田會(huì)娟，胡 陽(yáng)，陳 陶，柳建新，蔡敏鵬，關(guān) 濤

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2. 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)運(yùn)系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387； 4. 天津成科傳動(dòng)機(jī)電技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

1 引 言

隨著人們生活水平的提高以及 LED 應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，單一色溫白光 LED 已經(jīng)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。研究能滿足優(yōu)質(zhì)照明需求的色溫、亮度可調(diào)、成本低且易于實(shí)現(xiàn)的高顯色性白光LED 成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[1-3]。殷錄橋等[4]采用紅綠藍(lán)三基色發(fā)光二極管，模擬了類太陽(yáng)光動(dòng)態(tài)色溫在不同時(shí)間段動(dòng)態(tài)變化的照明光源，顯色指數(shù)在33～37范圍內(nèi)。郭自泉等[5]模擬了在相關(guān)色溫3 000 K時(shí)的三基色合成白光，得到最大顯色指數(shù)為92.6。諶江波等[6]采用Ohno模型，用藍(lán)光LED激發(fā)涂覆其上的綠橙雙色熒光粉獲得暖白光，與紅、青、藍(lán)3種LED光源混光，得到了寬色溫范圍下的高顯色指數(shù)白光，這種方法需在特定光源上涂覆特定量熒光粉。田會(huì)娟等[7]提出了一種基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)的R/G/B/WW四色LED調(diào)光調(diào)色模型，該模型在高色溫混合白光時(shí)均勻性有待進(jìn)一步提高。本文在上述PWM的基礎(chǔ)上，研究了高顯色性白光LED混光優(yōu)化方法，該方法根據(jù)多基色混合白光光源相對(duì)光譜功率分布(SPD)符合線性疊加原理，采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立混合光中各光源色坐標(biāo)與配光比關(guān)系，在優(yōu)化目標(biāo)顯色性能最佳時(shí)，研究了各參數(shù)的測(cè)試精度，并采用R/G/B/WW 四色LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 顯色指數(shù)計(jì)算

顯色指數(shù)用來(lái)表示光源對(duì)被照射物體實(shí)際顏色的還原能力，最大值為100，其值越高，表明色彩還原能力越強(qiáng)。光源對(duì)某一標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的特殊顯色指數(shù)的計(jì)算公式為[5-6,8-9]：

Ri=100-4.6ΔEi(i=1,…,14)，

(1)

其中，ΔEi為14種顏色樣品在標(biāo)準(zhǔn)光源與待測(cè)光源下的色差。通常情況下用一般顯色指數(shù)Ra表示光源的顯色性能，Ra指特定的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的平均顯色指數(shù)：

(2)

2.2 相關(guān)色溫計(jì)算

相關(guān)色溫的計(jì)算公式為[10]：

Tc=449n3+3525n2+6823.3n+5520.33，

(3)

它表示當(dāng)光源發(fā)出光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時(shí)，黑體的溫度就稱為該光源的相關(guān)色溫，式中n=(x-0.3320)/(0.1858-y)，x、y為CIEx-y的色坐標(biāo)。

2.3 混合光計(jì)算

多色彩混合白光的光源相對(duì)光譜功率分布(SPD)符合線性疊加原理[11-12]：

P(λ)=D1P1(λ)+D2P2(λ)+…+DnPn(λ)，

(4)

其中，Dn和Pn(λ)分別為第n種光源的占空比和在滿電流工作狀態(tài)下的光譜功率分布。CIE-XYZ光譜三刺激值由CIE-RGB光譜三刺激值經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換得到，記為X、Y、Z。三刺激值在物體色度值的計(jì)算中代表人眼的顏色視覺(jué)特征參數(shù)，計(jì)算公式為[9,13]：

(5)

其中V(λ)是光譜光視效率函數(shù)，P(λ)是混合光的光譜功率分布函數(shù)。

根據(jù)混光原理，且便于控制變量，需先將四基色轉(zhuǎn)變?yōu)槿？扇芜x兩色先進(jìn)行混合，再將混合光與其余兩單色光混合。為方便討論，本文中先將四色中的G與WW混合，組成G/WW混合基色。設(shè)1 lm總光通量下，G在G+WW中的所占比例為r，即r=G/(G+WW)，其三刺激值可表示為(XB,YB,ZB)、(XG,YG,ZG)、(XR,YR,ZR)、(XWW,YWW,ZWW)和(XG+WW(r),YG+WW(r),ZG+WW(r))，則有以下關(guān)系[13]：

