。

該混色方案光譜顯色指數(shù)為：

Ra=90.08，R9=76.78

R1～R15依次為：

90.1， 99.03， 82.77， 83.22， 90.21， 95.46， 93.12， 86.7， 76.78， 98.68， 76.55， 96.1， 91.86， 92.93， 92.02

總光通量為10 277.0 lm，LED總功率為207.23 W。

4）設(shè)定混色目標(biāo)：色溫3 200 K，Ra>85可獲得混色光譜如圖12所示。

該混色方案光譜顯色指數(shù)為：

Ra=85.05， R9=55.29

R1～R15依次為：

84.03， 96.61， 81.19， 76.49， 84.25， 91.66， 89.53， 76.59， 55.29， 93.11， 67.32， 96.28， 86.46， 91.85， 85.19

總光通量為11 010.0 lm，LED總功率為 227.65 W。

如圖13所示，紅綠藍(lán)黑四條光譜曲線，依次為上面1～4種混色方案的混色光譜。

由以上不同的混色方案對比可知，混色目標(biāo)不同，混色比例優(yōu)化后的結(jié)果也不同，燈具可達(dá)到的光通量和功率也不同。從趨勢看，目標(biāo)顯色指數(shù)越高，混色后燈具的光通量越小，LED功率也越低。因此，燈具的混色優(yōu)化方案，需要依據(jù)客戶需求，進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，對于顯色性要求稍低的需求，可以通過設(shè)定合適的顯色指數(shù)指標(biāo)來提高燈具輸出光光通量。因此，混色軟件需要做到可以根據(jù)客戶需求靈活定制需要的性能參數(shù)，并且混色程序需要根據(jù)LED燈具中的LED配置進(jìn)行比例優(yōu)化，使混色比例在滿足客戶需求情況下盡量提高燈具輸出的光通量。

（2）補(bǔ)償控制軟件

研究自動溫度補(bǔ)償控制軟件，通過不同溫度下各色LED驅(qū)動電流的自動補(bǔ)償，達(dá)到對LED燈具的恒定色溫和高顯色指數(shù)的自動控制，對燈具固件進(jìn)行在線式標(biāo)定和校準(zhǔn)，保證燈具輸出參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性。

LED發(fā)光性能不只受結(jié)溫影響，還受驅(qū)動電路及PWM周期等因素影響，因此，精確地測量LED結(jié)溫以及明確驅(qū)動電路等因素對LED發(fā)光性能的影響關(guān)系很關(guān)鍵，需要模擬出LED正常工作時(shí)的環(huán)境進(jìn)行測量試驗(yàn)，開發(fā)專用的測量設(shè)備。另外，還要依據(jù)試驗(yàn)總結(jié)出的補(bǔ)償算法開發(fā)配套的測試數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，提取出補(bǔ)償系數(shù)，并將補(bǔ)償參數(shù)傳遞給燈具，由燈具存儲并在運(yùn)行時(shí)調(diào)用，見圖14。

最終，整個系統(tǒng)將LED燈具數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、混色計(jì)算、燈具參數(shù)設(shè)置等一些列過程串聯(lián)起來，由系統(tǒng)自動化分步執(zhí)行，整個過程只需要提前設(shè)置好目標(biāo)參數(shù)，然后一鍵啟動，這對于提高生產(chǎn)效率，降低人工成本重要意義。

通過多色LED混色，可實(shí)現(xiàn)以任意指定的Ra及特殊顯色指數(shù)組合作為混色目標(biāo)進(jìn)行光譜靈活定制，并對混色光效或總光通量尋優(yōu)。根據(jù)測試，采用低顯色指數(shù)LED光源元件仍然可混出高顯色指數(shù)白光，有助于降低光源采購要求。通過靈活配置光源中不同色彩的功率比例，可實(shí)現(xiàn)高光效高顯指白光應(yīng)用。利用混色方式，可充分發(fā)揮LED彩色優(yōu)勢，燈具功能靈活。

LED混色方案有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但LED混色燈具產(chǎn)品的實(shí)施并不容易。通過本文中闡述的自動化檢測標(biāo)定平臺能夠大大降低LED混色方案實(shí)施難度，但LED混色燈具還要特別注意的另一個關(guān)鍵點(diǎn)是燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)，如何將多色LED發(fā)出的光進(jìn)行均勻混合，這是產(chǎn)品實(shí)施過程中的另一個難點(diǎn)，值得各位業(yè)內(nèi)同行深入探討。

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作者簡介：

陳闊家，2008年畢業(yè)于中國傳媒大學(xué)，本科學(xué)歷。曾任北京星光影視設(shè)備科技股份有限公司研發(fā)部經(jīng)理，工作期間主導(dǎo)開發(fā)了easyworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，并成功應(yīng)用于公司各種新開發(fā)燈具吊桿設(shè)備中，主導(dǎo)開發(fā)了Art-Net解碼器、LED混色燈具控制器系統(tǒng)、LED混色燈具自動化測量標(biāo)定系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)了鳥巢吸引舞臺控制系統(tǒng)、通用軸控制器控制系統(tǒng)等，并申請多項(xiàng)專利。目前專注于通用控制系統(tǒng)研究。