五色LED混合光源合成技術(shù)

煙臺理工學(xué)校 高衛(wèi)東

浙江金光電有限公司 金亦君 范維均 張曉明

寧波工程學(xué)院 鮑建宇

高顯色性、高光譜連續(xù)性、低藍(lán)光傷害的高品質(zhì)光源是下一代LED健康照明技術(shù)發(fā)展的核心。為獲得高品質(zhì)的白光，本文采用LED芯片+多種顏色熒光粉的合成方法制備具有高品質(zhì)的混合白光LED光源；在基于芯片+熒光粉而合成的混合光源中，根據(jù)PWM調(diào)光的基本原理，通過改變各單色光源驅(qū)動電流的占空比，實(shí)現(xiàn)混合光源的色度調(diào)節(jié)。

LED具有體積小、發(fā)光效率高、省電環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的顯色系統(tǒng)一般都是三基色，即熟知的紅綠藍(lán)(RGB)。因?yàn)槿搜蹖τ谶@三種顏色最為敏感，而且在色域圖上這三種顏色分布的較為分散，均勻的分布在整個(gè)可見光譜上。根據(jù)視覺理論學(xué)說可知，不同的顏色混合可以得到其他色域的顏色。

然而三基色調(diào)光是有極限的，隨著人們對于色彩飽和度，顏色的亮度等的要求越來越高，三基色顯示系統(tǒng)已無法滿足這些要求。解決的辦法主要有兩個(gè)，其一就是采用更加飽和的三基色。即在CIE-1931圖上更加靠近頂點(diǎn)的顏色作為基色。但是要獲取更加飽和的三基色就要采用帶寬更窄的濾光片，這樣會造成基色的亮度下降，使光源效率降低。另一種做法就是增加基色數(shù)量，三基色的顯示系統(tǒng)在色域圖上是一個(gè)三角形，多基色則是一個(gè)多邊形。采用多基色混合方法可以有效擴(kuò)充色域，增加顏色的飽和度。考慮合成光源的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度和實(shí)際成本，本文在傳統(tǒng)三基色混合光源基礎(chǔ)上，通過增加青色（C）和黃色（Y）光源合成五基色LED光源。五基色混合光源與傳統(tǒng)三基色光源相比，光的飽和度更高，混合色越均勻，所調(diào)制出來的光色域范圍更廣，可以大大提升人眼的觀看舒適度。

1 五基色LED混合光源的合成算法

根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律，在三基色的混光算法基礎(chǔ)上，可推導(dǎo)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：

上述表達(dá)式中：i代表五基色中的任意一種；Xi、Yi、Zi代表該光源的三刺激值；Xi+Yi+Zi為三刺激值之和；C1、C2、C3、C4、C5分別代表五種基色三刺激值之和。

由光通量Y除以色坐標(biāo)y可求得該光源的三刺激值之和；由三刺激值之和乘以色坐標(biāo)x可得到該光源三刺激值的X，三刺激值之和減去X與Y即為Z的值，由此可以得到五種顏色的三刺激值。

圖1 相關(guān)色溫：2350K；顯色指數(shù)：93.7

圖2 相關(guān)色溫：5024K；顯色指數(shù)：92.6

圖3 相關(guān)色溫：6278K；顯色指數(shù)：93.0

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證五色LED混合光源合成算法的可行性，本文設(shè)計(jì)了一款實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。其中，輸入直流電壓24V，輸出30-38V，每通道的額定電流為150mA。通過STM32單片機(jī)的PA6、PA7、PA8、PB0和PB1五個(gè)I/O口產(chǎn)生五路調(diào)光PWM信號，分別接入五路Boost電路的數(shù)字調(diào)光接口，實(shí)現(xiàn)五色LED混合光源的智能驅(qū)動。

圖1至圖3分別示出了各色光源在不同電流占空比控制條件下所擬合出的混合光源特性：（a）圖對應(yīng)合成光源的光譜圖；（b）對應(yīng)合成光源的色度圖。其中，圖1的各色光源的電流占空比為：R:G:B:Y:C=75:38:1:75:1；圖2的各色光源的電流占空比為：R:G:B:Y:C=23:60:9:35:10；圖3中的各色光源的電流占空比為：R:G:B:Y:C=13:30:6:12:6?？梢姡谖迳庠粗苽涞暮铣晒庠?，在2300K-6500K寬色溫范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了顯指大于90的高品質(zhì)要求。

結(jié)論：本文采用LED芯片+熒光粉的多色光源合成技術(shù)，開發(fā)了一種高品質(zhì)LED混合光源，彌補(bǔ)普通LED光源在可見光波段光譜比例失調(diào)的缺陷，獲得高光譜連續(xù)性、高顯色性、低藍(lán)光傷害的高品質(zhì)光源。通過優(yōu)化并調(diào)制各單色光源的電流占空比，在2300K-6500K寬色溫范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了顯指大于90的高品質(zhì)要求。由此可見，具備高顯指光譜的LED光源不僅可用于博物館照明，攝影照明等對光品質(zhì)有極端要求的應(yīng)用場合，在護(hù)眼照明、教育照明、辦公照明以至于家居照明等以人為本的照明應(yīng)用上也有巨大的市場空間。