[XG+WW(r)YG+WW(r)ZG+WW(r)]=

(6)

在任意比例r下，R/G/B/WW 四色LED在1 lm總光通量下的混合光源中的貢獻(xiàn)率分別用pR(r)、pG(r)、pB(r)、pWW(r)和pG+WW(r)表示，則有以下關(guān)系：

利用公式(7)計(jì)算結(jié)果可得出R/G/B/WW 四色LED在目標(biāo)光通量φ0下的混合白光中的光通量值：

(8)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)用光源模塊及驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)驗(yàn)采用八腳R/G/B/WW 四合一LED燈珠8顆組成光源模塊。為了使LED燈珠混光更加均勻且降低LED燈珠由于發(fā)熱導(dǎo)致結(jié)溫過(guò)高而引起色漂移和光效降低等問(wèn)題，對(duì)該光源進(jìn)行了光學(xué)仿真設(shè)計(jì)，得出其光源排布如圖1所示，并采用導(dǎo)熱硅膠固定在帶有散熱器的鋁基板上。用遠(yuǎn)方光電公司的HASS-2000 光譜分析系統(tǒng)測(cè)量光源模塊中各色LED芯片滿電流狀態(tài)下的色度學(xué)參數(shù)及相對(duì)光譜功率分布，如圖2和表1所示。

Fig.2 R/G/B/W source relative spectral power distribution

表1 實(shí)驗(yàn)中R/G/B/WW四合一燈珠參數(shù)

驅(qū)動(dòng)電路主要由直流穩(wěn)壓電源、WiFi模塊、STM32-ARM模塊、R/G/B/WW四合一LED光源模塊組成，如圖3所示。直流穩(wěn)壓電源將市電轉(zhuǎn)換為電壓為12 V 的直流電，WiFi模塊接收由手機(jī)端自主設(shè)計(jì)的調(diào)光APP發(fā)出的各色占空比比例信號(hào)，將信號(hào)反饋到STM32-ARM模塊，STM32-ARM 模塊根據(jù)占空比與光通量關(guān)系控制R/G/B/WW LED光源模塊混合比例，從而控制各色LED的混合比例完成調(diào)光混色實(shí)驗(yàn)[14-15]。

圖3 R/G/B/WW四合一光源模塊驅(qū)動(dòng)電路原理圖

Fig.3 R/G/B/WW four-in-one light source module drive circuit schematic

3.2 實(shí)驗(yàn)用光源模塊占空比與光通量關(guān)系

光通量與占空比存在線性關(guān)系[16]，利用遠(yuǎn)方光電公司的HASS-2000 光譜分析系統(tǒng)測(cè)試得出R/G/B/WW四色LED在[0，100]占空比D范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的光通量φ值，采用Origin軟件對(duì)測(cè)試得到的φR、φG、φB、φWW與相應(yīng)的占空比DR、DG、DB、DWW進(jìn)行線性擬合，得到基于本文所用光源的四色LED光通量與占空比間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出φ和D線性擬合度高，其相關(guān)系數(shù)R2在0.999 52～0.999 92之間，同時(shí)可得該LED模組中各光源的光通量與占空比的關(guān)系：

(9)

圖4 R/G/B/WW 四色LED占空比與光通量間的關(guān)系。(a)φR-DR；(b)φG-DG；(c)φB-DB；(d)φWW-DWW。

Fig.4 Relationship between duty cycle and light flux of R/G/B/WW four color LED.(a)φR-DR. (b)φG-DG. (c)φB-DB. (d)φWW-DWW.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 最優(yōu)顯色性

