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高亮度LED在绿色照明工程中的应用研究 [1]

2013-12-9  来源:(武汉理工大学物流工程系 武汉430063)  作者:刘有源 方福波 陈定方  有3826人阅读

根据色度学原理和LED的特点探讨了应用高亮度LED照明时由红绿蓝三种颜色的LED发光管所发出的光为三原色的配色原理, 应用CIE色度系统实现三原色配色的计算, 确定了三原色的配色比例; 根据人眼视觉惰性原理, 采用脉宽调制(PWM)的控制方式对LED亮度进行控制, 从而实现对LED颜色灰度级的控制和调节, 达到预期的亮度效果。

  0 概  述

  发光二极管(LED) 是一种应用广泛的电子元件,但由于其发光效率和亮度均较低, 发光颜色品种少等原因,LED 在20世纪90年代以前主要应用于仪器仪表的状态、数字和文字等的显示。20世纪90年代初期, LED芯片制造技术和封装技术取得重大发展,LED的发光亮度达到了cd 级,产生了所谓的高亮度LED,发光颜色也覆盖到了整个可见光光谱范围, 极大拓展了LED的应用范围和领域。世界上许多国家和地区已开始用超高亮度LED取代白炽灯、金属卤钨灯, 广泛用作交通信号灯、警示灯、标志灯、汽车、轿车上的高位刹车灯、尾灯、转向灯及仪表盘的照明和显示等。国外有些公司还制作出LED灯泡、LED台灯及小电筒等照明灯具。到目前为止, 白光LED的发光效率已达到15~ 20 lm/W , 与白炽灯发光效率相当甚至更高, 用LED替代白炽灯已成为可能。

  与白炽灯相比,LED 固体灯具有使用寿命长(达100 000 h 以上) , 能耗低, 发光利用率高, 对环境无害, 维修费用低, 工作稳定等优点, 是一种理想的绿色照明光源。由于单只LED管的光通量相对较小, 要获得与白炽灯或荧光灯相当的光照度需要多只LED管, 因此LED固体照明成本相对较高。目前, 固体灯照明还未得到完全发展, 制约LED照明发展的主要因素是LED的亮度和研制成本。 随着LED制造技术的发展和成本的不断降低,LED照明将会越来越普及, 高亮度LED用于固体灯照明具有广阔的发展前景和市场。

  1 高亮度LED的配色原理

  1. 1 颜色匹配原理

  把两种以上的颜色调节到视觉上与某种颜色相同的方法叫做颜色匹配。颜色可以相互混合, 这种混合可以是颜色光的混合, 也可以是染料的混合, 两种混合方法所得到的结果是不同的。前者称为颜色相加混合, 后者为颜色相减混合。将几种颜色的光同时或先后快速地刺激人的视觉器官, 便产生不同于原来颜色的新颜色感觉, 这就是颜色相加混合的方法。实验证明, 用红、绿、蓝三原色产生其他颜色最方便, 这三种颜色是最优的三原色。

  在颜色光的匹配实验中, 由三原色组成的颜色的光谱组成与被匹配的颜色光的光谱组成可能很不一致。例如, 由红、绿、蓝三个颜色光混合的白光与连续光谱的白光在视觉上一样, 但它们的光谱组成却不一样,这一颜色匹配称为“同色异谱”颜色配对。由三原色混合成的颜色只表达被匹配颜色的外貌, 而不能表达它的光谱组成情况。

  1. 2 颜色方程

  若以(C) 代表需要匹配的颜色的单位, (R ) ,(G) , (B ) 分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位, R, G,B, C 分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量, 当达到颜色匹配时, 有

  

  在色度学中, 常将为匹配相等能量(简称等能) 光谱色的三原色数量称为光谱三刺激值, 用表示. 则匹配波长为λ的等能光谱色(Cλ) 的颜色方程为

  

  通常, 并不直接用三原色数量来表示颜色, 而用三原色各自在总量中的相对比例-色度坐标表示颜色。 某一特定色颜色的色度坐标r,g, b分别为:。由于r+ g + b= 1, 所以只用r, g即可表示一种颜色,故颜色方程可改写为

  

  对于不同的波长的光谱色, 其三刺激值是波长的函数,用来表示, 光谱三刺激值又称为颜色匹配函数, 它的数值取决于人眼的视觉特性。

  在上述可能具有负值方程的颜色匹配条件下, 所有的颜色, 包括白黑系列的各种灰色、各种色调和饱和度的颜色, 都能由红、绿、蓝三原色的相加混合产生(匹配)。

  1. 3 CIE 色度图

  对于人眼视觉来说, 颜色与三刺激值一一对应, 亦即由三刺激值唯一确定。通常以图1 所示的CIE-XYZ色度图作为配色计算的依据。

  该色度图特性: 从红端到540 nm 一带的绿色, 光谱轨迹几乎是直线, 此后光谱轨迹突然转弯, 颜色从绿色转为蓝2绿, 蓝2绿又从510 nm 到480 nm 伸展开来, 带有一定的曲率, 蓝色和紫色波段却又压缩在光谱轨迹尾部的较短范围。连接400 nm 和700 nm 的直线是光谱上所没有的由紫到红的颜色,光谱轨迹及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内包括一切物理上能实现的颜色, 而坐标系统的三个原色点都落在这个区域之外, 也就是说, 三原色点的色度是假想的, 在物理上不可能实现。同样, 凡是落在光谱轨迹和红端到紫端直线范围以外的颜色也都是不能有真实光线产生的。

  根据该色度图上还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。色度图准确地表示了颜色视觉的基本规律以及颜色混合的一般规律, 这个色度图也叫做混色图。

  图1 多色混合

  2 配色计算

  由格林斯曼定律可知, 任意两非互补色以任意比例混合将产生中间色。在色度图上表现为任意两个颜色(包括互补色) 相混合, 所产生的颜色是以两种颜色为端点的连线线段上的颜色。三个线性无关的颜色相混合, 所产生的颜色是以此三点为顶点所围成的三角形内的颜色, 如图3 所示。

  采用三色LED混色也正是基于此原理。配色的主要任务是确定三原色数量比, 也就是确定三刺激值, 从而进一步确定红、绿、蓝三种颜色L ED 管的数量比。文中所提到的配色, 主要是指匹配白光, 也就是在红、绿、蓝三原色LED管都达到最亮时, 混合光为选定的白光, 此时称为达到白平衡。

  设在CIE-XYZ 色度系统中, 所要配出的白光为W (xw, yw , zw ) , CIE 所用三原色为X (x R ,y R , z R ) , Y (x g , y g , z g ) , Z (xb, yb, zb) , 所用LED 发光管发光的色度坐标分别为X ′(x ′R , y ′R , z ′R )、Y ′(x ′g , y ′g , z ′g ) ,Z ′(x ′b, y ′b, z ′b) , 则根据格林斯曼定律有

  

  用矩阵的形式表示为

  

  式中:

  于是

  

  在CIE-XYZ 色度系统中有

  

  将式(6) 代入可得

  

  设[xw yw zw] ×A- 1 = [b1 b2 b3] , 则b1, b2, b3 即为以X ′,Y ′,Z ′为三原色时W 的色度坐标。亦即为以X ′,Y ′,Z ′为三原色匹配W 时, 三原色的亮度或光通亮之比。

  通过计算得到配色的色度坐标, 由色度系统的单位即可得知红绿蓝三种LED发光管的总的光强或光通比, 由每种发光管的特性参数即可确定各种LED发光管的大致数量比。

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