根據(jù)公式(2)、(3)、(7)可知，在不同色溫下取不同的r值會(huì)得出不同的R/G/B/WW四色LED混合白光的配光比，不同的配光比會(huì)影響顯色性能，故需要在一定色溫下得出最優(yōu)的顯色指數(shù)，同時(shí)獲取四色LED光源模塊在最優(yōu)顯色指數(shù)下的占空比。在調(diào)光約束范圍內(nèi)，沿黑體軌跡取Tc分別為3 000，5 000，7 000 K時(shí)各自對(duì)應(yīng)的CIE色坐標(biāo)(0.437，0.403 9)、(0.345 2，0.351 5)和(0.306 5，0.316 4)，光通量設(shè)定為500 lm，占空比在[1,100]范圍內(nèi)，改變r(jià)值，得出不同r下的R/G/B/WW 四色LED各色光源的光通量比例，經(jīng)公式(8)、(9)轉(zhuǎn)換為占空比值。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖5所示。由表2可知，相關(guān)色溫和光通量的設(shè)定值與測(cè)量值一致性較好，3種相關(guān)色溫設(shè)定值與測(cè)量值的平均相對(duì)誤差分別為1.18%、1.43%和1.02%，3種色溫下光通量設(shè)定值與測(cè)量值平均相對(duì)誤差分別為2.04%、1.48%和1.71%。同時(shí)，進(jìn)一步分析了該R/G/B/WW 四色LED光源模型的顯色性能，如圖5所示。當(dāng)設(shè)定相關(guān)色溫為3 000 K時(shí)，顯色指數(shù)隨著r的增大先增大后減小，最高顯色指數(shù)可達(dá)95.3。同樣，在設(shè)定相關(guān)色溫為5 000 K和7 000 K下，顯色指數(shù)也是隨著r的增大先增大后減小，但趨勢(shì)不同，Tc=5 000 K時(shí)顯色指數(shù)可達(dá)96.2，Tc=7 000 K時(shí)顯色指數(shù)有所降低，最大值為96.1。當(dāng)Tc=3 000 K時(shí)，紅、綠、藍(lán)LED組成的光譜缺少琥珀段光譜，這段光譜剛好可由暖白光補(bǔ)充，故最高顯色指數(shù)可達(dá)95.3；在5 000 K時(shí)，由于藍(lán)光和綠光在光譜占有量的增大，光譜愈發(fā)趨于完整，顯色指數(shù)可達(dá)到96.2；而在7 000 K時(shí)，紅光光譜所占比例出現(xiàn)下降，而藍(lán)光和綠光光譜所占比例更多，故顯色指數(shù)會(huì)有所降低，最大值為96.1。整體而言，LED光源模塊在r變化時(shí)，顯色指數(shù)均為先增大后減小，最優(yōu)顯色指數(shù)均可達(dá)到95以上，故以3種色溫下的最優(yōu)顯色指數(shù)95.3，96.2，96.1作為R/G/B/WW 四色LED配光比標(biāo)準(zhǔn)，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中均可得到非常優(yōu)異的顯色性能。

表2 光通量為500 lm時(shí)，3種相關(guān)色溫情況下設(shè)定值與測(cè)試值對(duì)比

圖5 顯色指數(shù)Ra隨混光比r的變化。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.5 Color rendering indexRavaries with the light mixing ratior. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

3.3.2 光效和顯色指數(shù)與光通量關(guān)系

為了研究R/G/B/WW 四色LED光源模塊混合白光在最優(yōu)顯色性下光效和顯色指數(shù)與光通量的關(guān)系，在得出最優(yōu)顯色指數(shù)配光比基礎(chǔ)上，利用公式(5)～(7)計(jì)算出不同色溫下四色LED在不同光通量下的配光比，根據(jù)比例調(diào)節(jié)各色LED對(duì)應(yīng)的占空比值，從而進(jìn)行不同光通量設(shè)定值下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由表3可知，當(dāng)設(shè)置相關(guān)色溫為3 000 K時(shí)，測(cè)試色溫與設(shè)置色溫的平均誤差為2.62%，光通量平均誤差為1.41%，顯色指數(shù)范圍為94.2～95.5，與設(shè)置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.38%，光效范圍為184.90～230.54 lm/W；當(dāng)設(shè)置相關(guān)色溫為5 000 K時(shí)，測(cè)試色溫與設(shè)置色溫的平均誤差為1.68%，光通量平均誤差為2.80%，顯色指數(shù)范圍為94.9～96.8，與設(shè)置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.47%，光效范圍為177.32～239.57 lm/W；當(dāng)設(shè)置相關(guān)色溫為7 000 K時(shí)，測(cè)試色溫與設(shè)置色溫的平均誤差為2.54%，光通量平均誤差為2.19%，顯色指數(shù)范圍為91.2～96.4，與設(shè)置的最優(yōu)顯色指數(shù)平均誤差為0.35%，光效范圍為174.04～229.09 lm/W。由上述實(shí)驗(yàn)分析可知，3種相關(guān)色溫下，一般顯色指數(shù)Ra均可達(dá)到高顯色性要求，混合光在相同光通量不同色溫下，功率幾乎一樣且都隨著光通量的增大而增大，這說(shuō)明混合光源模塊的功率是由光通量決定的。本實(shí)驗(yàn)中采用四合一燈珠且多燈珠同時(shí)點(diǎn)亮，雖然考慮了芯片結(jié)溫的升高會(huì)影響芯片性能并設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu)，但隨著光通量的增加，燈珠功率隨之增大，功率的增大不可避免地使得LED芯片的結(jié)溫升高，從而導(dǎo)致光效降低，如表3所示。由于色溫越高色品坐標(biāo)越敏感，因此7 000 K下的誤差平均值略大于3 000 K和5 000 K下的誤差平均值。當(dāng)相關(guān)色溫為5 000 K時(shí)，只需極少量的單色LED參與混光即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)色溫下的混合光，因此5 000 K時(shí)混合光的光效最大。光通量的增加不改變3種色溫的光譜，故顯色指數(shù)理論上應(yīng)該無(wú)變化，實(shí)際測(cè)試結(jié)果中顯色指數(shù)有變化但幅度不大，這是由于測(cè)量誤差及占空比調(diào)節(jié)時(shí)的四舍五入造成的。圖6為相關(guān)色溫在3 000,5 000,7 000 K時(shí)四色LED模塊的照明效果。

表3 不同色溫下測(cè)量值與設(shè)定值的對(duì)比

圖6 R/G/B/WW LED 光源模塊的照明效果圖。(a)Tc=3 000 K；(b)Tc=5 000 K；(c)Tc=7 000 K。

Fig.6 Lighting effect photos of R/G/B/WW LED module. (a)Tc=3 000 K. (b)Tc=5 000 K. (c)Tc=7 000 K.

綜上所述，對(duì)于R/G/B/WW 四色LED光源模塊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不同色溫下的最優(yōu)顯色性配光比后，可實(shí)現(xiàn)一般顯色指數(shù)大于95且光通量、色溫可調(diào)的高顯色性、高光效混合白光，在實(shí)際運(yùn)用中具有重要意義。

4 結(jié) 論

智能照明是未來(lái)照明發(fā)展的大趨勢(shì)，本文在基于PWM調(diào)制的基礎(chǔ)上，利用色坐標(biāo)與三刺激關(guān)系，采用R/G/B/WW四合一燈珠設(shè)計(jì)光源模塊，建立各通道占空比與光通量的關(guān)系，計(jì)算得出不同色溫下R/G/B/WW在混合白光中的比例，通過(guò)測(cè)色法找出顯色指數(shù)最優(yōu)時(shí)各色配光比，以此為基礎(chǔ)在高顯色性下研究光通量與功率、光效和顯色指數(shù)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相關(guān)色溫在3 000，5 000，7 000 K下，可實(shí)現(xiàn)一般顯色指數(shù)在94.2～96.8、光效在174.0～239.6 lm/W的高顯色指數(shù)、高光效混合白光。設(shè)置光通量與測(cè)試光通量平均誤差為2.17%，設(shè)置色溫與測(cè)試色溫平均誤差為2.28%，混合光設(shè)置顯色指數(shù)與測(cè)試顯色指數(shù)平均誤差為0.40%。需要注意的是，紅、綠、藍(lán)芯片的光效、光譜的半高全寬和峰值波長(zhǎng)以及白光芯片的光效和顯色性能都會(huì)對(duì)混合白光的顯色指數(shù)和光效產(chǎn)生影響，且混合白光中缺少波長(zhǎng)在450～510 nm之間的青色光光譜，同時(shí)因?yàn)槲磳?duì)燈板進(jìn)行后期燈具設(shè)計(jì)，在燈板水平發(fā)光面附近光混效果較差。后續(xù)工作將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，若能補(bǔ)齊混合光譜中缺失波長(zhǎng)部分的光譜，且增強(qiáng)水平混光效果，顯色指數(shù)可進(jìn)一步提高。